Принцип работы биполярного транзистора и соотношение для его токов.

Физическая модель биполярного транзистора и схема его включения в активном режиме:

Эмиттер – выполнен из сильно легированного полупроводника и является инжектором носителей заряда для области базы.

База слабо легирована примесями. Ширина базы много меньше диффузионной длины. W<<l_n

Коллектор сильно легирован примесями и предназначен для экстракции (поглощения) носителей зарядов, инжектируемых эмиттером.

При работе в активном режиме полярности источников напряжения U_ЭБ, U_КБ выбираются так, что ЭП смещен в прямом, а КП – в обратном направлении.

Поскольку база имеет малую концентрацию примесей по сравнению с соседними областями, то ЭП и КП располагаются в ее области.

При смещении ЭП в прямом направлении происходит ввод основных носителей заряда в базу, где они становятся не основными (инжекция). В базе введенные заряды первоначально группируются вблизи ЭП. А затем за счет диффузии или дрейфа начинают двигаться к КП. Достигнув его, неосновные носители попадают в сильное электрическое поле и переносятся им в область коллектора, где снова становятся основными носителями заряда (экстракция). Для компенсации зарядов, направляющихся в области коллектора, возникает коллекторный ток во внешней цепи. Часть зарядов области базы не достигает КП, рекомбинируя с основными носителями области базы, это создает ток базы.

Основные соотношения токов в транзисторе.

1. I_э= I_к + I_б

2. I_б= αI_э + I_ko, где α – коэффициент передачи тока эмиттера

(α=I_k/I_э)(0,9-0,999), αI_э – неосновные носители заряда, инжектируемые эмиттером (управляема составляющая), I_ko- собственный тепловой ток КП (неупрвляемая составляющая, зависит от окружающей среды).

3. I_б= I_э - I_к=(1-α_s)I_э - I_ko, если I_э=0, то I_б= -I_k0

Схемы включения биполярного транзистора.

К трём выводам транзистора можно подключить два независимых источника напряжения. В зависимости от того, какой вывод является для них общим, различают три схемы включения транзистора:

1) C общей базой. (α=I_к/I_э≤1)

2) С общим эмиттером. (β=I_к/I_б>>1)

3) С общим коллектором.

Режимы работы транзистора.

В зависимости от величины и полярности напряжений между выводами транзистора различают четыре режима работы транзистора:

1) Активный (или нормальный, или усилительный). I_вых=kI_вх, k – коэффициент передачи по току.

КП – в обратном направлении.

ЭП – в прямом направлении.

Такой режим используется в усилителях и генераторах электрических сигналов.

2) Режим отсечки коллекторного тока.

ЭП и КП смещены в обратном направлении. В коллекторной цепи I_k=I_k0 (где I_k0 – тепловой ток коллекторного, обратно смещенного перехода).

R_кэ > 1 МегаОм.

Такой режим соответствует разомкнутому состоянию электрического ключа и применяется в ключевых схемах на биполярных транзисторах.

3) Режим насыщения.

КП и ЭП смещены в прямом направлении, R_кэ - мало.

I_k=I_{коллектора насыщения} = E_{питания}/R_k, величина тока ограничивается не транзистором, а I_{к насыщения}.

Такой режим соответствует замкнутому состоянию, механического ключа и используется в ключевых схемах на транзисторах.

4) Инверсный режим.

ЭП смещен в обратном, а КП – в прямом направлении. Здесь входной ток – ток коллектора, а выходной – I_э.

α_I – коэффициент передачи транзистора в инверсном режиме (обычно <<1, поэтому в усилителях не используется).

Противоположный нормальному, в усилительных схемах такой режим не используется, а используется в цифровых, логических схемах. Инверсное включение применяют в схемах двух направленных переключателей:

Эквивалентные схемы транзистора.

Под эквивалентной схемой транзистора понимают эквивалентную схему, составленную из элементов электрической цепи, каждый элемент которой отвечает за некоторую область транзистора.

Эквивалентная схема для малых сигналов:

При малых сигналах транзистор можно считать линейным элементом.

R_э,C_э – сопротивление и ёмкость эмиттерного перехода.

R_э=φ_т/I_э

С_к, R_к – характеризуют свойства обратно смещённого коллекторного перехода.

α_sI_э – зависимый источник тока, характеризует передачу тока эмиттера, в коллекторную цепь.

R_ээ, R_бб, R_кк – об’ёмные сопротивления.

Эквивалентная схема транзистора при больших сигналах (модель Эберса-Молла):

VD_1, VD₂ – характеризуют нелинейные свойства p-n-переходов.

α_N – коэффициент передачи I_э при нормальном включении транзистора.

α_{I -} коэффициент передачи I_k в эмиттерную цепь, при инверсном включении транзистора.

Токи, протекающие в транзисторе согласно модели Эберса-Молла:

1.I_э = I_Э0(eU_эб/φ_т-1)-α_II_k0(eU_kб/φ_т-1).

2.I_k = α_NI_Э0(eU_эб/φ_т-1)- I_k0(eU_kб/φ_т-1).

Математическая модель биполярного транзистора.

Она устанавливает аналитические зависимости между токами и напряжениями на выходах транзисторов. Обычно ее составляют по эквивалентной схеме Эберса-Молла.

Согласно этой модели транзистор состоит из двух p-n-переходов и двух зависимых источников тока.

I_э=U-α_iI_k, I_k=α_NI_э-i₂, α_N – коэф-т передачи тока в нормальном режиме.

I_К=I(eφ_ЭБφ_Тα_N)-1 I_К0 I_ЭО φ_КБ

Если транзистор работает в номальном режиме, то α_i=0:

, I=α_КI_Э+I_К0

ВАХ биполярного транзистора.

Представляет собой зависимости токов от напряжений на выводах биполярного транзистора, представленные в виде графиков.

Для биполярного транзистора обычно рассматривают:

Входную ВАХ – I_вх=f(U_вх)

Выходную ВАХ – I_вых=f(U_вых)

ВАХ биполярного транзистора с ОБ

1) Входная ВАХ:

- входная характеристика.

Эти характеристики близки к характеристикам смещённого в прямом направлении p-n-перехода. При U_кб=0, ВАХ входная совпадает с ВАХ p-n-перехода. При U_кб>0, входная ВАХ смещается влево. Это связано с расширением коллекторного перехода, что приводит к уменьшению толщины базы. Зависимость толщины коллекторного перехода от напряжения на коллекторе связано с эффектом Эрли.

2) Выходная ВАХ:

.

1.Рабочим режимом работы транзистора является 0<U_кб< U_{кб max}. КП смещен в обратном направлении, отсюда I_вых: I_К = αI_Э + I_К0. Однако, из-за эффекта Эрли наблюдается небольшой наклон этих характеристик; он учитывается:

I_К = αI_Э + I_К0 + U_КБ/r_{К диф}

2.При U_кб > U_{кб max}, наступает пробой коллекторного перехода, что сопровождается резким возрастанием коллекторного тока.

В транзисторах наблюдается два вида пробоя:

-лавинный, аналогичный p-n-переходу.

-эффект смыкания коллекторного и эмиттерного переходов:

3.При U_кб<0, коллекторный переход смещается в прямом направлении, что препядствует движению не основных носителей заряда через него, а потому ток неосновных носителей заряда стремится к нулю, а дальнейшее увеличение ведет к возрастанию тока основных носителей.

Усилительные свойства транзистора, включенного с ОБ, характеризуются α_S.

В зависимости от характера входного сигнала различают три разных определения такого коэффициента:

1.Статический коэффициент α_S= I_k/I_э(I_k,I_э – абсолютные и обычно неизменные токи транзистора).

2. α₀ – дифференциальный коэффициент.

(в заданной рабочей точке).

3.Динамический коэффициент – комплексный коэффициент передачи, зависящий от частоты.

, где

– постоянная времени транзистора, включенного с ОБ, W – ширина базы транзистора с ОБ.

АЧХ:

ФЧХ:

φ_к(ω)=-arctg ωτ_α

-граничная частота транзистора включенного с ОБ.

Следствия:

1) На высоких частотах коэффициент передачи уменьшается.

2) Появляется фазовый сдвиг (запаздывание) между I_вх и I_вых.

ВАХ транзистора с ОЭ.

Входная характеристика – I_б=f(U_бэ).

1) Входная ВАХ

2) Выходная ВАХ

Входная ВАХ:

1.При U_кэ=0, входная ВАХ ОЭ, совпадает с ВАХ p-n-перехода.

2.При возрастании U_кэ, входная ВАХ смещается вправо, этосвязано с падением напряжения I_k на эмиттерном переходе.

Выходная ВАХ:

1) Выходная ВАХ целиком расположена в первом квадранте, так как U_кэ=U_кб+U_бэ.

2) Наклон на пологой части графиков значительно сильнее, чем для схем с ОБ.

Получим связь между током коллектора и током базы.

I_K=f(I_Б)-?

;

Разрешим уравнение относительно I_K:

1) - коэффициент передачи тока базы.

α=0,9 - β=9

α=0,99 - β=99

α=0,999 - β=999

2) - тепловой ток КП в схеме с ОЭ

, это связано с тем, что I_K0 усиливается в β раз.

3) - диф-е сопротивление КП с ОЭ.

Отличия ОЭ от ОБ.

1.За счёт того, что U_кэ=U_кб+U_бэ, ВАХ по сравнению с предыдущим случаем смещаются вправо.

2.Наклон рассматриваемых характеристик значительно больше чем прежде. Это связано с тем, что U_бэ, зависит от R_ээ.

3.При U_кэ>U_кэmax, происходит пробой коллекторного перехода, причём, U_кэmax(ОЭ) < U_кбmax(ОБ).

4.При I_б=0, I_кэ=I_ко^*>>I_ко

Усилительные свойства транзистора, включённого с ОЭ, характеризуются параметром - коэффициент передачи тока базы. В зависимости от характера входного сигнала β имеет разный физический смысл:

1.Статический коэффициент ;

Установим связь между  и .

I_k=I_э+I_k0=(I_к+I_б)+I_k0=I_k(1-)=I_б+I_k0

2.₀ – Дифференциальный коэффициент передачи тока базы.

3.Динамический коэффициент .

- постоянная времени транзистора с ОЭ.

Схема замещения биполярного транзистора (эквивалентная схема).

При малых амплитудах и сигналах, воздействующих на транзистор, его можно считать линейным элементом и пользоваться следующими схемами замещения:

1 ) Формальная схема замещения. Транзистор считается линейным четырехполюсником, для описания свойств которого используют одну из шести пар основных уравнений четырехполюсника. Наиболее часто используют уравнения с h-параметрами.

U₁ = h₁₁ I₁ + h₁₂ U₂ (1)

I₂ = h₂₁ I₁ + h₂₂ U₂ (2)

(входное сопротивление четырехполюсника)

(коэф-т передачи обратной связи по напряжению)

(коэф-т передачи по току)

(выходная проводимость в режиме холостого хода во входе)

1) h-параметры легко определяются по входным и выходным ВАХ

транзистора.

2) Они наиболее близки к физическим процессам, протекающим в

транзисторе.

h₁₂ – учитывает влияние напряжения на коллекторе на входное напряжение (эффект Эрли).

h₂₁=I_KB–I_KA/I_б3(B)–I_б2(A)

Формальная схема замещения транзистора составляется по уравнениям (1) и (2).

Эта схема замещения транзистора составляется по физическим моделям. Элементы физической схемы связанны с процессами, протекающими в транзисторе, причем напрямую.

Физическая схема замещения транзистора с ОБ:

Физическая схема замещения транзистора с ОЭ: