- •3. Биполярные транзисторы и тиристоры
- •3.1 Общие сведения о биполярном транзисторе Основные определения
- •Режимы работы транзистора
- •Схемы включения биполярного транзистора
- •Принцип работы биполярного транзистора
- •3.2. Физические процессы в биполярном транзисторе
- •3.3 Расчет токов биполярного транзистора Основные допущения идеализированной теории биполярных транзисторов
- •Составляющие токов транзистора
- •Перенос электронов из эмиттера в коллектор. Ток связи
- •Дополнительные токи переходов
- •Влияние обратного напряжения на коллекторном переходе на токи транзистора. Эффект Эрли
- •Коэффициенты передачи токов
- •3.4. Нелинейные модели биполярного транзистора Передаточная модель Эберса-Молла
- •Классическая модель Эберса - Молла
- •Модели для активного режима работы транзистора
- •3.5. Статические характеристики биполярного транзистора
- •Статические характеристики в схеме об
- •Статические характеристики в схеме оэ
- •3.6. Влияние температуры на работу биполярного транзистора
- •3.7. Пробой биполярного транзистора
Дополнительные токи переходов
Дополнительные токи переходов складываются из дырочных и рекомбинационных составляющих (см. рис. 3.11). В каждом переходе транзистора, помимо электронных, протекают и дырочные составляющие токов, обусловленные инжекцией дырок - основных носителей заряда в p-базе. Так как концентрация примеси в базе мала NАБ<<NDЭ , эти токи в десятки и более раз меньше электронных. Они могут быть рассчитаны по формулам:
(3.10)
где pnЭ и pnК - равновесные концентрации дырок в эмиттере и коллекторе соответственно. Рекомбинационные токи i' рек и i' ' рек обусловлены частичной рекомбинацией электронов, диффундирующих из эмиттера в коллектор. Скорость рекомбинации в базе (и рекомбинационные токи) пропорциональны избыточному числу неосновных носителей во всей базовой области (площадь под распределением n(x) на рис. 3.10. n(x) = n(x)- np ), или
. (3.11)
Учитывая , что распределение n(x) - линейно, по формуле трапеции получим: , (3.12)
где ; (3.13)
. (3.14)
Ток i' рек(uЭП) определяется рекомбинацией электронов, соответствующих нормальной составляющей тока связи iN, а i'' рек(uКП) - инверсной iI. Дополнительные токи каждого перехода складываются из рекомбинационных и дырочных составляющих :
(3.15)
и зависят каждый от напряжения на своем переходе.
Влияние обратного напряжения на коллекторном переходе на токи транзистора. Эффект Эрли
Всоответствии с формулами 3.5 ...3.8 ток связи перестает зависеть от обратных напряжений при| uКП| >> uТ = 26 мВ. Однако реально такая зависимость существует, так как при увеличении обратных напряжений ширина n-p- переходов увеличивается, а ширина базы уменьшается. Зависимость ширины базы от величины обратного напряжения на коллекторе называется эффектом модуляции ширины базы или эффектом Эрли. (Аналогичный эффект в эмиттерном переходе интереса не представляет, так как на эмиттерный переход не подают больших обратных напряжений). На рис 3.12 показаны два распределения n(x) электронов в базе при двух значениях обратного напряжения на коллекторном переходе. Видно, что при uКП = uКП2 ширина базы уменьшилась на величину WБ. При этом увеличился градиент концентрации электронов
и, следовательно, увеличился и ток связи, являющийся диффузионным. Как следует из рис. 3.12, большему обратному напряжениюuКП2 соответствует больший ток связи iЭ-К а, следовательно, и большие токи iЭ и iК. Однако данный эффект в сотни раз слабее, чем влияние прямых напряжений на переходах, и часто не учитывается, или учитывается приближенно. Для учета эффекта Эрли уточняют формулу (3.6) теплового тока транзистора I 0, принимая:
(3.16)
где I0 - ток, определенный без учета эффекта Эрли по формуле (3.6), uА - напряжение Эрли - параметр транзистора, характеризующий величину эффекта Эрли. Обычно uА составляет десятки вольт и более. Физический смысл напряжения Эрли будет рассмотрен позднее в разделе 3.5.
Коэффициенты передачи токов
Полезный эффект в транзисторе создается за счет передачи эмиттерного тока из эмиттера в коллектор. Количественно эффективность этого процесса оценивают с помощью статического коэффициента передачи тока эмиттера . Введем: приuКП = 0. Смысл условия uКП= 0 заключается в том, что при этом дополнительный ток коллекторного перехода iКД = 0, и в коллекторной цепи течет только нормальная составляющая iN полезного электронного тока. Тогда: . . Аналогично можно ввести и инверсный коэффициент передачи тока I , или . Отсюда следует: iN + iЭД = iN и I iI + I iКД = iI , тогда
, (3.17)
, (3.18) где:
и- статические коэффициенты передачи тока базы, прямой и инверсный соответственно. С учетом (3.17) и (3.18) формулы (3.1) удобно представить в виде:;;
.
Врассматриваемой упрощенной теории коэффициенты , I , , I считаются постоянными, однако опыт показывает, что они изменяются, как при изменении тока связи iЭ-К ( на практике рассматривают зависимость от тока эмиттера iЭ, отличающегося от тока связи на несколько процентов, но легко измеряемого), так и от обратного напряжения на коллекторном переходе uКП. Типичный вид зависимостей для показан на рис.3.13 а,б. (Коэффициент изменяется аналогично, но его изменениями можно пренебречь, так как 1. Пример: если =0,99, то = /(1- ) =99 , а при =0,98 =49. Таким образом, изменению на 1% соответствует изменение примерно в 2 раза). В области малых токов эмиттера (рис. 3.13а, участок 1) спад связан с рекомбинацией носителей в самом эмиттерном переходе; в области больших токов (участок 3) уменьшение связано с увеличением концентрации дырок в базе и возрастанием дырочной составляющей тока эмиттерного перехода. Возрастание с увеличением обратного напряжения на коллекторе вызвано уменьшением ширины базы и рекомбинационных составляющих токов.