твердотіла електроніка / презентації лекцій ТТЕ Холод Т.С / 3тя тема БТ

Kкер

IKкер	h21Б IE ,	(3.9)
де h21Б - статичний коефіцієнт передачі		струму емітера.
Оскільки IKкер IKp IEp ,	то h21Б 1.

З формули (3.9) випливає найважливіша властивість БТ: керування вихідним струмом можливе при зміні струму вхідного. У формулі (3.9) вважається, що IE IEp ,

тому що електронний струм IEn малий внаслідок слабкої легованості бази.

При деяких напругах на КП UKБ UKБпроб , коли в переході виникає явище пробою, коефіцієнт М зростає (

M 1) і струм	I	I	Kp	буде некерованим.
	K

Через ввімкнений у зворотному напрямі КП протікає дрейфовий струм неосновних носіїв, який називається зворотним струмом колектора IKБ0 . Цей струм проходить

від “+” джерела UКБ через базу, КП, колектор до “-”UKБ . Оскільки напрям цього струму збігається з напрямом керованого колекторного струму I , то можна записати

для повного колекторного струму БТ у схемі зі спільною базою в активному режимі

		IK IK		кер	IK	некер	h21Б IE IKБ	0	,	(3.10)
де IK		IKБ	-	некерована складова					колекторного
	некер		0

струму в ССБ.

З рисунка 3.4 випливає, що загальний струм бази

дорівнює
IБ IБ	рек	IEn IKБ	IБ	рек	IKБ .	(3.11)
		0			0

11

Струм емітера для транзистора можна знайти,

враховуючи, що він має складові			IEp h21Б IE IБ рек та
IEn . Додавши і віднявши величину			IKÁ	, одержимо
			0
IE h21Б IE IБ	рек	IEn IКБ		0	IКБ	0	.	(3.12)

Враховуючи формули (3.10) та (3.11), з (3.12) нарешті одержимо вираз першого закону Кірхгофа для струмів

електродів БТ у довільній схемі ввімкнення:

IE IБ IК .

(3.13)

З рівнянь (3.13) та (3.10) випливає

IБ IE IK

(1 h21Б )IE IКБ .

(3.14)

0

Порівнюючи формули (3.11) та (3.14), можна зробити

висновок, що рекомбінаційна складова струму бази

IБ рек

(1 h21Б )IE .

(3.15)

В активному режимі

(1 h21Б )IE

IКБ , тобто напрям

0

базового

струму

визначається

рекомбінаційною

складовою.

3.1.4 Вплив конструкції та режиму роботи

транзистора на h21Б

З формули (3.9) при I

кер

I

випливає, що

K

I

I

IKp

IEp

h

K

K

M .

(3.16)

21Б

IE

IKp

IEp

IE

Оскільки у нормальному режимі роботи транзистора M 1, то статичний коефіцієнт передачі струму емітера

h21Б .	(3.17)
12

Для поліпшення керувальних властивостей БТ

потрібно збільшувати		h21Á і, отже, його співмножники
та .
Ефективність емітера (коефіцієнт інжекції ) можна
підвищити, як це випливає з (3.2), збільшенням IEp					і змен-
шенням IEn .	Це	досягається		виконанням	умови
NAE N ДБ , про що йшлося у п. 3.1.1. При цьому діркова
складова емітерного		струму	IEp	значно перевищує
електронну IEn ,	і коефіцієнт		інжекції досягає величини

0,995 .

Зметою збільшення коефіцієнта перенесення треба згідно з формулою (3.7) зменшити активну ширину бази або збільшити дифузійну довжину LP . Величину LP

можна збільшити за рахунок зменшення ймовірності рекомбінації дірок, що можна здійснити при слабкому легуванні бази донорними домішками ( N ÄÁ мала).

Зменшення до величини 0,1LP дозволяє отримати коефіцієнт перенесення = 0,995. На коефіцієнт впливає також співвідношення площ переходів ПКП / ПЕП . Чим

більше це співвідношення , тим менше дірок розсіюється у базі і тим їх більша кількість потрапляє на КП.

Для сучасних БТ величина статичного коефіцієнта передачі струму емітера h21Б 0,99 .

Значення коефіцієнта h21Б залежить також від струму

емітера IE	і від напруги UKБ .
Графік залежності		h21Б f (IE ) показаний на рисунку
3.6. В області малих		IE (ділянка I		на	рисунку	3.6)
коефіцієнт	інжекції	значно	менший	від	одиниці,	бо
IEP IБ	, і більшість дірок,		інжектованих через			ЕП,

рек

рекомбінують у базі з електронами.

13

h21Б
I
II	III
0	IE
Рисунок 3.6 – Залежність h21Á	від струму емітера

При збільшенні IE (ділянка II) дифузійні струми зростають швидше, ніж рекомбінаційні, і коефіцієнт перенесення зростає, збільшуючи h21Б . При великих струмах емітера (ділянка III) значно зростає інжекційна електронна складова струму емітера IEn за рахунок електронів від джерела UEБ . Це приводить до зменшення частки діркового струму через ЕП, зменшується і, отже, коефіцієнт передачі транзистора h21Á .

Залежність h21Б f (UKБ ) визначається зміною (моду-

ляцією) товщини бази (рис. 3.7), а також лавинним множенням носіїв у КП під час пробою. При збільшенні UKБ товщина запірного шару КП збільшується в напрямі

базової області, оскільки NAK N ДБ . Це супроводжується зменшенням активної ширини бази і,

отже, збільшенням коефіцієнта перенесення		за
формулою (3.7). При деякій напрузі UKБ UКБ	проб	виникає

пробій КП, лавинне помноження носіїв приводить до збільшення коефіцієнта М. Внаслідок цього, згідно з формулою (3.16), зростає і стає більшим за одиницю коефіцієнт передачі h21Á .

14

h21Б

1

	0	UКБ
		UКБпроб

Рисунок 3.7 – Залежність h21Á від напруги колектора

3.1.5Схема вмикання транзистора зі спільним емітером та спільним колектором

Схему БТ зі спільною базою докладно розглянуто у п 3.1.3. Розглянемо тепер особливості й основні кількісні співвідношення для схем зі спільним емітером (ССЕ) та спільним колектором (ССК).

Схема зі спільним емітером

БТ у названій схемі вмикання показано на рисунку 3.8 для випадку активного режиму. Фізичні процеси в транзисторі аналогічні до процесів у ССБ.

Під дією напруги UÁE в колі емітера протікає IE . У

базі цей струм розгалужується. Основна його частина йде до колектора, створюючи керовану складову вихідного струму. Друга, менша частина струму IE , йде в коло бази,

створюючи струм бази рекомбінації. Назустріч струму рекомбінації через базу протікає зворотний струм колектора IKÁ0 . Таким чином, вираз (3.10) є справедливим

і для цієї схеми. Але оскільки вхідним струмом в ССЕ є струм бази IÁ , то потрібно одержати залежність IÊ від IÁ

. З цією метою у формулу (3.10) потрібно підставити значення IE з формули (3.13). Одержимо

IK h21Á (IÁ IÊ ) IÊÁ0 ,

звідки

15

	IK	h21Á	IÁ			1		IÊÁ .	(3.18)
		1 h21Á				1 h21Á
								0
	Уводячи позначення
		h21E			h21Á		,		(3.19)
					h21Á
			1
	вираз (3.18) можна одержати у вигляді
	IK h21E IÁ (1 h21E )IÊÁ .								(3.20)
								0

З формули (3.20) випливає, що у ССЕ струм колектора має керовану складову h21E IÁ , що залежить від вхідного

струму, і некеровану			IKE	(1 h21E )IÊÁ .
			0			0
				IK		p
	IБ			К
IKБ0

Бn UКE

						+
	IБрек.				p
		E
	+UБE
				IЕ
Рисунок 3.8 – Струми БТ у схемі зі спільним емітером
Коефіцієнт пропорційності				h21E ,		який установлює
зв’язок між керованою складовою IK						і струмом бази,

називають статичним коефіцієнтом передачі базового струму. При значеннях h21Á 0,95 0,99 значення h21E

становлять відповідно 19-99. Переваги ССЕ:

16

1) високий статичний коефіцієнт передачі вхідного струму h21E h21Á - гарні підсилювальні властивості

БТ у схемі зі спільним емітером; 2) значно більший вхідний опір ССЕ порівняно з ССБ,

оскільки при однакових вхідних напругах UÅÁ UÁÅ

струм бази IÁ значно менший, ніж струм емітера IÅ

(див.(3.14)).

Недоліком схеми зі спільним емітером є те, що некерована складова її колекторного струму в (1 h21E ) разів більша, ніж у ССБ, оскільки струм IÊÁ0 як одна зі

складових вхідного струму IÁ підсилюється транзистором.

Схема зі спільним колектором

БТ у схемі ввімкнення зі спільним колектором показано на рисунку 3.9. Режим роботи транзистора – активний режим, вхідна напруга схеми UKÁ , вихідна UEK , вхідний

струм IÁ , вихідний IE .

IE h21K IБ h21K IКБ0

IБ

U БК +-

+- U EК

IK

Рисунок 3.9 – Струми БТ у схемі зі спільним колектором

За формулами (3.10) та (3.13) одержуємо

	IE	1	IÁ			1			IÊÁ .	(3.21)
		1 h21Á				1 h21Á
									0
	Позначаючи
		h21K				1		,		(3.22)
					h21Á
			1
			17

вираз (3.21) можна перетворити до вигляду

IE h21K IÁ		h21K IÊÁ .	(3.23)
		0
Отже, вихідний	струм ССК має керовану складову
h21K IÁ і некеровану	h21K IÊÁ	. Параметр h21K	називається
	0

статичним коефіцієнтом передачі струму бази у схемі зі спільним колектором. Порівнюючи вирази (3.19) та (3.22), можна дійти висновку, що h21K h21E . Тому ССК також добре підсилює вхідний струм.

Оскільки в схемі (рис. 3.9) UEK UÁÊ UÅÁ UÁÊ (тому що UÅÁ мала як напруга на прямо увімкненому

переході), а Iâèõ Iâõ (тому що IE IÁ ), то ССК має таку важливу властивість: великий вхідний і малий вихідний опори. Ця обставина обумовлює використання схеми зі спільним колектором при побудові емітерних повторювачів.

Недолік ССК той самий, що і в ССЕ: оскільки IÊÁ0 як

складова базового струму підсилюється транзистором і h21K h21E , то схема має велику некеровану складову вихідного струму.

3.1.6Модель Еберса-Молла

Зметою аналізу властивостей БТ або електронних схем

зтранзисторами потрібно використовувати співвідношення, які встановлюють зв'язок між струмами БТ і напругами на його електродах. Ці співвідношення можна одержати з моделі транзистора (рис. 3.10), яка має назву моделі Еберса-Молла. У цій моделі не враховуються об’ємні (розподілені) опори областей емітера, колектора та

бази, переходи зображені як діоди. Джерело струму h21Бi I1 описує явище керування колекторним струмом за допомогою струму IE . Джерело h21Бi I2 враховує можливість керування транзистором в інверсному режимі.

18

Рисунок 3.10 – Модель Еберса - Молла БТ

Струми I1 та I2 - це струми інжекції переходів, що визначаються за формулами:

		U ЕБ
для ЕП	I I	e	T	1	,	(3.24)
	1	SE

			U KБ
для КП	I2		T		,	(3.25)
		ISK e		1

де ISE , ISK - струми насичення ЕП та КП (зворотні струми

переходів). Формула (3.24) одержана для випадку короткого замикання колектора з базою, формула (3.25) – для випадку короткого замикання емітера з базою.

Зі схеми моделі Еберса-Молла (рис. 3.10) випливає, що

IE I1 h21Ái I2 ,

(3.26)

IK h21Á I1 I2 .

(3.27)

Реальними параметрами БТ є зворотні струми

IEБ

0

та

IКБ

0

, а не струми ISE

та ISK . Тому потрібно виразити ISE

через IEБ

0

, а ISK

через IКБ

0

.

При

IE 0

і UКБ 0 ,

IK IКБ

0

, і з (3.25) та (3.26)

одержуємо I2 ISK ,

I1 h21Ái I2 h21Ái ISK .

Отже, з (3.27) одержуємо

19

IKБ

ISK h21Б h21Бi ISK .

0

Звідси

ISK

IKБ

0

.

(3.28)

1 h21Б h21Бi

Аналогічно одержимо

ISЕ

IЕБ

0

.

(3.29)

1 h21Б h21Бi

Тоді вирази (3.26), (3.27) з урахуванням формул (3.24),

(3.25), (3.28) і (3.29) можна перетворити до вигляду:

IЕБ0

UЕБ

h21Бi IKБ0

UKБ

1

1

I

E

e T

e T

, (3.30)

1 h h

1 h h

21Б 21Бi

21Б 21Бi

IKБ

UKБ

h21Б IEБ

UEБ

0

0

IK

e T

1

e T

1 .(3.31)

1

h21Б h21Бi

1 h21Б h21Бi

Вирази (3.30) та (3.31) називаються рівняннями

Еберса-Молла. Оскільки IБ IE IК , то

(1 h21Б )IЕБ0

UЕБ

(1

h21Бi )IKБ0

UKБ

IБ

e

T 1

e

T

1

. (3.32)

1 h21Б h21Бi

1 h21Б h21Бi

Одержані рівняння Еберса-Молла описують нелінійну модель ідеалізованого транзистора. Вони застосовуються при комп’ютерному аналізі електронних схем.

20