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

Зв'язок між h-параметрами для різних схем увімкнення БТ

На практиці часто виникають задачі визначення параметрів БТ у заданій схемі ввімкнення за відомими параметрами з іншої схеми. З цією метою використовують таблицю перерахунку (табл. 3.4).

Таблиця 3.4

Схема

СБ

СЕ

СК

1

1

h11Б

h12Б

1 h21Б

1 h

СБ

21Б

h11Б

hБ h12Б

h21Б

h22Б

h11Б

1 h12Б

h21Б

h22Б

1

h

22Б

1

СЕ

1 h21E

h11E

h12E

h11E

1

h11E

hE h12E

h21E

h22E

(1 h21E )

h22E

h21E

h22E

1

h

h11K

1 h12Ê

h11K

h12K

СК

21K

(1 h

h

h11K

(h12K hK

)

h

h

21K

22K

21K

22K

(1 h21K )

h22K

3.2.7 Фізичні параметри та еквівалентні схеми біполярних транзисторів

Застосування h - параметрів іноді супроводжується значними труднощами, оскільки кожній схемі ввімкнення БТ відповідають свої h -параметри. Значно простіше при аналізі транзисторних схем використовувати фізичні еквівалентні схеми транзисторів, які містять у собі фізичні (реальні) параметри БТ.

На рисунку 3.38 показано Т - подібну фізичну еквівалентну схему транзистора зі спільною базою (для низьких частот).

51

			αIE
Е	IE	rE	IK	К
			rК
UЕБ		rБ	UKБ

Б

Рисунок 3.38 – Т-подібна еквівалентна схема БТ у ССБ

На схемі рисунка 3.38

rE			dU	ЕБ				диференціальний опір ЕП,
			dIE
							UКБ const
			dUКБ
rК								диференціальний опір КП,
			dIК				IE const
rБ	- опір бази,
		dIK						диференціальний коефіцієнт
		dIE			UКБ const
передачі емітерного струму.
Опір rБ					дорівнює сумі розподіленого опору бази та
дифузійного опору:

rr r .

ББ Б

Розподілений опір бази r відображає опір активної

Б

області бази, який значно більший, ніж опори ЕП та емітерної області. Значення цього опору зростає зі зменшенням ширини бази, тому що зменшується ймовірність рекомбінації в базі, і, отже, основна частина струму бази IБ рек також зменшується. Частина вхідної

напруги, прикладена до ЕП, спадає на опорі r , і це знижує

Б

ефективність керування струмом у транзисторі.

52

Дифузійний опір бази r	відображає вплив
Б

колекторної напруги на ширину бази внаслідок зміни товщини КП. Нехай, наприклад, напруга на колекторі збільшилася. Це приводить до зменшення ширини бази. Оскільки напруга UEБ не змінилася, то струм емітера має

залишитися постійним. Проте він збільшується внаслідок зростання градієнта концентрації дірок у базі (див. рис.

3.19). Для збереження	IE const потрібно зменшити
концентрацію дірок PБE	біля ЕП, тобто зменшити напругу

на ЕП. Щоб напруга на ЕП зменшилася при незмінній

напрузі U	EБ	, опір бази має зрости на деяку величину r
		Б

(див. рис. 3.38).

Для ССЕ Т-подібна еквівалентна схема БТ має вигляд, показаний на рисунку 3.39. Ця схема також досить точно описує властивості приладу в діапазоні низьких частот.

		α IE
		1 - α
IБ	rБ	IK
		rК (α-1)
UБЕ	rE	UKЕ

Рисунок 3.39 – Т-подібна еквівалентна схема БТ у ССЕ

Значення параметрів Т-подібних фізичних еквівалентних схем залежить від обраного режиму транзистора і не залежить від схеми його ввімкнення.

Безпосереднє вимірювання фізичних параметрів БТ неможливе, бо точка з’єднання опорів rБ , rE і rK

знаходиться всередині кристала напівпровідника. Тому ці параметри розраховуються за допомогою формул, які зв’язують фізичні параметри з h -параметрами БТ (таблиця 3.5).

53

Таблиця 3.5

Пара-

ССБ

ССЕ

ССК

метр

h11

rE rБ (1 )

rБ

rE

rБ

rE

1

1

h12

rБ

rE

1

rK

rK (1 )

h

-

21

1

1

h22

1

1

1

rÅ

rK (1 )

rK (1 )

Користуючись табл. 3.5, можна записати

h21Б

h21E

,

1 h21E

r h

h12Б (1 h21Б ) h12E ,

E

11Б

h22Б

h22E

r

1

1 h21Е

,

K

h22Б

h22Е

r r

r

h21Б

h

h12E (1 h21E )

.

Б

Б

Б

h22Б

11E

h22E

Фізичні параметри БТ залежать від режиму роботи і температури. Розглянемо залежності, що ґрунтуються на таких формулах:

r	kT	(для Т = 300К				r	0, 026	),	(3.52)
Е	qIE					Е	IЕ
		rБ		rЕ	,				(3.53)
		1
		54

	rК	UКБ		,	(3.54)
		КП (1	)IЕ

1

2

,

(3.55)

2

2Lp

Д

nK

n

pK

Д

nE

n

pE

Д

pБ

n

pБ

I

qП

. (3.56)

КБ0

2

КП

LnK

LnE

Lp Б

Залежність фізичних параметрів БТ від емітерного

струму показана на рисунку 3.40.

rЕ ,Ом

rБ ,Ом

1

rК , кОм

1

U КБ 5В

80

150

1

rБ

60

1600

100

40

1

30

800

60

rЕ

rК

0

1

2

3

IЕ , мА

Рисунок 3.40 – Залежність фізичних параметрів БТ від

емітерного струму

Залежність

опору

ЕП

rЕ

від

струму IЕ

описана

формулою (3.52). Опір rK

також обернено пропорційний

до IЕ . При збільшенні

IЕ

опір активної області бази rБ

зменшується, і сумарний опір бази визначається здебільшого пасивними областями.

Залежність f (IE )	відома	з		попереднього
матеріалу. Щоб зміна	при зміні	струму IЕ була
помітніша, на графіку подається величина				1	.
		1
	55

Залежність фізичних параметрів від напруги UKБ показана на рисунку 3.41.

	rБ ,Ом		1	r , кОм
		IE 1mA	1
				К
	150	rБ	60	1600
	100	rК
		rЕ 25Ом	30	800
	50
	0		UКБ , В
		-5

Рисунок 3.41 - Залежність фізичних параметрів БТ від колекторної напруги

Опір ЕП rE практично не залежить від напруги UKБ . Опір КП rK істотно залежить від напруги UKБ (див. формулу (3.54)). З її збільшенням rK спочатку зростає пропорційно UKБ (товщина КП КП пропорційна UKБ

), а потім зменшується внаслідок ударної іонізації і множення носіїв у запірному шарі, а також за рахунок процесів поверхневого витоку. Залежність опору rБ від

напруги UKБ зумовлюється модуляцією активної ширини бази: при збільшенні UKБ зменшується ширина бази,

зменшується ймовірність рекомбінації неосновних носіїв і зменшується базовий струм, тобто дещо зростає базовий опір rБ . Залежність f (UКБ ) відома з попереднього

матеріалу.

Залежність фізичних параметрів БТ від температури показана на рисунку 3.42.

56

Рисунок 3.42 - Залежність фізичних параметрів БТ від температури

Опір БТ rE згідно з формулою (3.52) лінійно залежить

від температури. Коефіцієнт передачі струму збільшується під час нагрівання, оскільки час життя носіїв зростає при збільшенні температури (і тому зростає дифузійна довжина дірок у базі LpБ і збільшується

коефіцієнт перенесення - див. формулу (3.7)).

Опір rK спочатку при підвищенні температури зростає

згідно з формулою (3.54), що забезпечується збільшенням, а потім дещо зменшується внаслідок поверхневого витоку та ударної іонізації. Опір бази rБ спочатку зростає,

оскільки зростає середній час життя носіїв, і, отже, зменшується струм IБ . Згодом, при кімнатній температурі

за рахунок процесів термогенерації у слабколегованій базі збільшується концентрація основних носіїв, і опір бази стає меншим.

3.3 Робота біполярного транзистора у динамічному режимі

Під час роботи БТ у різних електронних схемах до його вхідного кола находять сигнали у формі змінної напруги, яка змінює вхідний та вихідний струм приладу. У цьому разі БТ працює в динамічному режимі: зміна струму колектора IK у транзисторі відбувається внаслідок

одночасної зміни вхідного струму ( IE або IБ ) і напруги на

57

R1 , і тоді напруга UЕБ

UЕБ

колекторі (UКБ або UКЕ ). Основним різновидом динамічного режиму БТ є підсилювальний режим.

3.3.1 Принцип дії підсилювального каскаду на біполярному транзисторі

Схема зі спільною базою

Схема транзистора підсилювача зі спільною базою зображена на рисунку 3.43.

Рисунок 3.43 – Підсилювальний каскад зі спільною базою

За відсутності вхідного сигналу (Uвх 0 )							у вхідному
колі БТ діє напруга спокою UЕБ ,						створена за рахунок
					0
джерела	ЕЕ , і протікає	струм			IE	- емітерний		струм
					0
спокою. У вихідному колі діють відповідно напруга								UКБ
								0
(від джерела ЕK ) і струм IK			0	.	У колі бази		UКБ	= ЕК -
							0
IK0 RK . Початковий режим БТ – активний.
При	надходженні	на			вхід	схеми	сигналу

Uвх Umвх sin t починається динамічний режим роботи БТ. Практично вся напруга Uвх виділяється на резисторі

змінюватиметься за закономEE Umвх sin t .

58

Часові діаграми напруги і струмів каскаду показано на рисунку 3.44. Оскільки БТ працює в активному режимі, разом зі зміною UЕБ змінюватимуться емітерний IE ,

колекторний IK струми, а також напруга на колекторі UКБ (рис. 3.44). Колекторна напруга змінюється за законом

UKБ EE IK0 RK RK ImK sin t .

З діаграм видно, що вхідна Uвх і вихідна Uвих напруги

схеми змінюються у фазі одна відносно іншої (каскад за схемою зі спільною базою не інвертує вхідного сигналу). Амплітуда Uтвих може бути більша за амплітуду вхідного

сигналу, якщо відповідно вибрати величину колекторного опору RK , тобто в цьому випадку каскад підсилює напругу. Процес підсилення полягає в перетворенні енергії джерела живлення EK в енергію вихідного сигналу. При цьому транзистор відіграє роль своєрідного регулятора, який керує струмом джерела EK . Величина і форма вихідної напруги залежать не тільки від величини і форми вхідного сигналу, величини RK , але й від вибору положення початкової робочої точки на характеристиках БТ (UEБ0 , IE0 ,UКБ0 , IK0 ).

Схема зі спільним емітером

Схема транзисторного підсилювача зі спільним емітером показана на рисунку 3.45, а часові діаграми пристрою – на рисунку 3.46. Режим спокою забезпечується двома джерелами - ЕБ (напруга UБE0 і струм IБ0 ) і EK

(напруга UKE0 і струм IK0 ). Напруга колектора

UKE0 = EK - IK0 RK .

59

		IК	Ср2
	Ср1	IБ
		UKЕ	RK
	R1	UБЕ	Uвих
Uвх
			ЕК
		ЕБ

Рисунок 3.45 – Підсилювальний каскад зі спільним емітером

У режимі підсилення вхідного сигналу під час додатного півперіоду вхідної напруги пряма напруга ЕП транзистора зменшується, струм бази IБ та колектора IK також

зменшуються, що викликає збільшення напруги колектора UKE . Якщо робота відбувається на лінійній ділянці

характеристики транзистора, то форми змінних складових струмів бази і колектора збігаються з формою вхідної напруги, а зміна напруги на колекторі, зумовлена змінною складовою колекторного струму, є протифазною відносно вхідної напруги. Отже, схема підсилювального каскаду на БТ зі спільним емітером є інвертувальною схемою. Як випливає з попереднього матеріалу, схема рисунка 3.45 здатна підсилювати не лише напругу, а й струм.

60