Составные транзисторы

Система обозначений и классификация транзисторов

Эквивалентная схема транзистора

При проектировании устройств на транзисторах необходимо знать их параметры – коэффициент передачи по току, объемные сопротивления полупроводниковых слоев и т. п. Большинство из них можно определить по экспериментально снятым вольтамперным характеристикам, которые отражают связь между токами и напряжениями в соответствующих цепях.

Вольтамперные характеристики транзистора описываются достаточно сложными кривыми, то есть транзистор является нелинейным элементом. Однако можно выделить участки ВАХ, например, в активной области выходных характеристик, где их можно аппроксимировать прямыми линиями. Степень аппроксимации будет тем лучше, чем меньше диапазон изменений токов и напряжений около выбранной точки.

В ситуации, когда ∆I<<I⁰, ∆U<<U⁰ (в режиме так называемого «малого сигнала») токи и напряжения в транзисторе будут связаны линейными зависимостями, что соответствует выполнению закона Ома. В этом случае транзистор можно представить в виде некоторой эквивалентной схемы, состоящей из резисторов, генераторов тока, источников Э.Д.С. и т.п. линейных элементов. При соответствующем подборе их параметров связь между напряжениями и токами в эквивалентной схеме будет практически такой же, как в реальном транзисторе, работающем при малых входных и выходных сигналах.

Имеются различные конфигурации эквивалентных схем, но для расчетов усилительных устройств наиболее часто используется так называемая Т-образная схема, которая при включении транзистора с общей базой выглядит, как представлено на рис. 3.19.

Рис. 3.19. Т-образная схема транзистора при включении с ОБ.

Здесь r_э и r_б, - так называемые дифференциальные сопротивления эмиттера и базы, отражающие не только наличие реальных сопротивлений соответствующих слоев полупроводника, но и в какой-то мере характеризующие процессы, происходящие там (инжекцию, диффузию, рекомбинацию и т.п.). В частности, r_э зависит от эмиттерного тока и теоретически эта зависимость описывается соотношением r_э=U_т/I_э. Сопротивление r_к – это не только сопротивление обратно смещенного коллекторного перехода, по которому протекает обратный ток_. Его наличие отражает эффект модуляции толщины базы, приводящий к дополнительной зависимости I_к от E_БК.

Если во входную цепь реального транзистора подать ток I_э, то в его выходной, коллекторной цепи потечет ток I_к=αI_{э .} Чтобы эквивалентная схема отражала это обстоятельство, в нее вводят генератор тока αI_э. Наличие барьерной емкости запертого коллекторного p-n перехода, а также зависимость α от частоты отображается (моделируется) в эквивалентной схеме введением конденсатора С_к. Диффузионную емкость эмиттерного перехода можно учесть введением элемента С_э. В то же время, по причине малости r_э, ее влияние будет незначительно т.к. при этом r_э<<1/ωC_Э, этот элемент из эквивалентной схемы можно исключить. Токи в эквивалентной схеме соответствуют реальной картине протекания токов в транзисторе, однако следует учитывать, что это не полные токи транзистора, а их приращения вблизи выбранной точки вольтамперной характеристики.

Так как границы раздела слоев полупроводника недоступны для подключения измерительных приборов, то непосредственно определить параметры эквивалентной схемы транзистора невозможно. Поэтому данная задача решается косвенным методом, для чего вводится система измеряемых параметров, характеризующих свойства транзистора, как четырехполюсника (рис. 3.20).

Рис.3.20. Представление транзистора в виде четырехполюсника.

Условно, связи между приращениями входных и выходных токов и напряжений при включении транзистора с общей базой можно выразить следующим образом:

,

.

Здесь считается, что независимыми переменными являются изменения входного, эмиттерного тока ∆I_э и выходного, коллекторного напряжения ∆U_БК, а h – это коэффициенты, имеющие определенную размерность и называемые h-параметрами. Их можно определить экспериментально, задавая небольшие приращения одной из независимых переменных при постоянном значении другой из соответствующих вольтамперных характеристик транзистора.

, – const

, – const

, – const

, – const

Между h-параметрами и параметрами эквивалентной схемы существует определенная связь:

,

, .

Таким образом, экспериментально определив h-параметры для конкретного транзистора, можно рассчитать параметры его T-образной схемы.

Все параметры транзистора определенным образом зависят от температуры, в частности входная вольтамперная характеристика с ее ростом сместится влево, как и для диода (рис. 3.21), а семейство выходных характеристик - вверх (рис. 3.22).

Рис.3.21. Зависимость входной характеристики транзистора

в схеме с общей базой от температуры.

Рис. 3.22. Поведение выходных характеристик транзистора

в схеме с общей базой с ростом температуры.

Это объясняется тем, что при увеличении температуры, увеличивается обратный ток коллектора (как для запертого диода), а кроме того, возрастает α по причине увеличения времени жизни неосновных носителей в базе и, соответственно, уменьшения тока рекомбинации.

Общим для входной и выходной цепей транзистора может быть любой из его электродов. При включении транзистора по схеме с общим эмиттером (рис. 3.2) входные и выходные характеристики имеют вид, приведенный на рис. 3.23. и 3.24.

Рис. 3.23. Входные характеристики транзистора

при включении по схеме с общим эмиттером.

Для работы в активном режиме к базе и коллектору подключаются положительные полюса соответствующих источников питания, переход эмиттер-база при этом открыт, а база-коллектор заперт. Данная ситуация реализуется при EЭК>EЭБ.

Рис. 3.24. Семейство выходных характеристик транзистора

при включении по схеме с общим эмиттером.

Физические процессы, происходящие в транзисторе, при его включении по схеме с общим эмиттером, будут идентичны процессам, в схеме с общей базой, однако вольтамперные характеристики и параметры эквивалентной схемы существенным образом отличаются.

Входной характеристикой является зависимость тока базы от напряжения между эмиттером и базой. Пусть U_ЭК=0, что можно сделать, разомкнув цепь коллектора. В этом случае ток базы будет равен току эмиттера. Входная цепь транзистора (переход эмиттер-база) ведет себя как открытый диод, и ее вольтамперная характеристика совпадать с аналогичной ВАХ схемы включения с общей базой.

Если коллектор с эмиттером замкнуть накоротко, то входная характеристика не изменится, так как при U_КЭ=0 коллекторный переход смещается в прямом направлении и тоже инжектирует электроны в базу. Однако этот поток компенсируется встречным потоком из эмиттера, поэтому суммарный ток коллектора будет практически нулевым. Кроме того, эффективность коллектора как инжектора много меньше эффективности эмиттера (α_и<<α).

Если на коллектор подать запирающий потенциал, то есть выполнить условие E_ЭК>E_ЭБ, то как и в схеме с общей базой, большая часть инжектированных эмиттером носителей пройдя через слой базы втянется полем коллекторного перехода, создавая коллекторный ток. При этом по базовой (входной) цепи будет протекать ток I_Б=I_Э-I_К много меньший, чем в предыдущей ситуации и входная вольтамперная характеристика сместится вправо (рис. 3.23). При и по цепи базы будет протекать обратный ток запертого коллекторного перехода I_КБ0.

В схеме с общим эмиттером управляющим является источник E_ЭБ и связанный с ним ток базы I_Б, а управляемым (выходным) – во много раз больший ток коллектора I_К, отбираемый от источника E_ЭК. Если немного увеличить напряжение Е_ЭБ, то, как и в схеме с ОБ, инжекция со стороны эмиттера станет более интенсивной. Возрастут токи эмиттера и коллектора, и немного увеличится ток базы, оставаясь всегда много меньше I_K. Это связано с тем, что ток эмиттера отбирается от источника Е_ЭК.

Данное обстоятельство можно интерпретировать как эффект усиления управляющего тока при включении транзистора по схеме с общим эмиттером. Отношение I_К/I_Б называется коэффициентом усиления по току и обозначается буквой β.

Между коэффициентом передачи тока α в схеме с ОБ и коэффициентом β существует определенная связь. Независимо от того, как включен транзистор . С другой стороны , откуда . Но, так как , то и .

Более точное соотношение для коллекторного тока выглядит следующим образом I_К= αI_Э+I_КБО. Его можно трансформировать к виду: . Отсюда следует, что при токе базы равном нулю через коллекторную цепь (при ) потечет ток величиной , который называется сквозным и обозначается I_КЭО.

Данное обстоятельство связано с тем, что суммарный ток в базовой цепи станет нулевым, лишь если будет скомпенсирован текущий в обратном направлении I_КБО (рис. 3.25). То есть при в базу из внешней цепи вводится ток равный I_КБО, но при этом в цепи коллектора потечет ток в β раз больший, который сложится с I_КБО, поэтому в формуле и появляется компонента .

Рис. 3.25. Схема распределения тока при включении

транзистора по схеме с общим эмиттером.

В отличие от входной характеристики схемы с общей базой (рис. 3.17), соответствующая характеристика транзистора включенного с общим эмиттером при увеличении напряжения смещается вправо. Это объясняется тем, что с ростом напряжения сужается базовая область, уменьшается количество рекомбинирующих носителей, то есть базовый ток.

Семейство выходных характеристик при такой схеме включения представляет собой зависимость тока коллектора от U_ЭК при различных фиксированных токах базы (рис. 3.24).

При нулевом базовом токе и отличном от нуля коллекторном напряжении, через транзистор потечет сквозной ток I_КЭО. Так как переход эмиттер-база при этом будет практически закрыт, то такая ситуация соответствует работе транзистора в режиме отсечки.

При токах базы отличных от нуля выходные характеристики пойдут с большим (примерно в β раз) наклоном вверх и будут начинаться практически с нуля. Пока напряжение U_ЭК близко к нулю, переход коллектор-база практически открыт и экстракция инжектированных эмиттером носителей происходит слабо. Ток коллектора будет много меньше эмиттерного, транзистор при этом работает в области насыщения. Лишь при коллекторный переход запрется, практически весь эмиттерный ток станет перехватываться коллектором, что соответствует активному режиму работы.

Более крутой ход ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОЭ (по сравнению с аналогичными характеристиками для схемы с ОБ), объясняется тем, что при изменении толщины базы (эффект Эрли) небольшие изменения базового тока трансформируются в выходную цепь с коэффициентом .

Характеристикой прямой передачи для рассматриваемой схемы включения транзистора является зависимость тока коллектора от напряжения U_ЭБ. Так как , то эта характеристика будет похожа на входную, но в отличие от нее при U_ЭК=0, ток коллектора будет мал и течет в обратную сторону (рис. 3.26).

Рис.3.26. Характеристика прямой передачи при включении

транзистора по схеме с общим эмиттером.

Коэффициент усиления по току β, как и коэффициент передачи тока α зависит от режима работы транзистора - величины коллекторного тока, напряжения Е_ЭК и от частоты. Эти зависимости выражены гораздо сильнее, чем соответствующие для коэффициента α (рис. 3.27), что формально объясняется связью α и β через соотношение . Так как α близок к единице, то его небольшое изменение приводит к значительным изменениям β из-за того, что в знаменателе стоит разность 1- α. В схеме с общим эмиттером это связано с тем, что управляющим является ток базы, относительные изменение которого будет значительными при небольших изменениях коллекторного тока.

Рис.3.27. Зависимость коэффициента усиления по току β от

величины коллекторного тока и напряжения Е_ЭК для схемы

с общим эмиттером_.

С ростом частоты коэффициент усиления по току будет уменьшаться, как это показано на рис. 3.28.

Рис. 3.28. Зависимость коэффициента усиления по току

от частоты для схемы с общим эмиттером.

При включении по схеме с ОЭ для оценки частотных свойств транзистора используются следующие параметры:

– частота, на которой коэффициент усиления падает в раз по сравнению с его величиной на нулевой частоте, ;

– частота, на которой , она совпадает со значением для схемы с ОБ, так как при ;

– предельная частота генерации или частота, на которой коэффициент усиления по мощности в схеме с ОЭ становится равным единице.

В справочниках часто приводится значение модуля коэффициента усиления по току или величины на конкретной частоте . Зная эти величины, можно рассчитать по формуле: .

Эквивалентная схема транзистора при включении с общим эмиттером выглядит, как показано на рис. 3.29. Как и для эквивалентной схемы с ОБ, параметры элементов этой схемы не могут быть непосредственно измерены, но их можно определить, представив транзистор в виде четырехполюсника.

Рис. 3.29. Т-образная эквивалентная схема транзистора

при включении с ОЭ.

Связь между его входными и выходными параметрами определяется системой уравнений:

По соответствующим вольтамперным характеристикам можно определить h-параметры, и далее рассчитать величины сопротивлений эквивалентной схемы

,

,

Если один и тот же транзистор использовать как в схеме с общей базой, так и в схеме с общим эмиттером, то между соответствующими h-параметрами будет существовать определённая взаимосвязь, которая распространяется и на параметры эквивалентных схем. В частности:

, ,

, .

Хотя физически барьерная ёмкость коллекторного перехода не зависит от того, по какой схеме транзистор включен, но для эквивалентных схем получается, что , и соответственно . Такое различие в параметрах объясняется большим влиянием в схеме с ОЭ процессов в выходной цепи на входную (обратной связью), чем для схемы с ОБ.

Иногда при описании частотных свойств транзисторов применяют параметр, который называется постоянная времени коллекторной цепи – . Она определяется как произведение сопротивления и ёмкости , входящих в состав эквивалентных схем. Эта величина не зависит от схемы включения .

В схеме с общим коллектором входным электродом будет база, выходным - эмиттер, а общим – коллектор. Для такой схемы также можно снять соответствующие вольтамперные характеристики, определить h-параметры и рассчитать номиналы элементов эквивалентной схемы.

Как и для других полупроводниковых приборов, свойства конкретного транзистора можно описать, используя систему параметров, ряд из которых зависит от схемы включения.

К основным параметрам для схемы с общим эмиттером относятся:

– коэффициент усиления по току;

– граничная частота усиления, либо – модуль коэффициента усиления на заданной частоте;

– ёмкость коллекторного перехода (барьерная емкость для определённого значения напряжения ) или постоянная времени коллекторной цепи ;

– напряжение насыщения коллектор-эмиттер (это напряжение между соответствующими электродами), при работе транзистора в режиме насыщения, обычно при этом задается определенное соотношения коллекторного и базового токов. Иногда такой параметр вводится и для входной цепи – U_ЭБнас.

Следующая группа параметров относится к предельным или максимально допустимым. Это - U_ЭКmax – максимально допустимое во всем диапазоне рабочих температур напряжение между коллектором и эмиттером транзистора (для схемы с ОБ – напряжение U_БК), не приводящее к пробою коллекторного перехода, I_Kmax – максимально допустимый ток коллектора и P_Kmax – максимальная рассеиваемая мощность, не вызывающая необратимых изменений в транзисторе.

Совокупность этих параметров определяет область устойчивой работы транзистора. Ее обычно отмечают на семействе выходных характеристик, как показано на рис. 3.30. Откладываются предельные значения I_Kmax и U_ЭКmax. При протекании через транзистор тока I_K на нем выделяется мощность P_K=I_K•U_ЭК и она никогда не должна превышать P_Kmax. Графически это I_K=P_Kmax/U_К. отображается гиперболой, которая называется кривой максимально допустимой мощности. С учетом ограничений по току и напряжению получается заштрихованная зона, определяющая область устойчивой работы.

Рис.3.30. Область устойчивой работы транзистора.

Иногда в качестве параметра приводятся значения обратного тока коллектора при и ряд других вспомогательных величин.

В ряде случаев могут использоваться значения предельных параметров для импульсных воздействий, которые превышают статические.

Маркировка транзистора состоит из пяти элементов. На первом месте слева находится цифра или буква, обозначающая материал полупроводника. Второй элемент для биполярных транзисторов - буква Т. Третий элемент – цифра, определяющая его основные функциональные возможности.

Здесь .

Четвёртый элемент – двух или трёхзначное число, обозначающее конкретную разновидность прибора, пятый – буква, определяющая особенности транзистора конкретного типа. Примеры обозначения обычных транзисторов: ГТ321А, КТ315Б, 2Т819Г, КТ928А, 1Т813Б и т.д. В качестве дополнительных классификационных признаков может использоваться буква С после второго элемента (КТС3103А), говорящая о том, что в одном корпусе содержится определенное количество (сборка) однотипных транзисторов.

В случае бескорпусного исполнения используется дополнительный шестой элемент – цифра, написанная через чёрточку (КТ937А-2), отражающая модификацию конструкции. Ещё встречаются транзисторы, маркированные по старой системе, например П25, П216Б, МП40Б.

Коэффициент передачи тока α в схеме с общей базой или коэффициент усиления по току β в схеме с общим эмиттером определяются характеристиками полупроводниковых материалов, технологией изготовления транзисторов и физическими процессами, протекающими при его работе. Типовые значения α находятся в пределах 0,950,99, а β соответственно принимает значения 20100.

С целью уменьшения затрат мощности на управление коллекторным током и должны быть большими. Однако на пути создания транзисторов с встают серьезные технологические трудности, связанные с необходимостью формирования тонкой базы, что в свою очередь приводит к снижению предельных рабочих напряжений и т.п.

Однако можно получить транзистор со сколь угодно большим значением β, если несколько обычных транзисторов определенным образом соединить друг с другом. Один из вариантов такого соединения транзисторов одного типа проводимости, приведенный на рис. 3.31, называется схемой Дарлингтона или составным транзистором.

Такая схема ведет себя как эквивалентный транзистор того же типа проводимости. База транзистора VT1 будет базой эквивалентного, его эмиттером - эмиттер VT2, а коллектором – общая точка соединения коллекторов обоих транзисторов.

Рис. 3.31. Структура и распределение токов

в составном транзисторе (схема Дарлингтона).

Если через β обозначить коэффициент усиления по току составного транзистора, то его токи базы и коллектора будут связаны соотношением . Из картины токораспределения следует, что ; . Так как эмиттерный ток VT1 является базовым током VT2 - , то и коэффициент усиления эквивалентного транзистора будет описываться соотношением .

В первом приближении его можно считать равным произведению коэффициентов усиления исходных VT1 и VT2. Количество соединяемых таким образом транзисторов может быть любым и теоретически, с помощью такого схемотехнического решения можно получить транзистор со сколь угодно большим значением β.

Однако на практике возникает ряд проблем. Во-первых, транзисторы VT1 и VT2 работают при существенно разных токах, так как а, следовательно .

Если ток коллектора первого транзистора будет очень мал, то соответственно небольшим окажется и коэффициент β₁ и соответственно большого выигрыша в коэффициенте усиления составного транзистора не получится. Чтобы уменьшить влияние этого эффекта, в эмиттерную цепь VT1 включается дополнительный низкоомный резистор R, увеличивающий его эмиттерный и коллекторный токи до величин, при которых коэффициент усиления β₁ принимает достаточно большие значения.

Кроме этого сквозной (неуправляемый) ток составного транзистора определяется соотношением , он много больше, чем у каждого из входящих в его состав, а и меньше меньшей из величин (,и , ). Особенностью составного транзистора является невозможность перевода его в состояние насыщения. Это объясняется тем, что как только потенциал коллектора VT2 станет меньше потенциала его базы, первый транзистор перейдёт в инверсный режим и дополнительный входной ток начнёт протекать через коллекторную цепь VT2, минуя его базу. По этой причине падение напряжение на открытом составном транзисторе всегда будет больше, чем на обычном насыщенном.

По схеме составного можно включать и транзисторы различного типа проводимости (схема Шиклаи), как это представлено на рис. 3.32.

При этом проводимость эквивалентного транзистора будет соответствовать проводимости VT1, а эмиттер VT2 будет действовать как коллектор составного транзистора и наоборот. Здесь , ; , отсюда вытекает, что .

Рис. 3.32. Структура и распределение токов в составном

транзисторе (схема Шиклаи).

Таким образом, коэффициент усиления по току здесь получается практически таким же, как у предыдущей схемы. Особенность такой структуры в том, что, используя маломощный p-n-p транзистор, можно создать его более мощный эквивалент, параметры которого будут определяться свойствами n-p-n транзистора.

Дата добавления: 2014-01-06