Краткие сведения из теории 3 страница

· ширина активной области базы, т.е. области, находящейся непосредственно между запирающими слоями эмиттерного и коллекторного p-n-переходов, должна быть меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда в базе;

· площадь коллекторного перехода должна быть больше площади эмиттерного перехода.

Условные графические изображения биполярных транзисторов показаны на рис. 2.2. Работа транзисторов структуры p-n-p (рис. 2.2,а) и структуры n-p-n (рис. 2.2,б) аналогична, различие заключается в полярности подключения источников внешних напряжений и в направлении прохождения токов через электроды.

p-n-p n-p-n

Э К Э К

Б Б

а) б)

Рис. 2.2. Условные графические изображения биполярных транзисторов.

При включении транзистора в схему один из его электродов считается входным, второй – выходным, а третий – общим. На входной и выходной электроды транзистора подаются от внешних источников напряжения, отсчитываемые относительно общего электрода. В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей, существуют три схемы включения биполярного транзистора.

В схеме с общей базой (ОБ) (рис. 2.3,а) входным электродом является эмиттер, а выходным – коллектор. В схеме с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 2.3,б) входным электродом является база, а выходным – коллектор. В схеме с общим коллектором (ОК) (рис. 2.3.в) входным электродом является база, а выходным – эмиттер.

UЭБ UКБ UБЭ UКЭ UБК UЭК

а) б) в)

Рис. 2.3. Схемы включения биполярного транзистора

В зависимости от величины и полярности напряжений, приложенных к входным и выходным электродам биполярного транзистора, различают следующие основные режимы его работы: отсечки, насыщения, активный и инверсный.

Рассмотрим режимы работы и статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой.

В режиме отсечки полярность подключения источников смещения эмиттерного (UЭБ) и коллекторного (UКБ) переходов такова, что оба p-n-перехода транзистора находятся в обратном включении (рис. 2.4,а).

- - + +

UЭБ UКБ UЭБ UКБ

+ IЭБ0 IКБ0 + - IЭн IКн -

а) б)

Рис. 2.4. Схемы включения биполярного транзистора с общей базой:

а – в режиме отсечки; б – в режиме насыщения

В этом случае запирающие слои на границах p- и n-областей расширяются и их сопротивления для основных носителей заряда увеличиваются. Вследствие этого через p-n-переходы проходят обратные токи коллектора IКБ 0 и эмиттера IЭБ 0, обусловленные движением неосновных носителей заряда. Эти токи зависят от площади p-n-перехода и концентрации неосновных носителей заряда, на которую существенное влияние оказывает температура кристалла полупроводника.

В режиме насыщения эмиттерный и коллекторный p-n-переходы транзистора находятся в прямом включении (рис. 2.4,б). В этом случае запирающие слои на границах p- и n-областей сужаются, и происходит инжекция дырок из эмиттера и коллектора в базу. В результате этого в базе накапливаются неосновные носители заряда, а через p-n-переходы проходят токи насыщения коллектора IКн и эмиттера IЭн, обусловленные движением основных носителей заряда.

Поскольку концентрация основных носителей заряда значительно больше концентрации неосновных носителей заряда, то IКн >> IКБ 0 и IЭн > IЭБ 0. Поэтому считают, что в режиме отсечки транзистор закрыт, а в режиме насыщения полностью открыт.

В активном режиме эмиттерный p-n-переход находится в прямом включении, а коллекторный – в обратном. Включение биполярного транзистора с общей базой в активном режиме показано на рис. 2.5. Активный режим обеспечивается соответствующей полярностью напряжений, подключенных к эмиттеру (UЭБ) и коллектору (UКБ) и отсчитываемых относительно базы.

IЭ IК

+ -

UЭБ UКБ

- IБ +

Рис. 2.5. Схема включения транзистора с общей базой в активном режиме.

Поскольку концентрация дырок в эмиттере значительно больше концентрации электронов в базе, то прямое включение эмиттерного p-n-перехода сопровождается значительной инжекцией дырок в базу и незначительной инжекцией электронов из базы в эмиттер. Это обусловливает прохождение через эмиттерный p-n-переход диффузионных токов: дырочного IЭp и электронного IЭn. Следовательно, во внешней цепи проходит ток эмиттера

(2.1)

Отношение между составляющими тока эмиттера оценивается коэффициентом инжекции

Вследствие инжекции концентрация дырок в базе повышается и зависит от напряжения эмиттерного перехода. Концентрация инжектированных в базу дырок на границе эмиттерного перехода определяется выражением

(2.2)

где pn 0 – концентрация равновесных дырок в базе у эмиттерного перехода (при х = 0).

Таким образом, в результате инжекции дырок из эмиттера концентрация неосновных неравновесных носителей (дырок) в базе у границы с эмиттерным переходом изменяется и может значительно превышать равновесную концентрацию.

Из анализа рис. 2.6, где w – ширина базы, и формулы (2.2) следует, что градиент концентрации дырок зависит от значений напряжения UЭБ, т.е. от pБЭ. Под действием градиента концентрации происходит диффузионное движение инжектированных дырок через базу от эмиттера к коллектору. В процессе диффузионного движения часть дырок, не дойдя до коллекторного перехода, рекомбинирует с электронами. На место рекомбинировавших электронов в базу из внешней цепи (от источника UЭБ) поступают электроны, создавая совместно с электронами, уходящими из базы в эмиттер, ток базы рекомбинации IБ рек. Так как в базе концентрация электронов существенно ниже концентрации дырок, инжектированных из эмиттера, то вероятность полной рекомбинации мала и, если диффузионная длина дырок в базе Lp значительно больше толщины базы w, основная часть дырок достигает коллекторного перехода.

pn

UЭБ1 > UЭБ2 > UЭБ3

Эмиттер База Коллектор

pБЭ1 UЭБ1

pБЭ2 UЭБ2

pБЭ3 UЭБ3

0 х

w

Рис. 2.6. Графики распределения концентрации дырок в базе биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой в активном режиме

Дырки, инжектированные из эмиттера в базу и достигшие коллекторного p-n-перехода, попадают в его ускоряющее поле и перебрасываются (экстрагируются) в коллекторную p-область, создавая ток коллектора IКp. При этом, из-за процессов рекомбинации в базе, ток IКp меньше тока эмиттера IЭp. Процесс переноса неосновных неравновесных носителей через базу оценивается коэффициентом переноса ξ, определяемым отношением IКp к IЭp. Анализ показывает, что значение ξ зависит от ширины базы w, диффузионной длины дырок и определяется по формуле

ξ = IКp / IЭp = 1 – w ² /( 2 Lp ² ).

Экстракция дырок может сопровождаться ударной ионизацией атомов полупроводника и лавинным умножением носителей заряда в коллекторном переходе. Дырки, попавшие в коллектор в результате экстракции и ударной ионизации, нарушают его электрическую нейтральность, что вызывает приток электронов от внешнего источника UКБ. Движение этих электронов определяет прохождение тока IК 1 в цепи коллектора. Процесс умножения носителей заряда в коллекторном переходе оценивается коэффициентом умножения коллекторного тока

М = IК 1 / IКp.

Чем больше дырок инжектируется эмиттером, тем большее их количество экстрагирует в коллектор, увеличивая его ток. Следовательно, ток IК 1 пропорционален току эмиттера (h 21 БIЭ) и называется управляемым током коллектора. Возможность управления выходным током транзистора путем изменения входного тока является важным свойством биполярного транзистора, позволяющим использовать его в качестве активного элемента различных радиотехнических схем. Величина h 21 Б характеризует управляющие свойства транзистора и определяется как отношение управляемого тока коллектора к полному току эмиттера:

h 21 Б = IК упр / IЭ = IК 1 / IЭ

и называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Очевидно, что чем ближе значение h 21 Б к единице, тем лучше управляющие свойства транзистора.

При рассмотренной полярности включения внешнего источника UКБ (рис. 2.5) его напряжение является обратным для коллекторного p-n-перехода. Поэтому через коллекторный переход, кроме тока, обусловленного экстракцией дырок из базы в коллектор, проходит ток неосновных носителей базы и коллектора, направленный из базы в коллектор. Природа этого тока аналогична природе обратного тока полупроводникового диода, вследствие чего он получил название обратного тока коллектора и обозначается IКБ 0. Этот ток проходит от источника UКБ через базу, коллекторный переход и коллектор на источник UКБ. Направление обратного тока коллектора совпадает с направлением управляемого коллекторного тока, следовательно,

IК = h 21 Б IЭ + IКБ 0. (2.3)

Обратный ток коллектора в цепи базы направлен навстречу току IБ рек, поэтому общий ток базы определяется как:

IБ = IБ рек - IКБ 0. (2.4)

Ток эмиттера транзистора является суммой трех составляющих: h 21 БIЭ, IЭn и IБ рек, поэтому для нахождения тока IЭ можно воспользоваться следующим соотношением:

IЭ = h 21 Б IЭ + IБ рек + IКБ 0 - IКБ 0 + IЭn. (2.5)

С учетом уравнений (2.3) и (2.4) равенство (2.5) преобразуется к виду

IЭ = IБ + IК. (2.6)

Это выражение устанавливает связь между токами транзистора и справедливо для любой схемы включения. Из уравнений (2.3) и (2.6) следует:

IБ = IЭ - IК = (1 - h 21 Б) IЭ - IКБ0. (2.7)

Направление тока базы зависит от соотношений между слагаемыми уравнения (2.7). Обычно в активном режиме выполняется условие (1 - h 21 Б) IЭ > IКБ 0. Распределение токов для этого случая показано на рис. 2.5.

Статическими характеристиками транзисторов называют графики, выражающие функциональную связь между токами и напряжениями транзистора. В зависимости от того, какие токи и напряжения принимаются за независимые переменные, возможны различные системы функциональной связи и соответствующие им семейства статических характеристик.

Среди этих семейств характеристик наибольшее распространение получили статические характеристики, относящиеся к «гибридной» системе, или Н-системе, в которой в качестве независимых переменных приняты входной ток и выходное напряжение:

Uвх = f (Iвх, Uвых);

Iвых = f (Iвх, Uвых).

В статическом режиме эти зависимости выражаются четырьмя семействами характеристик:

входными

Uвх = f (Iвх) | Uвых = const;

выходными

Iвых = f (Uвых) | Iвх = const;

обратной связи

Uвх = f (Uвых) | Iвх = const;

прямой передачи

Iвых = f (Iвх) | Uвых = const.

Вид характеристик зависит от способа включения транзистора. Для однозначного установления зависимости между токами и напряжениями транзистора достаточно иметь два семейства характеристик. На практике наибольшее применение получили входные и выходные характеристики. Характеристики прямой передачи и обратной связи применяются редко и могут быть легко получены из входных и выходных характеристик путем перестроения.

Входными характеристиками транзистора, включенного по схеме ОБ (рис. 2.5), называют семейство характеристик, выражающих зависимость UЭБ = f (IЭ) при UКБ = const (рис. 2.7). Так как h 21 Б ≈ 1, то при UКБ = 0 (коллектор замкнут с базой) можно считать, что с некоторым приближением входная характеристика представляет собой прямую ветвь вольт – амперной характеристики эмиттерного перехода, определяемой соотношением (2.1).

U ЭБ

U КБ = 0

U КБ = -4В

U КБ = -8В

0 I Э

Рис. 2.7. Входные характеристики транзистора структуры p-n-p, включенного по схеме с общей базой.

+ IКБ0 -

U ЭБ U КБ

- U ос r б +

Рис. 2.8. Схема, поясняющая образование U ос на распределенном сопротивлении базы r б.

Отрицательное напряжение коллектора, которое не учитывается в формуле (2.1), смещает входную характеристику в область увеличения токов эмиттера I Э (рис. 2.7). Это смещение вызвано двумя причинами. Во-первых, при повышении напряжения U КБ, в данном случае отрицательного, уменьшается ширина базы и увеличивается градиент концентрации дырок в базе, что приводит к возрастанию тока эмиттера при неизменном напряжении UЭБ. Во-вторых, увеличивается обратный ток коллектора IКБ 0, который, проходя по распределенному сопротивлению базы rб (рис. 2.8), создает на нем падение напряжения U ос = rб IКБ 0. Для большей наглядности на рис. 2.8 сопротивление rб вынесено во внешнюю цепь транзистора. Полярность напряжения обратной связи U ос такова, что его появление приводит к увеличению результирующего напряжения на эмиттерном p-n-переходе при неизменном напряжении U ЭБ. Под влиянием выше перечисленных факторов в цепи эмиттера при U ЭБ = 0 и отрицательном напряжении на коллекторе проходит небольшой эмиттерный ток. Для его устранения на эмиттер необходимо подать некоторое отрицательное напряжение.

Выходные статические характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ, отражают зависимость I К = f (U КБ) при I Э = const (рис. 2.9).

Как известно , ток коллектора можно представить в виде

(2.8)

При включении коллекторного перехода в обратном направлении напряжение UКБ в уравнение (2.8) подставляется со знаком «минус», поэтому при | UКБ | > φT справедливо уравнение (2.3).

I К IЭ4 > IЭ3 > IЭ2 > IЭ1 > IЭ

Режим

насыщения IЭ4

IЭ3

РКmax

IЭ2

Активный режим IЭ1

IЭ = 0

IКБ0 UКБ Пр. U КБ

Режим отсечки

Рис. 2.9. Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой.

Границей между режимом отсечки и активным режимом является характеристика (рис. 2.9), снятая при IЭ = 0. Из выражения (2.8) видно, что при IЭ = 0 выходная характеристика представляет собой обратную ветвь ВАХ коллекторного p-n-перехода. При увеличении отрицательного напряжения коллектора его ток быстро достигает значения IКБ 0. Дальнейший рост отрицательного напряжения UКБ до определенного значения сопровождается незначительным увеличением тока IК, причиной чего является рост токов генерации и утечки в коллекторном p-n-переходе. При достижении напряжением UКБ некоторого значения коэффициент лавинного умножения становится больше единицы, что сопровождается резким возрастанием тока IК и пробоем коллекторного перехода. Напряжение коллектора, при котором возникает пробой коллекторного перехода при IЭ = 0, называют пробивным напряжением коллектор-база и обозначают UКБ Пр. Если ток IЭ не равен нулю, то выходная характеристика смещается в область больших токов коллектора на величину h 21 БIЭ. Поскольку значение h 21 Б зависит от тока IЭ и напряжения UКБ, выходные характеристики располагаются неравномерно при одинаковых изменениях тока эмиттера. При больших токах коллектора и эмиттера пробой коллекторного перехода происходит при меньших напряжениях UКБ и может перейти в тепловой пробой. Для исключения возможности теплового пробоя режимы работы транзистора необходимо выбирать ниже кривой максимально допустимой рассеиваемой коллектором мощности РК max (штриховая линия на рис. 2.9).

При UКБ > 0 и IЭ > 0 эмиттерный и коллекторный p-n-переход включены в прямом направлении, что соответствует режиму насыщения. В этом режиме происходит инжекция дырок в базу, как из эмиттера, так и из коллектора. Инжектируемые из коллектора дырки движутся навстречу экстрагируемым дыркам из базы. Поэтому в режиме насыщения наблюдается резкое уменьшение тока коллектора и даже изменение его направления. Области, расположенной ниже характеристики, снятой при IЭ =0, соответствует режим отсечки.

Дата добавления: 2015-05-06