Коэффициенты передачи тока при низком уровне инжекции

ПАРАМЕТРЫ И ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ РЕАЛЬНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Как следует из выражений (4.23), работа биполярного транзистора описывается двумя коэффициентами передачи тока: нормальным и инверсным . Нормальный коэффициент передачи тока эмиттера (далее индекс N будем опускать) является важнейшим параметром транзистора, определяющим его усилительные свойства. Для нормального активного режима (V_K < 0) выражение (4.27) с учетом (4.28) для обратного тока коллекторного р-п перехода можно записать в виде

, (5.1)

что полностью совпадает с (3.10). Отсюда коэффициент передачи тока эмиттера

, (5.2)

т.е. определяется отношением управляемого током эмиттера части тока коллектора к току эмиттера. Коэффициент называют также коэффициентом передачи по постоянному току или интегральным коэффициентом передачи тока эмиттера.

При усилении малого переменного сигнала вводят понятие дифференциального коэффициента передачи тока эмиттера:

при V_К const. (5.3)

Выражения (5.2) и (5.3) являются основой для экспериментального определения коэффициента передачи тока эмиттера. Между коэффициентами и существует однозначная связь. Для этого найдем производную из (5.1), считая постоянной при V_К const:

. (5.4)

Интегральный коэффициент передачи тока можно вычислить, интегрируя дифференциальный коэффициент по току эмиттера:

. (5.5)

Таким образом, если существует зависимость от тока эмиттера, то . Если увеличивается с ростом I_Э, то , в противном случае . Для идеализированной модели транзистора, описываемой линейными уравнениями непрерывности, от тока не зависит и поэтому .

Значение коэффициента передачи тока эмиттера зависит от режима работы транзистора, что обычно задается током эмиттера и напряжением на коллекторном переходе. На рисунке 5.1 приведены зависимости (а) и (б), из анализа которых можно установить оптимальные условия работы транзистора.

Рис.5.1.Зависимость коэффициента передачи тока эмиттера от режима работы транзистора: а) – от тока эмиттера и б) от напряжения на коллекторе.

	а)		б)

Из идеализированной теории транзистора следует, что не должен зависеть от тока эмиттера. Однако реально такая зависимость возникает за счет двух факторов, существующих в реальных транзисторах:

- наличие рекомбинационных процессов на эмиттерном р-п -переходе;

- высокие уровни инжекции через эмиттерный переход.

Условно график зависимости можно разделить на три области. В первой области (область I рис.5.1,а) наблюдается рост с ростом тока эмиттера, что обусловлен наличием процессов рекомбинации на эмиттерном переходе. Действительно, при наличии процессов рекомбинации на переходе коэффициент инжекции вместо (3.3) с учетом (3.1) запишется в виде

. (5.6)

При малых прямых токах в реальных р-п переходах, как известно, протекает значительный рекомбинационный ток. Поэтому, справедливо и коэффициент инжекции очень мал. С физической точки зрения это означает, что электроны, попадая из эмиттера в область перехода, рекомбинируют там, и только незначительная их часть попадает в базу. Однако с ростом прямого тока влияние снижается и коэффициент инжекции растет приближаясь к единице. В диапазоне токов эмиттера от до (участок II рис.5.1, а) значение практически остается постоянной, так как хорошо выполняется идеализированная теория транзистора. При > (участок III рис.5.1, а) коэффициент передачи тока начинает уменьшаться, что обусловлено вторым фактором – высоким уровнем инжекции. При сильной инжекции область базы обогащается избыточными носителями тока, градиент их концентрации снижается, что уменьшает коэффициент инжекции и тем самым и коэффициент передачи тока эмиттера. Область токов эмиттера … , где коэффициент передачи тока эмиттера остается практически постоянной, определяет рабочий диапазон токов эмиттера.

Коэффициент передачи тока эмиттера зависит также от (рис.5.1, б). Эта зависимость обусловлена, во-первых, эффектом модуляции ширины базы (эффект Эрли), и, во-вторых, предпробойными явлениями коллекторного перехода. Эффект Эрли вызван изменением активной ширины базы при изменении напряжения на коллекторном переходе. Действительно, если ширина коллекторного перехода увеличивается ( < 0), то ширина базы уменьшается (рис.5.2). На рисунке l ₀ и d ₀ соответственно ширина р-п перехода и базы при V_K = 0, а d ₁ и l ₁ – при V_K < 0. Как видно, ширина базы уменьшилась (d ₁ < d ₀). Уменьшение ширины базы приводит к росту градиента избыточной

п_БЭ

        d ₀ l ₀ d ₁ l ₁     l ₀ d ₁ l ₁  

Рис.5.2. К модуляции ширины базы.

концентрации неосновных носителей в базовой области (на рис 5.2 линия 1 соответствует V_K = 0, а линия 2 - V_K < 0), что вызывает рост инжекции электронов в базу и рост значения (участок I рис.5.1,б). Таким образом, эффект Эрли приводит к появлению внутренней обратной связи по напряжению: рост обратного коллекторного напряжения увеличивает ток эмиттера. Отсюда вытекает, что для поддержания постоянным тока эмиттера с ростом коллекторного напряжения, необходимо уменьшать эмиттерное напряжение.

При некотором обратном напряжении за счет эффекта Эрли ширина базы может стать равной нулю, переходы транзистора сомкнутся и ток будет течь из эмиттера в коллектор беспрепятственно. Такой эффект называется эффектом смыкания, а напряжение на коллекторе при этом – напряжением смыкания. Для нормальной работы транзистора эффект смыкания недопустим. Отметим также, что эффект Эрли влияет также и на другие параметры транзистора, поэтому этот эффект приходится часто принимать во внимание.

При достаточно высоких значениях обратного напряжения на коллекторном переходе (рис.5.1,б) возможен лавинный пробой коллекторного перехода и лавинное размножение носителей заряда, что вызывает резкий рост (участок II рис.5.1,б). Введя коэффициент лавинного размножения М выражение (5.1) можем записать в виде:

. (5.7)

Величину можно назвать коэффициентом передачи тока при лавинном размножении. Учитывая, что , где С=2…6, найдем, что

. (5.8)

При , как видно из рисунка 5.1,б, . Из (5.8) тогда получим

. (5.9)

Выражение (3.17) для коэффициента передачи тока базы ля случая лавинного размножения запишется в виде

. (5.10)

Из (5.10) следует, что при . Отсюда можно заключить, что фактически является напряжением пробоя транзистора в схеме с ОЭ, т.е. = .

Коэффициент передачи тока при инверсном включении также может быть определен как произведение инверсного коэффициента инжекции коллекторного перехода и коэффициента переноса через базу , т.е. . Обычно в реальных транзисторах коллекторный переход почти симметричный, т.е. концентрации основных носителей тока в коллекторной и базовой областях сравнимы. Поэтому инверсный коэффициент инжекции мал, особенно в диффузионных транзисторах. Также очень мал коэффициент переноса через базу , так как большая часть инжектированных из коллектора электронов попадают в пассивную часть базы, там рекомбинируют и не попадают в эмиттер. Можно показать, что определяется отношением площадей эмиттерного S_Э и коллекторного S_К переходов. Как известно, в реальных транзисторах S_Э < S_К, то <1. В таких условиях инверсный коэффициент передачи тока обычно не превышает 0,7 и, поэтому, инверсный режим работы транзистора является не эффективным.

Дата добавления: 2015-05-06