Иногда в расчетных формулах встречается также граничная частота усиле­ния тока . которая соответствует , т. е. при этой частоте транзистор в схеме с ОЭ перестает усиливать ток.

Следует отметить, что на высоких частотах происходит не только изме­нение значений  и , Вследствие влияния емкостей переходов и времени пробега носителей через базу, а также процессов накопления и рассасывания заряда в базе собственные параметры транзистора на высоких частотах из­меняются и уже не являются чисто активными сопротивлениями. Изменяются также и все другие параметры.

Улучшение частотных свойств транзисторов, т. е. повышение их предельных частот усиления  и , достигается уменьшением емкости коллекторного перехода Ск и времени пробега носителей через базу . К сожалению, сни­жение емкости путем уменьшения площади коллекторного перехода приводит к уменьшению предельного тока. т. е. к снижению предельной мощности. Некоторое снижение емкости Ск достигается   уменьшением концентрации примеси в коллекторе. Тогда коллекторный переход становится толще, что рав­ноценно увеличению расстояния между обкладками конденсатора. Емкость умень­шается,  и,  кроме  того,   при  большей  толщине  перехода   увеличивается   напря­жение пробоя и это дает возможность повысить мощность. Но зато возрастает сопротивление   области  коллектора и в ней потери мощности будут   больше, что   особенно   нежелательно для мощных  транзисторов. Для   уменьшения   стараются сделать  базу  очень  тонкой  и  увеличить  скорость  носителей   в  ней. Но  при   более  тонкой базе  приходится снижать напряжение   ,   чтобы   при увеличении толщины коллекторного перехода   не   произошел   «прокол   базы». Электроны при диффузии обладают большей подвижностью, нежели   дырки. Поэтому транзисторы типа n-p-n при прочих равных условиях являются более   высокочастотными, нежели  транзисторы типа  p-n-p.   Более высокие предельные частоты могут быть получены при использовании полупроводников, у которых подвижность носителей выше. Увеличение скорости пробега носителей через  базу  достигается  также  в  тех транзисторах,  у  которых   в  базе  создано электрическое поле, ускоряющее движение носителей.

 7. Работа биполярного транзистора в импульсном режиме

Транзисторы широко применяются в различных импульсных устройствах. Работа транзисторов в импульсном режиме, иначе называемом ключевым или режимом переключения, имеет ряд особенностей.

                      Iк                                                                                       IБmax

              T2

                                                                                                    IБ2

         Iк max 

                                                                                               T1

                                                                                              Uк-э

Рис. 9-1. Определение параметров импульсного режима транзисторов с  помощью выходных характеристик.

Рассмотрим импульсный режим транзистора с помощью его выходных ха­рактеристик для схемы ОЭ. Пусть в цепь коллектора включен резистор нагрузки . Соответственно этому на рис.(9-1) построена линия нагрузки. До поступления на вход транзистора импульса входного тока или входного напряжения тран­зистор находится в запертом состоянии (в режиме отсечки). В цели коллектора проходит малый ток (в данном случае сквозной ток ) и следова­тельно, эту цепь приближенно можно считать ра­зомкнутой. Напряжение источника  почти все полностью приложено к транзистору.

Если  на вход  подан импульс  тока  ,  то транзистор переходит в режим насыщения и работает в точке . Получается импульс тока коллектора , очень близкий по значению к . Его иногда называют током насыщения. В этом режиме транзистор выполняет роль замкнутого ключа и почти все напряжение источника  падает на , а на транзисторе имеется лишь очень небольшое остаточное напряжение в десятые доли вольта, называемое напряжением насыщения  .

Хотя напряжение  в точке  не изменило свой знак, но на самом кол­лекторном переходе оно стало прямым, и поэтому точка  действительно соответствует режиму насыщения. Покажем это на следующем примере. Пусть имеется транзистор p-n-p и , а напряжение на базе . Тогда на коллекторе по отношению к базе будет напряжение , т.е. на коллекторном переходе прямое напряжение 0,3 В.

Конечно, если импульс входного тока будет меньше , то импульс тока коллектора также уменьшится. Но зато увеличение импульса тока базы сверх  практически уже не дает возрастания импульса выходного тока. Таким образом, возможное максимальное значение импульса тока коллектора 

                      (9.1)

   Помимо , и  импульсный режим характеризуется также коэффициентом усиления по току В, который в отличие от  определяется не   через  приращения  токов,   а   как отношение   токов,   соответствующих   точке :

                                                              (9.2)

Иначе говоря,  является параметром, характеризующим усиление малых сигналов, а В относится к усилению больших сигналов, в частности им­пульсов, и по значению несколько отличается от .

Параметром импульсного режима транзистора служит также его сопро­тивление насыщения                        (9.3)

Значение  у  транзисторов  для  импульсной  работы  обычно  составляет единицы, иногда десятки Ом.

Аналогично рассмотренной   схеме ОЭ работает в импульсном    режиме и схема ОБ.

Рис. 9-2. Искажение формы импульса тока транзистором.

Если  длительность  входного  импульса   во   много   раз   больше   времени переходных процессов накопления и рассасывания за­рядов в базе транзистора, то импульс выходного тока имеет почти такую же длительность и форму, как и входной импульс. Но при коротких импульсах, т. е. если  составляет единицы микросекунд и меньше, может наблюдаться значительное искажение формы импульса выходного тока и увеличение его длитель­ности.

Для примера на рис.(9-2)  показаны графики ко­роткого импульса входного тока прямоугольной фор­мы и импульса выходного тока при включении тран­зистора по схеме ОБ. Как видно, импульс коллек­торного тока начинается с запаздыванием на время   (время  задержки),  что  объясняется  конечным  временем пробега носителей через базу. Этот ток нарастает постепенно в течение времени  (длительности фронта), составляющего заметную часть . Такое посте­пенное увеличение тока связано с накоплением носителей в базе. Кроме того, носители, инжектированные в базу в начале импульса входного тока, имеют разные скорости и не все сразу достигают коллектора. Время + явля­ется временем включения . После окончания входного импульса за счет рассасывания заряда, накопившегося в базе, ток  продолжается некоторое время  (время рассасывания), а затем постепенно спадает в течение вре­мени спада. Время  +  есть время выключения . В итоге импульс коллекторного тока значительно отличается по форме от прямоугольного и рас­тянут во времени по сравнению с входным импульсом. Следовательно, за­медляется процесс включения и выключения коллекторной цепи, затягивается время, в течение которого эта цепь находится в замкнутом состоянии. Иначе говоря, за счет инерционности процессов накопления и рассасывания заряда в базе транзистор не может осуществлять достаточно быстрое включение и выключение, т. е. не обеспечивает достаточное быстродействие ключевого режима.

На рис.(9-2) показан еще график тока базы, построенный на основании соотношения . Как видно, ток этот имеет сложную форму.

Специальные транзисторы для работы короткими импульсами должны иметь малые емкости и тонкую базу. Как правило, это маломощные дрейфовые транзисторы. Чтобы быстрее рассасывался заряд, накапливающийся в базе, в нее добавляют в небольшом количестве примеси, способствующие быстрой рекомбинации накопленных носителей (например, золото).

8. Математическая модель биполярного транзистора.

 Общая эквивалентная схема транзистора, используемая при получении математичес­кой модели, показана на рис.10-1. Каждый p-n-переход представлен в виде диода, а их взаимодействие отражено гене­раторами токов. Если эмиттерный p-n-переход открыт, то в цепи коллектора будет протекать ток, несколько меньший эмиттерного (из-за процесса рекомбинации в базе). Он обес­печивается генератором тока . Индекс N означает нормальное включение. Так как в общем случае возможно и инверсное включение транзистора, при котором коллекторный p-n-переход открыт, а эмиттерный смещен в обратном направ­лении и прямому коллекторному току  соответствует эмит­терный ток , в эквивалентную схему введен второй генератор тока , где  - коэффициент передачи коллек­торного  тока.

Таким образом, токи эмиттера и коллектора в общем случае содержат две составляющие: инжектируемую ( или )  и  собираемую 

      (   или   ):

                 ,                              (10.1)

Эмиттерный и коллекторный  p-n -переходы транзистора аналогичны p-n -переходу диода. При раздельном подключении напряжения к каждому переходу их вольтамперная харак­теристика определяется так же, как и в случае диода. Однако если к одному из p-n -переходов приложить напряжение, а выводы другого p-n -перехода замкнуть между собой накорот­ко, то ток, протекающий через p-n -переход, к которому приложено напряжение, увеличится из-за изменения распределе­ния неосновных носителей заряда в базе. Тогда:

,                            (10.2)

где - тепловой ток эмиттерного p-n -перехода, измеренный при замкнутых накоротко выво­дах базы и коллектора;  - тепловой ток коллекторного p-n -перехода, измеренный при за­мкнутых накоротко выводах ба­зы  и  эмиттера.

Рис. 10-1. Эквивалентная  схема  идеализированного   транзистора

Связь  между тепловыми то­ками p-n -переходов ,включенных   раздельно,   И  тепловыми токами , получим из (10.1 и 10.2). Пусть . Тогда . При  . Подставив эти выражения в (10.1), для тока коллектора  получим .

Соответственно  для  имеем 

Токи   коллектора  и  эмиттера  с учетом  (10.2) примут вид

                                  (10.3)

На  основании  закона  Кирхгофа  ток  базы  равен:

      (10.4)

При использовании (10.1)-(10.4) следует помнить, что в полупроводниковых транзисторах в самом общем случае справедливо  равенство

                                                                              (10.5)

Решив  уравнения   (10.3)  относительно  ,   получим

                                                              (10.6)

Это   уравнение   описывает   выходные   характеристики   тран­зистора.

Уравнения (10.3), решенные относительно , дают выраже­ние, характеризующее идеализированные входные характеристи­ки  транзистора:

                                             (10.7)

В реальном транзисторе кроме тепловых токов через переходы протекают токи генерации — рекомбинации, каналь­ные токи и токи утечки. Поэтому ,, ,  как правило, неизвестны. В технических условиях на транзисторы обычно приводят значения обратных токов p-n-переходов ,. определенные как ток соответствующего перехода при неподключенном  выводе другого  перехода.

Если p-n-переход смещен в обратном направлении, то вместо теплового тока можно подставлять значение обратного тока, т. е. считать, что и . В первом приближении это можно делать и при прямом смещении p-n-перехода. При этом для кремниевых транзисторов вместо  следует подставлять , где коэффициент m учитывает влияние токов реального перехода (m = 2 - 4). С учетом этого уравнения (10.3), (10.5) часто записывают в другом виде, который более удобен для расчета цепей с реальными транзисторами:

                       (10.8)

                              (10.9)

                                                                        (10.10)

где  .

Различают три основных режима работы биполярного транзистора:   активный,   отсечки,   насыщения.

В активном режиме один из переходов биполярного тран­зистора смещен в прямом направлении приложенным к нему внешним напряжением, а другой - в обратном направлении. Соответственно в нормальном активном режиме в прямом направлении смещен эмиттерный переход, и в (10.3), (10.8) напряжение имеет знак «+». Коллекторный переход смещен в обратном направлении, и напряжение  в (10.3) имеет знак « - ». При инверсном включении в уравнения (10.3), (10.8) следует подставлять противоположные полярности напряжений , . При этом различия между инверсным и активным режимами носят только количественный характер.

Для активного режима, когда  и   (10.6) запишем в виде 

                  .

Учитывая, что обычно  и , урав­нение (10.7)  можно  упростить:

                              (10.11)

Таким образом, в идеализированном транзисторе ток коллектора и напряжение эмиттер-база при определенном значении тока  не зависят от напряжения, приложенного к коллекторному переходу. В действительности изменение напряжения  меняет ширину базы из-за изменения размеров коллекторного перехода и соответственно изменяет градиент концентрации неосновных носителей заряда. Так, с увеличением  ширина базы уменьшается, градиент концентрации дырок в базе и ток  увеличиваются. Кроме этого, уменьшается вероятность рекомбинации дырок и увеличивается коэффициент . Для учета этого эффекта, который наиболее сильно проявляется при работе в активном режиме, в выражение (10.11) добавляют дополнительное слагаемое

                                        (10.12)

-  дифференциальное сопротивление запертого  коллекторного p-n-перехода.

Влияние напряжения  на ток  оценивается с помощью коэффициента  обратной  связи  по  напряжению

  ,

который показывает, во сколько раз следует изменять напряже­ние  для получения такого же изменения тока , какое дает изменение напряжения . Знак минус означает, что для обеспечения = const приращения напряжений должны иметь противоположную полярность. Коэффициент  достаточно мал (), поэтому при практических расчетах влиянием коллекторного напряжения на эмиттерное часто пренебрегают.

В режиме глубокой отсечки оба перехода транзистора смещены в обратном направлении с помощью внешних напряжений. Значения их модулей должны превышать . Если модули обратных напряжений приложенных к переходам транзистора окажутся меньше , то транзистор также будет находиться в области отсечки. Однако токи его электродов окажутся  больше,   чем   в   области глубокой  отсечки.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6