Лк13 (Лекции в ворде)

15.4. Дифференциальные параметры биполярного транзистора

Рис. 15.21. Линеаризация входных и выходных ВАХ в схеме с ОЭ

Основными величинами, характеризующими параметры биполярного транзистора являются коэффициенты передачи тока эмиттера и базы, сопротивление эмиттерного ( ) и коллекторного ( ) переходов, а также коэффициент обратной связи эмиттер-коллектор ( ).

Дифференциальным коэффициентом передачи тока эмиттера равен:

,

(15.43)

где – коэффициент инжекции или эффективность эмиттера, – коэффициент переноса, – коэффициент лавинного умножения в КП:

	(15.44)
.	(15.45)

С увеличением база транзистора заполняется носителями и эффективность эмиттера падает.

С ростом величина коэффициента передачи α вначале растет в результате увеличения коэффициента переноса , а затем падает, что объясняется уменьшением коэффициента инжекции эмиттерного перехода γ.

Зависимость коэффициента передачи транзистора от напряжения на КП определяется изменением ширины базы W, а также лавинным умножением носителей в ОПЗ КП. Расширение ОПЗ происходит за счет уменьшения W, при этом коэффициенты γ и увеличиваются, поэтому с увеличением U_к значение растет. При больших напряжениях электроны и дырки, пересекающие ОПЗ КП, могут вызывать ударную ионизацию, в результате увеличивается.

Рис. 15.22. Зависимости коэффициента от Uк

Коэффициент передачи транзистора с учетом лавинного умножения определяется соотношением , где – коэффициент лавинного умножения в КП, обусловленный ударной ионизацией, где U_пр – напряжение пробоя КП, n* – коэффициент, величина которого для Ge и Si колеблется в пределах 3…5, в зависимости от типа проводимости и сопротивления материала.

Коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме с ОЭ:

,

(15.46)

Зависимости коэффициента передачи тока базы от и напряжения на КП представлены на рис. 15.23.

Рис. 15.23 Зависимости коэффициента передачи тока базы

Спад β в области малых (область 1) обусловлен рекомбинацией носителей заряда в ОПЗ эмиттера, а спад в области больших токов (область 3) – уменьшением коэффициента инжекции γ.

Зависимость β от напряжения на КП обусловлено расширение ОПЗ в область базы (эффектом Эрли), при больших напряжениях дополнительное возрастание β связано с явлением лавинного размножения носителей в ОПЗ КП.

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода определяется по формуле:

.

(15.47)

Оценим значение этого сопротивления в режиме ОБ.

, , ,	(15.48)
.	(15.49)

Пусть I_э=1 мА, Т=300 К, φ_Т=0,026 В, R_э=26 Ом.

с ростом уменьшается по гиперболическому закону. Зависимость от напряжения на коллекторе U_К определяется изменением ширины базы W: с увеличением U_К ширина базы уменьшается. Следовательно, растет и падает.

Дифференциальное сопротивление КП определяется по формуле:

.

(15.50)

обусловлено несколькими причинами: изменением коэффициента переноса , связанное с модуляцией ширины базы W при изменении напряжения КП; сопротивление утечки по поверхности и током термической генерации в ОПЗ КП.

в схеме с ОЭ падает за счет умножения носителей в ОПЗ коллекторного перехода, оно в десятки раз меньше, чем r_кОБ.

Коэффициентом обратной связи:

.

(15.51)

Удобство физических параметров заключается в том, что они позволяют наглядно представить влияние конструктивно технологических параметров транзистора на его эксплуатационные характеристики. Так, например, уменьшение степени легирования базы или ее толщины должны приводить к росту r_б и, соответственно, к увеличению обратной связи в транзисторе.

К недостаткам физических параметров следует отнести то, что их нельзя непосредственно измерить и значения для них получают пересчетом из других параметров.

15.4.1 Температурная зависимость параметров биполярных транзисторов

Изменение характеристик транзисторов аналогична изменению характеристик диодов: с ростом температуры увеличивается тепловой потенциал ( ), следовательно, возрастают и .

Параметры полупроводниковых приборов, связанные с удельным сопротивлением, концентрацией, подвижностью и временем жизни носителей меняются при изменении температуры. Это ограничивает температурный диапазон приборов.

Сопротивление базы определяется электропроводностью исходного материала:

(15.52)

где и - проводимость, обусловленная ионизацией атомов основного материала и примеси соответственно, зависимости от температур подвижности и концентраций носителей приводят к тому, что в диапазоне от -60 до + 60 ^оС сопротивление базы транзисторов сначала возрастает, а затем падает.

Дифференциальное сопротивление эмиттера pnp-транзистора определяется соотношением:

.

(15.53)

то есть линейно растет с увеличением температуры. При величинах тока эмиттера, сравнимых с величиной (обратным током ЭП при коротком замыкании цепи база-коллектор) зависимость от температуры падает, поскольку ток с ростом температуры увеличивается, что определяется увеличением концентрации неосновных носителей.

Сопротивление коллектора в диапазоне от -50 до + 50 ^оС растет, так как для этого диапазона характерно увеличение подвижности носителей (по механизму рассеяния на ионах примеси).

Коэффициент передачи α с ростом температуры увеличивается, что в первую очередь связано с увеличением диффузионной длины дырок.

Температурная зависимость коэффициента передачи β связана в первую очередь с возрастанием времени жизни неосновных носителей заряда в базе транзистора с ростом температуры. Для большинства биполярных транзисторов коэффициент β увеличивается по степенному закону .

15.5 Работа транзистора в импульсном режиме

Биполярные транзисторы, включенные по схеме с ОЭ, широко используются в качестве ключевого элемента переключающих электронных схем (рис. 15.24) и для усиления импульсных сигналов (рис. 15.25).

При работе в качестве ключа основное назначение транзистора состоит в замыкании и размыкании цепи нагрузки с помощью управляющих входных сигналов. При усилении импульсных сигналов транзистор может работать в режиме малого и большого сигнала.

По аналогии с механическим ключом (контактом) качество транзисторного ключа определяется минимальным падением напряжения на нем в замкнутом состоянии, минимальным током в разомкнутом состоянии, а также скоростью перехода из одного состояния в другое.

Рис. 15.24 Схема использования транзистора в качестве ключа	Рис. 15.25 Области работы транзистора: а - в схеме с ОБ; б - в схеме с ОЭ; I – отсечки; II – активная; III – насыщения; IV – лавинное умножение.

Нагрузка R_н включена в коллекторную цепь, а управляющие импульсы поступают на вход транзистора через сопротивление R_б. В зависимости от сочетания величин и полярности приложенных напряжений рабочая точка транзистора, работающего в ключевом режиме, может находиться в четырех областях: области отсечки I, активной области II, области насыщения III и области лавинного умножения IV. В области I оба перехода заперты (режим отсечки). В области II реализуется режим усиления: ЭП инжектирует неосновные носители в базу (прямое смещение), а КП заперт (обратное смещение). В области III оба перехода оказываются прямо смещенными и инжектируют носители тока в базу. Область IV является областью лавинного умножения.

Если провести на характеристиках линию нагрузки R_н и если U_Б=0 (I_Б=0), то в коллекторе протекает начальный ток I_кэ0 и рабочая точка находится в точке А. Из-за малой величины I_кэ0 можно считать, что коллектор находится под полным напряжением Е_К. Такое состояние ключа называется разомкнутым.

Если увеличить U_Б (I_Б), то рабочая точка перемещается от А по линии R_н в направлении точки К. При некотором значении I_Б рабочая точка совпадает с точкой М. Тогда ток коллектора будет определяться величинами Е_К. и R_н, так как падением напряжения на транзисторе можно пренебречь: . На коллекторе транзистора остается небольшое напряжение, называемое напряжением насыщения. О таком состоянии ключа принято говорить, что транзистор открыт и насыщен, а ключ замкнут.