А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 22
Текст из файла (страница 22)
будет 4.6. Биполярный анэисто 83 равен Ек = Ек + 1«мк = Еэ(1 7р) + Еэтр(1 з)) Екк = Еэ(1 ао) Екр) (4.20) где а, = трп — коэффициеит передачи на постоянном токе. Из этого соотношения следуют два варианта: 1) г) = 1 н а, = у < 1; 2) 7 = 1 и а, = р) < !. Первый вариант должен быть исключен, так как в этом случае ЬТ не управляется по току базы (Хк „= О, а Ер„= сопзг).
Второй вариант является идеальным. Однако на практике всегда «) < 1 н у < 1. Поэтому у реальных БТ а, = «ХЕ, но обязательно выполняется условие т > «) и а, = г). Например, 7 = 0,999, а р) = 0,99 и а, = 0,989. Поэтому ток базы практически определяется только процессом рекомбинации. Это обстоятельство является очень важным для понимания усилительных и частотных свойств транзисторов в различных схемах включения. Полный ток коллектора равен 1к кк 1к р + Х„„= Хэтрг(+ 1к „= а,1, + 1к „. (4.21) Очевидно„что сумма токов базы и коллектора, вытекающих из транзистора, должна быть равна току, втекающему через эмитгер.
В этом легко убедиться, суммируя (4.20) и (4.21). Для переменных составляющих связь между токами принимает вид «, = «,(1 — а), «к кк а(„ где согласно (4.21) «(Е„~ да, ак+Ез дЕ, ~««. ' дЕ, Хз"„ К = ар —" =К«Кр у 3 э (4.22) где К, = 1„/Х, = а, 1 — коэффициент передачи по току, а К«« — †(Е„/(Е, — коэффициент усиления по напряжению. При Хг„» (Е, К, » 1.
Из диаграммы рнс. 4.24, б следует также, что биполярный транзистор является однонаправленным элементом, т. е. управление возможно только со стороны эмиттера. Обратное движение дырок, в силу расположения энергетических зон, невозможно. Это утверждение остатается в силе, если поменять местами эмитгер и коллектор, т. е. однонаправленность сохранится и в обратном направлении — инверсном. Однако реальные транзисторы как по технологии изготовления (степень легирования эмиттера и коллектора), так и по геометрии электродов, оказываются сильно несимметричными.
В результате их усилительные характеристики в инверсном включении существенно хуже, чем в прямом. При очень малых токах р— е ' > 0 и а > ар, а при очень больших — — ' < 0 и а < а,. В рабочем интервале токов эмитгера — а = 0 и можно приближенно считать, что а а,. о«, Усилительные свойства биполярного тразистора можно оценить непосредственно из энергетической диаграммы рис. 4.24, б. Увеличение прямого смещения на эмиттере на ХГ, и обратного на коллекторе на ХЕ„приводит к изменению положения уровня Ферми в эмиттере (Икр,) на е(«„а в коллекторе (И«„к) на е(Е„. Следовательно, затрачивая на входе энергию, равную е(Е„можно получить на выходе энергию е(Е„.
Для низких частот можно пренебречь различием времен установления стационарных значений ХЕ, и (Е„по сравнению с периодом внешнего сигнала. Тогда отношение указанных энергий будет равно коэффициенту усиления по мощности К,. Поскольку до коллектора доходит только часть дырок, равная а„полный коэффициент усиления Кр будет равен В4 Глава 4. Нелинейные активные и пассивные элементы Статистические характеристики и эквивалентные схемы биполярных транзисторов На рис. 4.23 условно показана схема с общей базой, принятая за основу при описании физического принципа действия транзистора. Статические семейства характеристик в этой схеме показаны на рис.
4,25. Они качественно повторяют для входного семейства Т, (У,) (рис. 4.25,а) ВАХ р-и-перехода в прямом направлении (рис. 4.17), а для выходного (рис. 4.25,б) — ВАХ Р-п-перехода, смещенного в обратном направлении. Входная проводимость транзистора в схеме с ОБ, равная д, = вг' ~, или ви, и„ входное дифференциальное сопротивление г, = д, ', очень близки к дифференциальному сопротивлению изолированного р — и-перехода (4.12). В схеме с ОБ коллекторное напряжение слабо влияет на ток эмитгера. Поэтому семейство входных ВАХ рис. 4.25, а мало меняется при изменении коллекторного напряжения в широких пределах.
На это также указывает и наклон выходных ВАХ в режиме линейного усиления (активный режим рис. 4.25, б), соответствующий выходной дифференциальной проводимости вг„ д„= " — О. В реальных приборах значение выходного дифференциального сопро- вип, тивления г„= д„' связано с эффектом модуляции ширины базового слоя при изменении напряжения на коллекторе (4 13). За счет этого эффекта г„> 1О' Ом. 6) ('ив Рис. 4.25.
ВАХ биполярного транзистора в схеме с обшей базой: а) входное (эмиттериое) семейство ВАХ; б) выходное (коллекториое) семейство ВАХ Когда напряжения на эмиттере и коллекторе одновременно становятся больше или меньше нуля, транзистор оказывается соответственно либо в режиме насыщения — оба перехода инжектируют дырки в базу, либо в режиме отсечки — нет инжекции. В режиме отсечки транзистор является пассивным элементом, а в режиме насыщения — эквивалентен источнику напряжения гР', (рис.
4.1, г и 4.25,6), которое не может превышать величину равновесной разности потенциалов на коллекторном переходе тР„, (4.5). На рис. 4.25, б область насыщения изображена в сильно увеличенном масштабе Щ„, «Е„). Тахг же построены нагрузочные прямые лля Л„, и Е„, согласно уравнению (рнс. 4.23): Е» (гкО + ТкЕн: гле ń— напряжение источника питания в цепи коллектора, (г„.в — падепие напряжения на транзисторе. тт„у,. — падение напряжснпя иа Е„. Как следует пз рис.
4.25, б, рабочая точка может находиться в'области насыщения (точка а ) лишь при выполнении неравенства 4.6. Биполя ный т анзисто ! !' Е„ 22) ' Гг„ где е, = 222 /! — средняя скорость смещения дырок за счет диффузии, ބ— коэффициент диффузии дырок. Отсюда а 2~! — Е" При 22р 10'см'~с и ! 3 10 'см У„, < 10' Гц.
Исходя из физического принципа действия БТ низкочастотную эквивалентную схему с ОБ для малых переменных сигналов можно представить в виде трех сопротивлений г„т,, г„, по которым протекают соответству|ошие нормированные токи: 1, = 1; 1, = (! — а); 1„= а (рнс. 4.28), где г, — объемное сопротивление базового слоя (г, - 10 Ом). Указанное соотношение между токами выполняется в любой схеме включения независимо от способа подключения источника переменного сигнала.
Схема на рис. 4.28 очень наглядна и удобна прн расчете. Однако исторически первой получила распространение схема с эквивалентным генератором тока. рассмотренная в гл. ЧП, Рис. 4.27. Принпипиаль- (4 2З) ная схема с общим коллектором — змиттерный повто- ритель Е, + у)„Е„ Х = адТ„ > Ем Ем Для меньшей нагрузки Е„, < Ям Т„= а,Т„< Е„(Я„„ транзистор *'выходит" из области насыщения и рабочая точка оказывается в активной области (точка б).
Для предотвращения режима насыщения параллельно коллекгорному переходу включают диод, который в активном режиме обладает большим сопротивлением, так как включен в обратном направлении и не оказывает влияния на работу схемы, а при заходе рабочей точки в область насыщения его сопротивление резко уменьшается. Таким образом исключают ре- 17 Е„ жим насыщения транзистора. Рассасывание объемного за- + ряда дырок в режиме наыщения осуществляется со временем жизни т„которое намного больше времени пролета (диффузии) дырок от эмитгера к коллетору в активном ре- В зависимости от наименованиЯ общего элек Рода, от схема с обшим зми„е„м которого отсчитывается потенциал, различают три схемы включения транзисторов: схема с общей базой ОБ (рис.
4.23); схема с общим эмитгером 03 (рис. 4.26) и схема с общим коллектором ОК (эмиттерный повторитель) (рис. 4.27). С физической точки зрения различия между этими схемами обусловлены тем, какой ток — основных или неосновных носителей — контролирует источник переменного сигнала на входе. От этого зависят дифференциальное сопротивление и емкость коллектора, а также предельная частота усиления по току.
В схеме с ОБ потенциал базы фиксирован„а внешний источник контролирует ток эмиттера, т. е. ток неосновных носителей. Сопротивление коллектора равно г„, емкость С„ равна барьерной емкости коллекторного перехода, а предельная частота У коэффициента передачи а, определяется временем пролета неосновных носителей через базу. Только за счет диффузионного механизма переноса дырок через базу это время равно гсл «зб» Глава 4. Нелинейные активные и пвссВЫйе~влеыенты 86 С„ — и-"- «« ! т„! =1, и 1 =— « 1 — а„ (4.24) Таким образом, при Хь = 0 начальный ток коллектора в схеме с ОЭ будет в (1-аь) ' Д раз больше, чем в схеме с ОБ. Отсюда также следует, что проводимость коллектор- ного перехода в схеме с ОЭ в /)ь раз больше, чем в схеме с ОБ.
Это относится также к реактивной составляющей, обуслпвленной наличием емкости коллехторного перехода С„, т. е. в схеме с ОЭ дифференциальное сопротивление коллектора равно т„" = (1 — аь)т«т«/!3о ( 10 Ом, а С„= С„(1 — аь) ' С«Д ( 10 пФ.
Из соотношения (4.24) следует еше одна важная особенность схемы с ОЭ. При а — 1 1„- оо и транзистор оказывается в режиме пробоя. Увеличение а может произойти за счет лавинного размножения электронов и дырок в коллекторном переходе при увеличении напряжения на коллекторе. Поэтому схема с ОЭ очень чувствительна к повышению напряжения на коллекторном переходе, особенно при Е, = О. В связи с тем что в схеме с ОЭ внешний источник контролирует ток рекомбинации, характерным временем установления тока коллектора будет время жизни дырок в базе т„а предельная частота усиления по току будет равна Дз = (2пт«) '. Связь между Хя и Х устанавливается следующим образом. Заряд дырок д„инжектированный в базу из эмитгера, достигает коллектора через время пролета 1„,.
За это время он рекомбинирует по закону д = д,ехр( — !/т,) и достигает коллектора при значении д„= д, ехр( — 1,/тн). Поскольку г/„/9 = з1 = а„а 1„, « т„ 1„, = (1 — а,)т = —, ,бь ' или Хя = (1 — аь)Х Ха 1зо т. е. предельная частота усиления по тону в схеме с ОЭ меньше,чем в схеме с ОБ, примерно н Д риз. В схеме с ОК (рис. 4.27) ни базовый, нн эмиттерный электроды не являются "обшими" и, следовательно, нельзя однозначно сказать, какой ток — основных нли неосновных носителей — контролирует источник и,.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
