Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Рис. 3.3. Энергетические диаграммы pnp (а) и npn (б) транзисторов в активном режиме: эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный в обратном.

Рассмотрим токи черезколлекторный переход. Как видно из рис. 3.3а. для p-n-p транзистора вклад в управляемый ток коллектора дают инжектированные эмиттером дырки – поток 1. Электронный ток коллектора, который образуется за счет генерируемых теплом в области коллектора электронов (ток утечки, состоящий из неосновных носителей) – поток 2, не несет сигнала и жалательно, чтобы он был как можно меньще.

Для n-p-n транзистора вклад в управляемый ток коллектора дают инжектированные эмиттером электроны – поток 1 на рис. 3.3б . Дырочный ток коллектора, образуемый генерируемыми в области коллектора неосновными носителями (ток утечки) – поток 2 на рис. 3.3б, и сигнала не несет.

Рассмотрим токи через эмиттерный переход. Как видно из рис. 3.3, при прямом смещении эмиттерного перехода, помимо потока носителей инжектированных из эмиттера поток 1, возможна так же инжекция из базы в эмиттер носителей другого знака, поток 2. Этот инжекционный ток не проходит через коллекторную цепи и соответственно не способствует усилению сигнала, поэтому его стремятся сделать как можно меньше. Это достигается тем, что степень легирования эмиттера задается на значительно выше, чем степень легирования базы, тогда соответственно и инжекционный ток эмиттера выше инжекционного тока базы.

Перенос зарядов через базу транзистора можно характеризовать следующими уравнениями (для pnp транзистора):

(3.1)

Коэффициент инжекции эмиттерного перехода γ показывает какая часть эмиттерного тока состоит из заряда инжектированного в базу. Поскольку только инжектированные носители создают эффект усиления желательно, чтобы коэффициент инжекции был как можно выше (обычно γ > 0,99).

Не все инжектированные эмиттером носители доходят до коллектора, некоторая их часть рекомбинирует:

(3.2)

Коэффициент переноса κ показывает какая часть инжектированных носителей дошла до коллектора не прорекомбинировав. Коэффициент переноса зависит от времени жизни неосновных носителей в базе и ее длины. Именно необходимость обеспечить перенос инжектированных носителей через базу транзистора выдвигает требование, чтобы диффузионная длина была больше толщины базы транзистора Lp>>W. Выполнение этого условия позволяет обеспечить высокие значения коэффициента переноса (обычно κ > 0,98).

Коллекторный ток состоит из тока носителей заряда инжектированных эмиттером и тока утечки коллекторного перехода Iкоб (индекс б - означает, что рассматриваемая схема является схемой с общей базой - ОБ), поэтому, учитывая (4_1) и (4_2) запишем:

(3.3)

Чем выше α - коэффициент передачи эмиттерного тока в коллекторную цепь, тем выше усиление транзистора по мощности, поэтому иногда этот коэффициент называют коэффициентом усиления транзистора в схеме с общей базой (рис. 51б, 52), однако этот коэффициент всегда несколько меньше единицы, если не происходит лавинного умножения носителей в коллекторном переходе. Последний эффект может иметь место при сравнительно высоких напряжениях и иногда используется в специально сконструированных транзисторах, в этом случае:

α = γκM, (3.4)

M = Iк/Ipк - коэффициент, характеризующий умножение неосновных носителей, дошедших до коллектора.

Коэффициенты γ и κ характеризуют вклад инжекционных и рекомбинационных процессов в коллекторный ток, т.е. в работу транзистора и его характеристики.

Для npn транзистора можно написать соотношения аналогичные (3.1) - (3.4), при этом изменятся только индексы обозначающие тип носителей заряда.

Запишем основные уравнения, характеризующие соотношения между токами транзистора:

Iэ = Iк + Iб,

Iк = αIэ + Iкоб. (3.5)

Для тока Iб можно написать:

Iб = Iэ - Iк = Iэ - αIэ = Iэ(1 - α) - Iкоб. (3.6)

Постоянное смещение на эмиттерном и коллекторном переходах задает некоторые значения токов и напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах: Iэ0, Uэ0, Iк0, Uк0, которые характеризуют некоторую статическую рабочую точку на входных и выходных характеристиках. Обычно для характеристики рабочей точки используют значения в тока в выходной цепи, например для схемы рис. 3.4 это будут: Iк0, Uк0.

В усилительном каскаде для задания смещения на эмиттерный и коллекторный переходы не обязательно использовать две батареи, Для задания смещения на эмиттерный переход, как правило используется резистивный делитель, как это показано на рис. 3.4, который иллюстрирует три возможных способа задания входного сигнала относительно выходного и соответствующие эквивалентные схемы каскадов по переменному сигналу: схема с общим для входной и выходной цепей базовым электродом - ОБ, эмиттерным электродом - ОЭ и коллекторным - ОК (при составлении эквивалентных схем по переменному току сопротивление батарей принимается равным нулю).

Рис. 3.4. Три схемы включения источника сигнала и нагрузки в усилительном каскаде и соответствующие схемы замещения каскадов по переменному току.

Сигнал от внешнего источника может сопровождаться изменением токов через электроды транзистора и напряжений на его электродах:

Iэ(t) = Iэ0 + ΔIэ(t), Uэ(t) = Uэ0 + ΔUэ(t);

Iб(t) = Iб0 + ΔIб(t), Uб(t) = Uб0 + ΔUб(t);

Iк(t) = Iк0 + ΔIк(t), Uк(t) = Uк0 + ΔUк(t).

Будем использовать для обозначения сигналов вместо приращений прописные буквы, тогда для коэффициентов передачи по току из (3.5), (3.6) для схем ОБ. ОЭ. ОК получим:

K_iб = i_к/i_э = α, K_iэ = i_к/i_б = α./(1- α.), K_iк = i_э/i_к = 1/(1-α)

Часто для коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером используют значок β = K_iэ = α./(1- α.). тогда K_iк = 1/(1-α)= β+1. Коэффициент α > 1 и составляет 49 - 99. Таки образом для схем ОЭ и ОК имеет место усиление тока.

Лекция 12

3.2. Статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора.

Н
а рис. 3.5 показана схема замещения биполярного транзистора. На этой схеме функции I₁=f₁(U_эб), I₂=f₂(U_кб) описывают нелинейные характеристики эмиттерного и коллекторного переходов. Генератор тока α_NI₁ характеризует собранный коллектором, при нормальном включении транзистора (Uэб > 0, Uкб 0, Uкб < 0). Генератор α_II₂ характеризует собранный эмиттером, при инверсном включении транзистора (Uэб 0), инжекционный ток коллектора.

Рис. 3.5. Схема замещения биполярного транзистора pnp типа

Для представленной на рис. 3.5 схемы можно записать:

(3.7)

где (3.8)

Подставив (4.8) в (4.7) получим выражения для входной J_Э(U_ЭБ,U_КБ) и выходной J_К(U_ЭБ,U_КБ) вольтамперных характеристик транзистора в схеме ОБ:

(3.9)

Графики вольтамперных характеристик биполярного транзистора для схемы с общей базой приведены на рис. 55. Можно выделить три основных области, соответствующих различным режимам работы транзистора. Построим распределение неосновных носителей для характерных точек, расположенных в каждой из этих областей (рис. 55).

Рис. 3.6. Статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора в схеме с общей базой.

При построении распределения, учтем, что ширина базы мала (W<

(3.10)

Для плотности токов через эмиттерный и коллекторный переходы и напряжения на них будут справедливы следующие соотношения:

(3.11)

Активная область (т. А на рис. 3.6), соответствует усилительному режиму. Для нее выполняются условия U_эб > 0, U_кб < 0, следовательно в соответствии с (4_10) p_n(0) > p_n0, pn(W)n0. Поскольку, как правило |U_КБ| >> |U_T|, то p_n(W) ≈ 0. Соответствующее распределение носителей заряда для т. A показано на рис. 3.7. Увеличение тока эмиттера будет сопровождаться возрастанием U_ЭБ и в соответствии с (3.10) ростом p_n(0) и в соответствии с (3.11) ростом градиента концентрации. Уменьшение тока эмиттера (напряжения на эмиттерном переходе) будет сопровождаться уменьшением p_n(0) и уменьшением ростом градиента.

Режим насыщения (т. B и т. C на рис. 3.6), соответствует режиму при котором ток коллектора ограничен и не обеспечивает отвод всех подходящих к коллектору инжектированных носителей заряда, границы режима насыщения определяются условиями U_ЭБ > 0 и U_КБ ≤ 0, следовательно в соответствии с (3.10) p_n(0) > p_n0, pn(W) ≥ p_n0. В т. B U_ЭБ > 0 и U_КБ = 0, соответственно p_n(0) > p_n0 и p_n(W) = 0. В т. C увеличение эмиттерного тока (и соответственно U_ЭБ)не сопровождается увеличением коллекторного тока, однако приводит к увеличению концентрации носителей заряда около коллектора , т.е. согласно (3.11) напряжение на коллекторном переходе становится больше 0. Таким образом в т. C U_ЭБ > 0 и U_КБ > 0, соответственно p_n(0) > p_n0 и p_n(W) > p_n0. Поскольку в т. С ток такой же как в т. B градиент концентрации остался прежним.

Рис. 3.7. Распределение носителей в базе транзистора при различных режимах (положение рабочих точек см. рис. 55)

Режим отсечки (т.D на рис. 3.7), соответствует режиму при котором соответствующий сигналу инжекционный ток эмиттера отсутствует соответственно на коллектор не поступают инжектированные носители и транзистор находится в запертом состоянии. Границы режима отсечки определяются условиями U_ЭБ ≤ 0 и U_КБ < 0, следовательно в соответствии с (4_10) p_n(0) ≤ p_n0, pn(W) ≈ 0. В т. D U_ЭБ < 0 и U_КБ < 0 (|U_КБ| >> |U_T|), соответственно p_n(0) < p_n0 и p_n(W) = 0. Как видно из соответствующего т.D рис. 3.6 вблизи эмиттера градиент концентрации изменил направление, т.е. через эмиттерный переход начал протекать обратный ток. Если ток через эмиттерный переход будет равне нулю, то соответственно будет равен нуля и эмиттерный ток. В режиме отсечки неосновные носители в транзисторе возникают только в результате генерационных процессов в объеме материала.

Рассмотренные процессы инжекции и собирания носителей коллектором не зависят от схемы включения, соответственно и рассмотренные режимы - активный, насыщения и отсечки могут иметь место и в каскадах с общим эмиттером и общим коллектором, однако, поскольку при изменении общего электрода изменяются входные и выходные токи и напряжения, то соответственно и передаточные характеристики различных каскадов будут отличаться, так же как будут отличаться и вольтамперные характеристики транзистора в различных схемах включения.

Наибольшее распространение в полупроводниковых схемах нашло включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером. Вольтамперные характеристики для транзистора в схеме ОЭ возиожно, получить перестроением характеристик для схемы ОБ с учетом соотношений между токами и напряжениями в схемах ОБ и ОЭ (см. рис. 3.8).

Характеристики

Список файлов реферата