Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 26
Текст из файла (страница 26)
336) Именно величины 1,о и 1„о принято называть тепловыми токами переходов в транзисторах. Подставляя токи 1, и 1з из (5.32) в соотношения (5.31), найдем аналитические выражения для статических ВАХ транзистора: 1э =1 о(е ' 1) аюГ«о(е " — 1)' (5.34а) =аи1 о(е ' 1) — 1 о(е " 1) (6.346) Ток базы легко записать как разность токов 1, и 1: 1о =(1 аи)1 о(е 1) +(1 аг)1 ко(е 1).
(5.34в) где Г,о и Г„о — тепловые токи соответствующих переходов. Каждый из них можно измерить, задавая обратное напряжение ~Ц >Зсрг на данном переходе и закорачивая второй переход. Однако на практике принято измерять тепловые токи, не закора- чивая, а обрывая цепь второго перехода. Соответствующие значения обозначают через 1,о и 1„о. С помощью формул (5.31) нетрудно установить связь между тепловыми токами, измеренными в режиме холостого хода и в режиме короткого замыкания второго перехода: 147 НЗ.
Статические хараитериееиаи Выражения (5.34) называются формулами Молла — Эберса. Они являются математической моделью транзистора и составляют основу для анализа его статических режимов. Следует подчеркнуть, что в формулах (5.34) положительными считаются прямые напряжения (независимо от того, что у н — р-и-транзисторов фактическая полярность прямых напряжений на эмиттере и коллекторе относительно базы — отрицательная).
Кроме того, необходимо иметь в виду, что параметры Г, и Г„с в формулах (5.34) — это именно тепловые токи, а не обратные токи переходов, которые в случае кремния намного превышают тепловые. Только тогда„когда на оба перехода заданы обратные напряжения, формулы (5.34) теряют силу и обратные токи следует оценивать с учетом тока термогенерации. Можно показать, что в транзисторах выполняется соотношение (5. 35) ак1 о =ас1 о оно позволяет упрощать выражения, полученные на основе формул (5.34). Характеристики схемы ОБ. Как известно, для схемы ОБ (рис. 5.4, а) характерны заданные значения тока эмиттера и коллекторного напряжения. Поэтому характеристиками схемы ОБ называют функции 1„(1,; У„) и 1, (У,; У„), представленные семействами кривых.
Одно из таких семейств, представляющее функцию 1„(У„) с параметром 1, (рис. 5.14, а), называют семейством выходных или коллекторных характеристик; второе, представляющее функцию 1, (У,) с параметром У„(рис. 5.14, б) — семейством входных или эмиттерных характеристик. Оба семейства легко получаются из формул (5.34) и записываются в виде (5.36) У, = ср г )в~ — '* е- 1 т а и (е " ~е' — 1) . ь1 ео (5.37) Семейство эмиттерных кривых (5.37) записано в форме У,(1,), поскольку заданной величиной (аргументом) является ток эмиттера. 148 Глава 0.
Физические принципы работм транзистора и тиристора Гы иА л ') 0,8 /) 06 ') / 04 ' / /,=0,2 нА Х 1,0 10 20 30 40 У„,В а) 0 0,0 У" У,.В б) Рис. 8.14. Статические выходные (а) и входные (б) характеристики транзистора прн включении ОБ Из рис. 5.14, а ясно видны два резко различных режима работы транзистора: нормальный активный режим, соответствующий обратным напряжениям на коллекторном переходе (первый квадрант) и режим двойной инжекции или насыщения, соответствующий прямым напряжениям на коллекторном переходе (второй квадрант).
Активный режим характерен для усилительных схем, а режим двойной инжекции — для ключевых (импульсных) схем. Для активного режима формулы (5.3б) и (5. 37) упрощаются, так как при ((/„(>Зэрг исчезают зкспоненциальйые члены. Если, кроме того, пренебречь током 1„0 и величиной 1 — ан, то формула (5.36) переходит в (5.15): 1„=ан1,, (5. 38а) а формула (5.37) — в ВАХ обычного перехода /э стг )п(1э/1 эо )' (5.
38б) Из выражений (5.38) следует, что в активном режиме коллекторное напряжение не влияет ни на вьэходную — коллекторную, ни на входную — эмиттерную характеристики. Этот вывод справедлив в большинстве практических случаев. Однако в принципе и коллекторный ток, и змиттерное напряжение несколько зависят от коллекторного напряжения. Это значит, что выходные характеристики на рис. 5.14, а имеют конечный наклон (определяемый сопротивлением коллек- Ь49 З,з.
Статические характеристики торного перехода), а входные характеристики несколько смещаются при изменениях коллекторного напряжения (см. рис. 5.14, б). Причиной обеих зависимостей является эффект Эрли. Его влияние на наклон выходных характеристик рассмотрено в разделе 5.6. Что касается сдвига входных характеристик, то в этом случае эффект Эрли проявляется в следующем. Изменение коллекторного напряжения приводит к изменению ширины базы. Поскольку ток эмиттера, а значит, и градиент концентрации носителей заданы, изменение ширины базы приводит к изменению граничной концентрации носителей (см. рис. 5.5), а это согласно граничному условию Шокли неизбежно связано с изменением напряжения на переходе. Поскольку (5.33б) соответствует ВАХ обычного перехода, то в рабочем диапазоне токов напряжение У, остается почти неизменным; его можно считать параметром кремниевого транзистора У'. Для нормального токового режима (0,1 — 1 мА) Ути 0,7 В, для микрорежима (1 — 10 мкА) У* = 0,5 В.
Температурная зависимость эмиттерного напряжения (как и для обычных диодов) составляет для кремниевых транзисторов от — 1,5 мВ/'С до — 2 мВ('С. Для режима двойной инжекции характерен спад коллектор- ного тока при неизменном эмиттерном токе. Это — результат встречной инжекции со стороны коллектора. Важно отметить, что у кремниевых транзисторов заметное уменьшение тока 1„ наступает не при У„= О, а при достаточно больших прямых напряжениях У„. Это объяняется тем, что практическое отпирание кремниевого р — и-перехода (в данном случае коллекторного) наступает лишь при прямых напряжениях 0,4 — 0,6 В.
Характеристики схемы ОЭ. Как известно, для схемы ОЭ (рис. 5.4, б) характерен заданный ток базы. Поэтому выходные (коллекторные) характеристики представляют функцию 1„(1с; У„,), а входные (базовые) — функцию 1е (Ус; У„,). Эти характеристики, которые нетрудно получить с помощью формул Молла — Эберса, показаны на рис.
5.15. Главной особенностью выходных характеристик является то, что они полностью расположены в первом квадранте. Оценим напряжение, при котором наступает спад коллекторного тока. Запишем для режима двойной инжекции: (5. 39) Укэ Уе Уа~ 150 Глава 5. Физические нриицниы работы транзистора и тирнстора 1«ма 0 05 10 1/с,н б) 0 0,5 1,0 5 10 15 П«„В «эм«« а) Рис. 5.15.
Статические выходные (а) и входные (б) характеристики транзистора нри включении ОЭ ~б + (1 п1)~« з О (5.40а) У 1 м б ( и) +1 (5405) ~«0 Далее, пренебрегая единицами в квадратных скобках„подставляя напряження У, н У„в выражение (5.39), получаем выходное напряжение в следующем общем виде: где под У, н У„поннмаются прямые напряжения.
Формально границе активного режима соответствует значенне У„= О. Прн этом согласно (5.39) выходное напряжение еще сравнительно велико — оно равно напряжению на открытом эмнттерном переходе: Уве = У* = 0,7 В. Заметный спад тока наступает лишь тогда, когда прямое напряжение У„достнгает напряжения отпнрання У* — 0,1 В. Прн этом выходное напряжение составляет: У„, = У вЂ” (У* — 0„1 В) = 0,1 В (рнс.
5.15, 0). Минимальное значение выходного напряжения получается прн нулевом токе коллектора (рнс. 5.15, а). Чтобы определить величину У„, „„„, разрешим систему уравнений (5.34б) н (5.34в) относительно напряженнй на переходах: 5.5.
Статкеескне характернстнкн 151 Полагая Ха = О, найдем минимальное выходное напряжение: У„, „= зт 1п()/ат). (5.41) Напряжение У„, „весьма мало. так, если ат = 0,5 (этому значению соответствует Вт = 1), то У„, „„, = 0,7рг = 15 мВ. Наклон ВАХ в схеме ОЭ значительно больше, а сопротивление, характеризующее этот наклон, значительно меньше, чем в схеме ОБ.
Эта особенность объясняется тем, что приращение ЬУ„, частично падает на змиттерном переходе, т.е. вызывает приращение ЛУ„соответственно получается приращение Л(, и дополнительное приращение тока 1„. В предпробойной области наклон ВАХ быстро возрастает. Напряжение пробоя в схеме ОЭ меньше, чем в схеме ОБ (см. (5.29)). В заключение отметим важную особенность тока базы. Из выражения (5.34в) следует, что в нормальном активном режиме (т.е. при ~У„(> Зсрг) ток базы можно записать в виде 15 = 1,(е '~ет — 1) (5.42а) где 1, =(1 — ая)1',з. Однако фактически, с учетом рекомбинации в змиттерном переходе и на поверхности, ток базы описывается несколько иначе (см.
штриховую кривую на рис. 5.15, б): =1 (, /~ет ц (5.42б) где лт > 1. Величину пт, характеризующую отличие реального тока от идеального, называют зт-фактором. Этот параметр очень удобен для оценки качества змиттерного перехода, а вместе с тем — уровня собственных шумов, стабильности и надежности транзистора.
Естественно, что т-фактор связан с показателем Ф в формуле (5.27), поскольку показатель Ж характеризует тот же круг явлений, но применительно к коэффициенту инжекции. Связь между параметрами лт и Ф следующая: М = т/(т — 1). Прогресс в отношении показателя Ю, отмеченный выше, обусловлен уменьшением тл-фактора от значения и =2 до лт =1,2. 152 Глава 5.
Фнзнческне прннпнпы работы транзнстора н тнрнстора 5.6. Малосигнальные эквивалентные схемы и параметры Большому классу так называемых линейных электронных схем свойствен такой режим работы транзистора, при котором на фоне сравнительно больших постоянных токов и напряжений действуют малые переменные составляющие. Именно эти составляющие представляют в таких схемах основной интерес. Запишем напряжения и токи в виде У=У +АУ; 1=1 ~-Л1, где Уо и 1о — постоянные составляющие; Л(1 и М вЂ” переменные составляющие, много меньшие постоянных. Постоянные и переменные составляющие анализируются и рассчитываются раздельно.
При анализе постоянных составляющих, как мы уже и делали, используется нелинейная физическая модель Молла — Эберса. При анализе переменных составляющих использование нелинейной модели не имеет смысла, так как связь между малыми приращениями определяется не самими функциями, а их производными'. Поэтому для анализа переменных составляющих пользуются специальными— малосигнальными моделями (эквивалентными схемами), состоящими из линейных элементов. Эти элементы отображают те производные, которые связывают между собой малые приращения токов и напряжений.
Для заданного змиттерного тока (условие, свойственное включению ОБ) малосигнальную эквивалентную схему транзистора легко получить из рис. 5.13, заменяя эмиттерный и коллекторный диоды их дифференциальными сопротивлениями. Поскольку в линейных электронных схемах режим двойной инжекции недопустим, можно исключить из схемы источник тока о г1э.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
