БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ • Биполярным транзистором называется электронный прибор с двумя взаимодействующими p-n -переходами и тремя или более выводами. P-nпереходы образуются тремя близко расположенными областями с чередующимися типами электропроводности: p-n-p или n-p-n. Такие транзисторы называют биполярными, так как их работа основана на использовании в качестве носителей заряда как электронов, так и дырок. Рисунок 8. 1 Условные обозначения и названия элементов биполярного транзистора а) упрощенная структура транзисторов б) схемные обозначения транзисторов Рисунок 8. 1 а Поперечное сечение вертикального npn транзистора в интегральной схеме 1
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Рисунок 8. 2 - Профиль легирования pnp транзистора с градиентом концентрации примесей в базе Несмотря на кажущуюся симметрию структуры биполярного транзистора по отношению к базе, p - n переходы его несимметричны. Область эмиттера имеет более высокую концентрацию основных носителей по сравнению с коллектором. Часто область эмиттера обозначают с плюсом: n+ - эмиттер, n – коллектор, подчеркивая тем самым более высокую концентрацию электронов в эмиттере. Эмиттер выполняет роль поставщика основных носителей заряда к коллектору. Изза большой концентрации электронов эмиттер имеет высокую проводимость (или малое объемное сопротивление). База является более высокоомной областью по сравнению с эмиттером. Основных носителей в ней – дырок – здесь мало. Однако дырки являются неосновными носителями в областях эмиттера и коллектора. К эмиттерно-базовому переходу обычно прикладывается относительно небольшое прямое напряжение. Поэтому мощность, рассеиваемая в области эмиттера, сравнительно невелика, коллекторный переход находится обычно под достаточно большим обратным напряжением, что приводит к большой мощности, рассеиваемой в нем. Поэтому этот коллекторный переход имеет гораздо большую площадь по сравнению с эмиттером. 2
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Рабочей областью транзистора является так называемая активная область кристалла, расположенная непосредственно под эмиттерным переходом. Необходимое взаимодействие между переходами обеспечивается малой толщиной базы, которая у современных транзисторов меньше диффузионной длины L и не превышает нескольких микрометров. При этом ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. База транзистора может быть легирована неравномерно, как на рис. 8. 2, так и равномерно по своему объему. В базе с неравномерным распределением атомов примеси (неоднородная база) образуется внутреннее электрическое поле, приводящее к дрейфу носителей заряда и ускорению движения носителей через базу. В однородной базе движение носителей связано только с диффузией. Поэтому первый тип транзисторов называют дрейфовыми, а второй – бездрейфовыми. Дрейфовые транзисторы более быстродействующие. Рисунок 8. 2 - Профиль легирования pnp транзистора с градиентом концентрации примесей в базе 3
Режимы работы биполярного транзистора Рисунок 8. 3 - Протекание токов в транзисторе а) в режиме отсечки, б) в режиме насыщения. а) активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный переход – обратное; б) режим отсечки – на оба перехода поданы обратные напряжения (транзистор заперт); в) режим насыщения – на оба перехода поданы прямые напряжения (транзистор полностью открыт); г) инверсный активный режим – напряжение на эмиттерном переходе обратное, на коллекторном – прямое. Режимы отсечки и насыщения характерны для работы транзистора в качестве электронного ключа; активный режим используют при работе транзистора в усилителях. Инверсное включение используется редко, например, в схемах двунаправленных переключателей, при этом транзисторы должны иметь симметричные свойства в обоих направлениях. В режиме отсечки оба перехода заперты, через них проходят незначительные обратные токи, что эквивалентно большому сопротивлению переходов. В первом приближении можно считать, что все токи равны нулю, а между выводами транзистора имеет место разрыв (см. рис. 8. 3, а). В режиме насыщения через оба перехода проходит большой прямой ток. В первом приближении можно считать все выводы закороченными. Говорят, что транзистор «стягивается в точку» (рис. 8. 3, б). 4
Npn транзистор в активном режиме Рисунок 8. 4 - Биполярный npn транзистор в активном режиме Через смещенный в прямом направлении эмиттерный переход проходит достаточно большой прямой ток, обусловленный движением основных носителей заряда (в данном случае – электронов). Электроны пролетают через p-n-переход и инжектируются (впрыскиваются) в область базы; при этом дырки из области базы проходят через переход в эмиттер (для них p-n-переход также смещен в прямом направлении). Но поскольку эмиттер имеет большую концентрацию примесей, то поток электронов из эмиттера в базу намного сильнее потока дырок из базы в эмиттер. Из-за диффузии и дрейфа (в дрейфовых транзисторах) электроны движутся в сторону коллекторного перехода, стремясь равномерно распределиться в толще базы. Так как база имеет очень малую толщину и малое число дырок (концентрация акцепторов в базе мала), большинство разогнавшихся еще в эмиттере электронов не успевает рекомбинировать в базе, они достигают коллекторного p-nперехода, где для них, как для неосновных носителей в области базы, обратное напряжение перехода не является барьером, и уже в коллекторе электроны попадают под притягивающее действие приложенного внешнего напряжения, образуя во внешней цепи коллекторный ток IК. В результате рекомбинации части электронов с дырками базы образуется ток базы IБ, направленный в противоположную от коллектора сторону, и коллекторный ток оказывается несколько меньше эмиттерного. Через коллектор также течет обратный ток неосновных носителей – дырок, вызванный обратным смещением коллекторного перехода 5
Способы включения биполярного транзистора Рисунок 8. 5 - Три схемы включения npn транзистора а) схема с общей базой, б) схема с общим эмиттером, в) схема с общим коллектором Входными ВАХ транзистора являются зависимости входного тока транзистора от входного напряжения при заданном постоянном напряжении на выходе: ; выходными ВАХ являются зависимости выходного тока от выходного напряжения при заданном постоянном входном токе (или, реже, напряжении): . 6
Схема с общей базой Рисунок 9. 1 - Входные характеристики npn транзистора для схемы с ОБ Входные характеристики здесь в значительной степени определяются характеристикой открытого эмиттерного pn -перехода, поэтому они аналогичны ВАХ диода, смещенного в прямом направлении. Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения u. КБ обусловлен так называемым эффектом Эрли (эффектом модуляции толщины базы), заключающимся в том, что при увеличении обратного напряжения u. КБ коллекторный переход расширяется, причем в основном за счет базы. При этом толщина базы как бы уменьшается, уменьшается ее сопротивление, что приводит к уменьшению падения напряжения u. БЭ при неизменном входном токе. 7
Схема с общей базой Рисунок 9. 2 - Выходные ВАХ для схемы с ОБ (9. 3) где СТ - статический коэффициент передачи тока эмиттера; он равен отношению тока коллектора к току эмиттера при постоянном напряжении на коллекторе относительно базы, его величина меньше единицы; IК 0 – обратный ток коллектора. Ток коллектора становится равным нулю только при u. КБ < 0, то есть только тогда, когда коллекторный переход смещен в прямом направлении. При этом начинается инжекция электронов из коллектора в базу. Эта инжекция компенсирует переход из базы в коллектор электронов эмиттера. Данный режим называют режимом насыщения. Линии в области u. КБ < 0, называются линиями насыщения. Ток коллектора становится равным нулю при u. КБ < -0, 75 В. При u. КБ >0 и токе эмиттера, равном нулю, транзистор находится в режиме отсечки, который характеризуется очень малым выходным током, равным обратному току коллектора IК 0 , то есть график ВАХ, соответствующий i. Э = 0, практически сливается с осью напряжений. При увеличении эмиттерного тока и положительных выходных напряжениях транзистор переходит в активный режим работы. 8
Выходные параметры для схемы с ОБ • • Отношение малых приращений этих же токов определяет дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока. (9. 4) Наклон выходных характеристик численно определяет дифференциальное сопротивление коллекторного перехода: (9. 5) • Природа обратного тока коллектора такая же, как и у обратного тока диода, включенного в обратном направлении. Он протекает и тогда, когда ток эмиттера равен нулю. • Учитывая малость величины обратного тока по сравнению с коллекторным током в активном режиме, можно считать, что ток коллектора (см. выражение (9. 3)) в активном режиме прямо пропорционален току эмиттера: . (9. 6) При значительных эмитерных токах и напряжениях на коллекторном переходе линии ВАХ начинают изгибаться вверх из-за намечающегося пробоя коллекторного перехода. Так как обратный ток коллектора возрастает при увеличении температуры , то и графики выходных ВАХ при увеличении температуры смещаются вверх • • • Чтобы правильно выбрать параметры схемы, где будет работать транзистор, на выходных ВАХ строят так называемую линию допустимой мощности, определяемую заданной максимально допустимой мощностью. Уравнение этой линии. 9
Итоговое представление с ОБ Транзистор, включенный по схеме с общей базой, используется в усилителях напряжения и мощности, так как несмотря на то, что выходной ток почти равен входному, выходное напряжение значительно больше входного. Из-за достаточно большого выходного сопротивления транзистор с ОБ используют в источниках стабильного тока. Среди всех трех конфигураций схема с ОБ обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется. Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = αст [α<1]. Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iэ. Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора. Достоинства Хорошие температурные и частотные свойства. Высокое допустимое напряжение Недостатки схемы с общей базой Малое усиление по току, так как α < 1 Малое входное сопротивление Два разных источника напряжения для питания. 10
Схема с общим эмиттером В схеме с общим эмиттером общим электродом является эмиттер. Входным током является ток базы i. Б , входным напряжением – напряжение u. БЭ , выходным током – ток коллектора i. К , выходным напряжением – напряжение u. КЭ Рисунок 10. 1 - Входные (а) и выходные (б) ВАХ транзистора в схеме с ОЭ ВАХи отличаются от входных и выходных ВАХ транзистора ОБ. На входных ВАХ это отличие проявляется в том, что при увеличении выходного напряжения из-за эффекта модуляции базы характеристики сдвигаются вправо. Выходные ВАХ расположены в одном квадранте, в активном режиме идут с бóльшим наклоном, что означает меньшую величину дифференциального выходного сопротивления транзистора ОЭ по сравнению с ОБ 11
Схема с общим эмиттером • Учитывая, что • • и (10. 1) имеем , (10. 2) • где • Величина называется статическим коэффициентом передачи базового тока. • Для малых изменений переменных вводится динамический коэффициент передачи базового тока • (10. 3) Так как несколько меньше 1 (0. 9… 0, 995), то величина коэффициента базового тока значительно больше 1 (9… 200). 12
Сравнение ВАХ с ОБ и ОЭ • Схема включения ОЭ применяется наиболее часто, так как здесь имеет место усиление как по току, так и по напряжению. Поэтому в справочниках обычно задаются параметры ( , Uкэ ) именно для этого типа включения транзистора. Рисунок 10. 3 - Выходные характеристики pnp транзистора ) в схеме с ОБ, б) в схеме с ОЭ В схеме с ОБ (рис. 10. 3. ) коллекторный ток практически равен эмиттерному току ( 1) и фактически не зависит от напряжения UКБ и остаётся неизменным при UКБ = 0. В схеме с ОЭ коллекторный ток намного превышает ток базы и увеличивается с напряжением UКБ (нет насыщения тока), как видно из рис. 10. 3 б, что иллюстрирует эффект уменьшения ширины базы (эффект Эрли). 13
Особенности поведения коэффициента усиления и пробивных напряжений транзистора Рисунок 10. 4 – зависимость коэффициента усиления транзистора от тока коллектора Рисунок 10. 5 – Напряжение пробоя BVCBO и ток насыщения ICO для схемы с общей базой и соответствующие величины BVCEO и I CO для схемы с общим эмиттером При пробое можно записать, что , (*) где М - коэффициент ударной ионизации. При М =1 наступает специфическая разновидность пробоя ( ), свойственная включению ОЭ. Значение М связано с подаваемым напряжением на переход полуэмпирической формулой: , где VСBО - напряжение лавинного пробоя. (**) Приравнивая М=1/ из (**) найдём, что напряжение пробоя VCEO для включения ОЭ определяется выражением: 14
Особенности поведения коллекторного тока и дифференциального сопротивление коллектора при разомкнутой базе в схеме с ОЭ Ток базы равен разнице эмиттерного и коллекторного тока или. При разомкнутой базе (левая часть рисунка 10. 5) IБ =0, тогда. Т. к. в этих условиях эмиттерный и коллекторный токи равны (I CO=I E), то (10. 4) Т. е. коллекторный ток при разомкнутой базе намного больше ICO. Так же дифференциальное сопротивление коллектора r к: или Дифференциальное сопротивление коллектора уменьшается в раз. Рис. 10. 5 (10. 5)
Как определить из ВАХ Приведём сравнительные результаты измерения коллекторного и базовых токов от напряжения эмиттер-база. Заметим, что ход кривой описывается приведённым в лекциях 4 5 выражениям для тока через pn переход. Если для заданного напряжения эмиттербаза найти отношение коллекторного тока к базовому, то это и будет статическим коэффициентом передачи базового тока СТ. Рисунок 10. 2 - Зависимость коллекторного и базового тока от напряжения эмиттер-база 16
Итоговое представление с ОЭ Iвых = Iк Iвх = Iб Uвх = Uбэ Uвых = Uкэ Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1 -α) = β [β>>1]. Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iб. Достоинства Большой коэффициент усиления по току. Большой коэффициент усиления по напряжению. Наибольшее усиление мощности. Можно обойтись одним источником питания. Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного. Недостатки Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой 17
Схема с общим коллектором Рисунок 10. 4 - Входные (а) и выходные (б) характеристики биполярного транзистора в схеме с ОК, Входные ВАХ по форме мало отличаются от входных ВАХ схемы ОЭ, но диапазон изменения входного напряжения здесь практически такой же, как диапазон изменения выходного напряжения (см. рис. 10. 4 а), где пунктиром показана входная ВАХ транзистора с ОЭ). Поскольку выходное напряжение здесь отличается от выходного напряжения транзистора ОЭ на относительно малую величину u. БЭ , то и выходные ВАХ мало отличаются от ВАХ транзистора ОЭ, лишь для того же входного тока выходной ток несколько выше, поскольку i. Э = i. К + i. Б и i. Б << i. К (см. рис. 10. 4, б). Коэффициент передачи тока в этой схеме включения транзистора равен (10. 4) Выходное напряжение чуть меньше выходного, так как. Поэтому схемы с использованием транзистора с ОК называют повторителями напряжения или эмиттерными повторителями, поскольку нагрузка обычно подключаются к эмиттеру. Для анализа схем с ОК достаточно иметь ВАХ или параметры транзисторов с ОБ или ОЭ. 18
Итоговое представление с ОК Iвых = Iэ Iвх = Iб Uвх = Uбк Uвых = Uкэ Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1 -α) = β [β>>1]. Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб. Достоинства Большое входное сопротивление. Малое выходное сопротивление. Недостатки Коэффициент усиления по напряжению меньше 1. Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем» . 19
Инверсное включение транзистора Режим работы транзистора, при котором коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном, называется инверсным. В этом случае коллектор играет роль эмиттера, а эмиттер – коллектора. Рисунок 10. 4 - Выходные характеристики npn транзистора в прямом и инверсном включении в схеме с ОЭ Для такого включения транзистора характерно инв 1. На рис. 10. 4 показан примерный вид выходных ВАХ транзистора с ОЭ в прямом (первый квадрант) и обратном включениях (третий квадрант), откуда видно, что при инверсном включении обычный транзистор имеет меньший коэффициент передачи тока базы как в статическом, так и в динамическом режимах. Этот режим работы используется для переключающих транзисторов, для которых характерно переключение из состояния с высоким сопротивлением в состояние с низким сопротивлением. 20
Физические малосигнальные модели биполярных транзисторов • Для анализа работы транзистора в усилительных устройствах в активном режиме часто используют физические и формализованные модели транзистора при заданных значениях постоянных напряжений и токов, совокупность которых определяет режим работы транзистора по постоянному току (или так называемую «рабочую точку» ), для небольших (малых) изменений переменных токов и напряжений в окрестности этой рабочей точки. • Именно для этих малых изменений переменных и строятся малосигнальные модели транзистора. Одной из физических малосигнальных моделей является модель, основой которой является модель Эберса-Молла с двумя источниками тока, предложенная Дж. Д. Эберсом и Дж. Л. Моллом в 1954 г 21
модель Эберса-Молла Рисунок 11. 1 - Простейшая эквивалентная модель биполярного транзистора Простейшим вариантом низкочастотной модели Эберса-Молла является модель с идеальными p n -переходами и двумя источниками тока. На рис. 11. 1 представлена такая модель. Эта модель отражает принципиальную равноправность обеих переходов транзистора, что проявляется в режиме двойной инжекции, когда на переходах действуют прямые напряжения. В таком режиме каждый из переходов одновременно инжектирует носители в базу и собирает носители, дошедшие до другого перехода. Токи инжектируемых носителей обозначены, как (идеальный переход), а токи собираемых - через и (источник тока), где СТ и СТ, И - коэффициенты передачи тока при нормальном и инверсном включении. 22
модель Эберса-Молла - токи, текущие через переходы, они определяются соотношениями, выведенными в лекции 4: Рисунок 11. 1 - Простейшая эквивалентная модель биполярного транзистора - обратные тепловые токи коллектора и эмиттера соответственно. В соответствии с первым законом Кирхгофа[1] для токов эмиттера и коллектора схемы рис. 11. 1 имеем: (11. 1) Ток базы i. Б легко выразить через разность токов i. Э и i. K: [1] Первое правило Кирхгофа (правило токов Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма токов в каждом узле любой цепи равна нулю. 23
модель Эберса-Молла • Улучшение процесса протекания токов проводится за счёт дополнения простой модели Эберса-Молла другими компонентами. Рисунок 11. 3 - Эквивалентная модель транзистора, включающая в себя конденсаторы, резисторы, генераторы тока На рис. 11. 3 показана такая модель, включающая в себя объемные сопротивления полупроводников в областях эмиттера, базы, коллектора r. Э 1 , r. Б 1 , r. К 1 , а также дифференциальные сопротивления и емкости переходов r. Э , r. К , СЭ , С К. 24
Импульсные свойства транзисторов Рисунок 12. 6 - Переключение npn транзистора в схеме с ОБ. схема включения; б - входной импульс эмиттерного тока; в) соответствующий отклик коллекторного тока. После подачи импульса на эмиттерный вывод (рис. 12. 6 б) происходит включение транзистора в интервале от t=0 до t 1 (рис 12. 6 в). Вначале инжектированные электроны распространяются вглубь базы и достигают коллектора только через время з (на рис. 112. 6 не показано). После этого коллекторный ток начинает возрастать. Время, необходимое для нарастания тока до уровня 90% тока насыщения называют временем включения τвкл = τз + τф (τф= 0). В момент времени t 2 ток эмиттера снижается до нуля (рис. 12. 6 б) и начинается процесс выключения. Плотность неосновных носителей (электронов) в базе ещё большая, но в течение времени 1 падает до нуля (за счёт рекомбинации с дырками в базе). Интервал времени 1 называют временем рассасывания носителей. В момент времени t 3 плотность носителей около коллекторного перехода становится близкой к нулю и сопротивление коллекторного перехода, определяемое током через него неосновных носителей из базы возрастает. К моменту времени t 4 коллекторный ток снижается до 10% от максимального значения. Интервал времени 4 называют временим спада. 25
Частотные свойства транзисторов С повышением частоты вредное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода Cк и СК* (рис. 11. 4) Сопротивление ёмкости уменьшается, снижается ток через сопротивление нагрузки, поскольку значительная часть тока ответвляется на перезарядку емкости и, следовательно, коэффициенты усиления α и β. Сопротивление ёмкости эмиттерного перехода Cэ также снижается, однако она шунтируется малым сопротивлением перехода rэ и в большинстве случаев может не учитываться. Рисунок 11. 4 - Упрощённая Т-образная модель транзистора а) с общей базой, б) с общим эмиттером Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. 26
Частотные свойства транзисторов Рисунок 11. 7 – Эпюры эмитерного (пунктир) и коллекторного (сплошная линия) токов при трансляции эпюра коллекторного тока на интервал времени D. Для схемы с ОБ. - длительность тока в эмиттерной цепи больше, чем время движения носителей через базу; б – длительность импульса тока сравнима с временем диффузии через базу ; в) - длительность импульса тока меньше, чем время диффузии. 27
Частотные свойства транзисторов Рисунок 11. 8 - Эпюры эмиттерного (пунктирная линия) и коллекторного (сплошная линия) токов биполярного транзистора в схеме с общей базой для случая T/4 < τD Рисунок 11. 9 - Зависимость модуля коэффициента переноса (ω)| и угла фазового сдвига φα от частоты входного сигнала ω Те частоты, на которых получается снижение усиления ( и ) на 30%, называют граничными, или предельными, частотами усиления для схем с общей базой и общим эмиттером. В справочниках для транзистора, включенного по схеме ОЭ, дается частота fгр (или fт) (граничная частота), на которой коэффициент передачи базового тока становится равным 1. Кроме того, иногда приводится так называемая максимальная частота fmax – наибольшая частота, при которой транзистор способен работать в схеме автогенератора при оптимальной обратной связи. Приближенно , где K - постоянная времени цепи обратной связи. Максимальная частота определяет устойчивость усилителя на данном транзисторе к самовозбуждению на частотах f < fmax. 28
Малосигнальные модели биполярного транзистора в виде активного линейного четырехполюсника Рисунок 12. 1 - эквивалентная схема четырехполюсника для биполярного транзистора. Для анализа работы транзистора с малыми сигналами ( и в высокочастотном режиме) в окрестности рабочей точки удобным является метод с применением теории активных линейных четырехполюсников. В этом случае и сам транзистор и схема, в которой он работает могут быть представлены четырехполюсником с двумя парами входных и выходных зажимов (рис. 12. 1). Здесь важными являются такие параметры как коэффициенты передачи по току, напряжению или мощности, входное и выходное сопротивления. Их обычно определяют исходя из знания внутренних параметров четырехполюсника и его схемы замещения. Для четырехполюсников в принципе можно составить шесть систем из пар уравнений, связывающих входные и выходные токи и напряжения, коэффициентами которых являются соответствующие внутренние параметры. 29
Малосигнальные модели биполярного транзистора в виде активного линейного четырехполюсника Для биполярного транзистора удобными системами являются системы h - и у параметров. Уравнения линейного четырехполюсника в системе h - параметров имеют вид: а в системе у-параметров: где индекс 1 соответствует входной переменной, индекс 2 выходной, а значок означает малые изменения соответствующих переменных, при которых транзистор можно считать линейным элементом 30
h - параметры • Каждый h - параметр имеет определенный физический смысл. Так, параметр • h 11 - это сопротивление, через которое течет входной ток i 1 благодаря приложенному к нему напряжению u 1 ; • h 12 - это параметр обратной передачи, он определяет, какая часть выходного напряжения передается во входную цепь; • h 21 - это параметр прямой передачи тока, он показывает, как передается в выходную цепь изменение тока во входной цепи; • h 22 - это проводимость, через которую течет выходной ток в результате приложенного выходного напряжения. 31
Определение параметров в схеме замещения четырёхполюсника для биполярного транзистора • • Рисунок 12. 2 - эквивалентная схема замещения четырехполюсника для биполярного транзистора. • Система уравнений позволяет представить линейный четырехполюсник в виде эквивалентной схемы (или схемы замещения), входная цепь которой определяется первым уравнением, а выходная - вторым уравнением системы. Действительно, первое уравнение описывает в виде второго закона Кирхгофа некоторую последовательную цепь, включающую в себя сопротивление h 11 и источник напряжения uэкв = h 12 u 2. Второе уравнение системы описывает параллельную цепь в виде первого закона Кирхгофа, включающую в себя проводимость h 22 и источник тока iэкв = h 21 i 1. Таким образом, активный линейный четырехполюсник может быть представлен в виде схемы замещения, показанной на рис. 12. 2. Величины h -параметров четырехполюсника могут быть определены различными способами с помощью так называемых опытов холостого хода и короткого замыкания для переменных составляющих токов и напряжений 32
Определение h- параметров для транзистор с ОЭ • Рассмотрим определение h -параметров для транзистора с ОЭ. Здесь входными переменными являются изменения тока базы и напряжения промежутка база-эмиттер, а выходными - изменения тока коллектора и напряжения промежутка коллектор-эмиттер. Система уравнений в этом случае будет иметь вид: Опыт короткого замыкания на выходе предполагает, что uкэ = 0, при этом напряжение коллектора относительно земли равно постоянному напряжению в рабочей точке Uкэ, 0. Опыт холостого хода на входе предполагает iб = 0, при этом ток базы транзистора равен току базы в рабочей точке Iб, 0. 33
Определение h- параметров для транзистор с ОЭ h 11, э = uбэ / iб при uкэ = 0 ( см. рис. 12. 3, а), h 12, э = uбэ / uкэ при iб = 0 (см. рис. 12. 3, б), h 21, э = iк / iб при uкэ = 0 (см. рис. 12. 3, в), h 22, э = iк / uкэ при iб = 0 (см. рис. 12. 3, г). Рисунок 12. 3 - Семейство входных и выходных характеристик для схемы с ОЭ h 11 - это сопротивление, через которое течет входной ток i 1 благодаря приложенному к нему напряжению u 1 ; h 12 - это параметр обратной передачи, он определяет, какая часть выходного напряжения передается во входную цепь; h 21 - это параметр прямой передачи тока, он показывает, как передается в выходную цепь изменение тока во входной цепи; h 22 - это проводимость, через которую течет выходной ток в результате приложенного выходного напряжения 34
Эквивалентная схема транзистора с ОЭ • Транзисторы с ОЭ характеризуются сравнительно слабой зависимостью входных характеристик от напряжения коллектор-эмиттер, поэтому часто принимают h 12, Э 0. На рис. 12. 4 представлена эквивалентная схема транзистора с ОЭ, где приняты обозначения: • rбэ = h 11, э - входное сопротивление транзистора с ОЭ, • = h 21, э - коэффициент передачи базового тока в коллекторную цепь, • rкэ = 1 / h 22, э - выходное сопротивление транзистора с ОЭ. Малые изменения токов и напряжений отражены соответствующими амплитудами (индекс « m » ) при гармоническом воздействии. Рисунок 12. 4 - Эквивалентная схема транзистора с ОЭ, где h 12, Э =0 35
Параметризованная Spice – модель вертикального npn – транзистора, SЭ= 7 x 7 мкм • • • • • • • • • inline subckt npn 20 dn (C B E S) parameters le=7 u we=7 u mult=1 trise=0 + f=3. 5 u b=7 u c=5. 5 u d=21 u xje=1. 9 u + lee=(le+1. 56 u+lot_le) wee=(we+1. 56 u+lot_le) pe=(lee+wee)*2 se=lee*wee + lb=le+f+b+c+lot_lb wb=we+2*f+lot_lb pb=(lb+wb)*2 sb=lb*wb + is 0=js_vnpn*lot_js_vnpn ise 0=lot_ise*1. 585 e-11 ikf 0=3. 37 e+7 ikr 0=0. 429 e+7 isc 0=6. 82 e-6 + re 0=3. 63 e-10/lot_beta_vnpn rc 0=6. 162 e-09* lot_rs_col rb 0=447*lot_beta_vnpn rbm 0=37*lot_rs_base + irb 0=1. 703 e+5 + bf 0=beta_vnpn/lot_beta_vnpn br 0=5/lot_beta_vnpn + cje 0=4. 7 e-4 + cjesw 0=3. 5 e-9 + cjc 0=1. 28 e-4 + cjcsw 0=6. 9 e-10 + cjs 0=3. 028 e-4 + cjssw 0=2. 15 e-09 qn (C B E) npn_mod area=mult trise=trise qp (S C B) pnp_par_mod area=mult trise=trise model npn_mod bjt type=npn struct=vertical bvbe=6. 9 bvbc=30 bvce=20 bvsub=40 + is=is 0*se*lee/(lee+xje)*wee/(wee+xje) iss=0 + bf=bf 0*lee/(lee+xje)*wee/(wee+xje) nf=1. 005 vaf=101 ikf=ikf 0*se + ise=ise 0*pe ne=1. 385 br=br 0*se/sb nr=1. 007 + nc=1. 108 isc=isc 0*(sb-se) ikr=ikr 0*se var=10. 7 + rb=rb 0*lee/wee irb=irb 0*se rbm=rbm 0*lb/wb + re=(re 0/se) minr=0. 01 + rcm=(rc 0/se) rcv=0. 4*(rc 0/se+0. 01) cco=10 e+6*se dope=1. 5 e 15 cex=1. 5 + tf=4. 5 e-10 tr=9. 8 e-10 + cje=cje 0*se+cjesw 0*pe cjc=cjc 0*sb+cjcsw 0*pb + vje=0. 8 mje=0. 397 vjc=0. 8 mjc=0. 482 + tnom=22. 0 xti=6. 31 xtb=0. 592 + tre 1=0. 0017 trb 1=0. 0040 trm 1=0. 0020 trc 1=0. 0020 model pnp_par_mod bjt type=pnp struct=vertical + is=is 0*sb iss=0 bf=30 br=0. 1 rb=100 re=20 rc=100 minr=0. 01 + cjc=cjs 0*sb+cjssw 0*pb • • • simulator lang=spectre * VERTICAL NPN WITH DEEP COLle. CTOR * le emitter length * we emitter width * f base-emitter overlap * b emitter to base contact distance * c distance from edge-of-base-contact to base-end * d distance from base edge to collector edge * e buried Nplus - base overlap * xje emitter junction depth 36
Параметры транзистора • • • Основные параметры биполярного транзистора 1. Коэффициент передачи по току. 2. Входное сопротивление. 3. Выходная проводимость. 4. Обратный ток коллектор-эмиттер. 5. Время включения. 6. Предельная частота коэффициента передачи тока базы. 7. Обратный ток коллектора. 8. Максимально допустимый ток. 9. Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером. • • • В качестве основных собственных параметров принимают: коэффициент усиления по току α; сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току rэ, rк, rб, которые представляют собой: rэ — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода; rк — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода; rб — поперечное сопротивление базы. Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ: ; ; ; 37
Система обозначений транзисторов • • • • • В основу системы обозначений транзисторов, также как и полупроводниковых диодов положен буквенно-цифровой код. Первый элемент (цифра или буква) обозначают исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен транзистор: Г (или 1) - германий и его соединения; К (или 2) – кремний и его соединения; А (или 3) – соединения галлия; И (или 4) – соединения индия. Второй элемент (буква) определяет подкласс или группу транзисторов: К – биполярные транзисторы; П – полевые транзисторы. Третий элемент (цифра) определяет основные функциональные возможности транзистора: 1 – низкочастотные транзисторы малой мощности ( не более 0, 3 Вт) ; 2 - среднечастотные транзисторы малой мощности; 3 – высокочастотные транзисторы малой мощности; 4 – низкочастотные средней мощности (0, 3… 1, 5 Вт); 5 – среднечастотные средней мощности; 6 – высокочастотные средней мощности; 7 - низкочастотные транзисторы большой мощности (более 1, 5 Вт); 8 – среднечастотные большой мощности; 9 – высокочастотные большой мощности.
Система обозначений транзисторов • • • • Четвертый элемент – (число) обозначает порядковый разработки технологического типа транзистора: или двухзначные числа от 01 до 99 или трехзначные от 101 до 999. Пятый элемент (буква) условно определяет классификацию (литеру) по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии. В качестве классификационной литеры применяются буквы русского алфавита, за исключением букв З, О, Ч, Ы, Ш, Щ, Ю, Ь, Ъ, Э. Стандарт обозначений предусматривает также введение дополнительных элементов для обозначения модернизаций транзистора, приводящих к изменению его конструктивных или электрических параметров. Пример: КЕ 937 А-2 – кремниевый биполярный транзистор, высокочастотный, большой мощности, номер разработки 37, группа А, бескорпусный, с гибкими выводами на кристаллодержателе. Биполярные транзисторы, разработанные до 1964 г. и выпускаемые в настоящее время, имеют систему обозначения, состоящую из двух или трех элементов. Первый элемент – буква П (или МП), характеризующая класс биполярных транзисторов. Второй элемент – двух- или трехзначное число, определяющее порядковый номер разработки и указывает на подкласс транзистора по роду исходного полупроводникового материала, значениям допустимой рассеиваемой мощности и граничной частоты: 101 -199 – кремниевые маломощные низкочастотные; 201 -299 – германиевые мощные низкочастотные; 301 -399 – кремниевые мощные низкочастотные; 401 -499 – германиевые высокочастотные и СВЧ маломощные; 501 -599 – кремниевые высокочастотные и СВЧ маломощные; 601 -699 – германиевые высокочастотные и СВЧ мощные; 701 -799 – кремниевые высокочастотные и СВЧ мощные транзисторы. Третий добавочный элемент (буква) условно определяет классификацию по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии.
Виды транзисторов Рисунок 12. 7 - вертикальный npn транзистор ИС с изоляцией окислом Рисунок 12. 9 - Различные типы транзисторов в корпусах
Скачать презентацию БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Биполярным транзистором называется электронный прибор
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.ppt