Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры

Биполярный транзистор. Устройство и принцип действия. Условное графическое обозначение. Режимы работы биполярных транзисторов: усилительный, отсечки, двойной инжекции, инверсный. Схемы включения с указанием полярности напряжений на электродах

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими р-n-переходами, предназначенный для усиления электрических колебаний по току, напряжению или мощности. Слово «биполярный» оз­начает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодей­ствие переходов обеспечивается тем, что они располагаются дос­таточно близко – на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка че­редования различают БТ типа п-р-п (или со структурой n-p-n) и типа р-п-р (или со структурой р-n-р).

Рисунок 1 – Конструкция n-p-n и p-n-p биполярных транзисторов и условное обозначение

БТ является асимметрич­ным прибором. Асимметрия отражается в названиях крайних об­ластей: сильнолегированная область с меньшей площадью (n⁺) называется эмиттером ( эмиттер характеризуется очень высокой степенью легирования (N_DЭ = 10 ¹⁹ - 10 ²⁰ см ^-3)), а область n – коллектором. Соответст­венно переход n⁺-р называют эмиттерным, а n-p коллектор­ным. Средняя область (p) называется базовой (или базой). WБ – ШИРИНА БАЗЫ. С учетом резкой асимметрии эмиттерного перехода он характеризуется односторонней инжекцией: поток электронов, инжектируемых из эмиттера в базу, значительно превосходит встречный поток дырок, инжектируемых из базы в эмиттер.

Рисунок 2 – Конструкция биполярного n-p-n транзистора

Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

В общем случае возможно четыре варианта полярностей напряжения переходов, определяющих четыре режима работы транзистора. Они получили названия: нормальный активный режим (усилительный), инверсный активный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение (напряжение эмиттер-база U_ЭБ), а на коллекторном переходе – обратное (напряжение коллектор-база U_КБ).

Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение U_КБ, а на эмиттерный – обратное U_ЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом (ИАР) Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллектор­ном переходах являются прямыми одновременно, называют режи­мом двухсторонней инжекции (РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют ре­жимом отсечки (РО), так как в этом случае через переходы протекают ма­лые токи.

 

Рисунок 4 – Связь режимов БТ с включением переходов

Основные физические процессы На примере схемы с ОБ для p-n-p-транзистор. В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение U_эб. Поэтому прямой ток перехода

I_Э = I_Эp + I_Эn +I_Эрек

где I_Эp, I_Эn – инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а I_Эрек – составляющая тока, вызванная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера.

Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается ко­эффициентом инжекции эмиттера, который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составля­ет полезный компонент. В случае пренебрежения током I_Эрек:

Инжектированные дырки повышают концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е. вызывают появление градиента концентра­ции дырок – неосновных носителей базы. Этот градиент обусловли­вает диффузионное движение дырок через базу к коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться ре­комбинацией части потока дырок.

Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэф­фициентом переноса æ_Б:

æ_Б

Полный ток коллектора

I_K = I_Kp + I_КБ0 = α I_Э + I_КБ0 ,

где ток за коллекторным переходом I_Kp= α I_Э, I_КБ0 - обратный ток перехо­да.

Отношение дырочной составляющей коллекторного тока к пол­ному току эмиттера называют статическим коэффициентом пере­дачи тока эмиттера - α.

Обычно ра­бочие токи коллектора I_K значительно больше I_КБ0, поэтому

α ≈ I_K/I_Э.

Связь тока базы с током эмиттера

I_Б = (1 –α )I_Э – I_КБ0

Связь I_K с I_Б:

где

– статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение α обычно близко к единице, то β может быть очень большим (β >> 1).

В схеме с ОБ отсутствует усиление по току, но можно получить усиление по напряжению. Недостатком схемы с ОБ является малое входное сопротивление Rвх.об, которое соответствует дифференциальному сопротивлению прямо смещенного эмиттерного p - n -перехода:

((φ_т) – тепловой потенциал) что составляет несколько десятков ом. Поэтому чаще применяется схема включения транзистора с общим эмиттером.

 

Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры

Схема замещения БТ для режима малого сигнала применяется для расчета режима по переменному току. При анализе усилительных свойств устройства работоспособность которого обеспечена выбором необходимых токов и напряжений используют эквивалентные схемы для переменного тока (рисунок 16).

Рисунок 16 – Малосигнальная эквивалентная схема транзистора при включении по схеме с ОБ

Так как значения напряжений и токов переменного сигнала обычно значительно меньше, чем постоянного, то такие эквивалентные схемы называют малосигнальными. Все сопротивления, входящие в эквивалентную схему – дифференциальные, за исключением омического сопротивления базы r_б^\.

При анализе устройств, в состав которых входит транзистор, используют эквивалентные схемы транзистора для переменного тока. Так как амплитуды колебаний напряжений и токов обычно значительно меньше, чем постоянные величины, такие схемы замещения называют малосигнальными. Параметры элементов схемы замещения – дифференциальные. Транзистор представляют активным четырехполюсником, который имеет два входных и два выходных вывода во внешнюю цепь. Для малых сигналов четырехполюсник описывается системой линейных уравнений. Из четырех переменных (входной и выходной токи ∆ I 1 и ∆ I 2, входное и выходное напряжения ∆ U 1 и ∆ U 2) две переменные являются независимыми, а две другие их функциями. Рассмотрим схемы замещения и их математические модели транзистора в схеме с ОЭ.

Из входных характеристик видно, что для малых приращений тока базы и напряжения база-эмиттер входную цепь можно представить дифференциальным входным сопротивлением:

(1)

 

Выходная цепь может быть описана уравнением дифференциала тока коллектора:

(2)
Для транзисторов чаще используют математическую модель с h -параметрами, в которой аргументами являются входной ток ∆ I 1 и выходное напряжение ∆ U 2, а зависимыми величинами – входное напряжение ∆ U 1 и выходной ток ∆ I 2.

h -параметры удобны для измерения. Система уравнений, показывающая связь указанных величин, имеет вид:

,

где – входное сопротивление при коротком замыкании на выходе (∆ U ₂ = 0);

– коэффициент обратной связи при холостом ходе на входе (∆ I ₁ = 0);

– коэффициент передачи по току при коротком замыкании на выходе (∆ U ₂ = 0);

– выходная проводимость при холостом ходе на входе (∆ I ₁ = 0).

 

 

Применительно к биполярному транзистору в схеме с ОЭ в обозначениях h -параметров ставится индекс «э»:

Сравнивая h-параметры системы с дифференциальными параметрами физической модели можно найти соответствия:

, , .