Глава 5. Взаимодействие двух и более электронно – дырочных переходов

Биполярные транзисторы

В современном электронном приборостроении наибольшее распространение получили транзисторы – усилительные приборы, действие которых основано на управлении движением носителей электрического заряда в полупроводниковом кристалле. Усилительные свойства транзистора объясняются наличием двух связанных цепей тока – входной и выходной – и возможностью управления током выходной цепи изменением тока входной. По характеру переноса носителей транзисторы можно разделить на два класса – биполярные (транзисторы с инжекцией носителей) и униполярные (полевые или канальные).

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей зарядов.

Транзистор имеет три области (и, соответственно, три внешних вывода): эмиттер (Э), базу (Б) и коллектор (К). Электронно – дырочный переход на границе областей эмиттер – база, называется эмиттерным, а на границе областей база – коллектор – коллекторным. Названия областей указывают на их функции в работе прибора: эмиттер создаёт поток носителей, «впрыскиваемых» в среднюю область, коллектор собирает носители, инжектированные эмиттером, а база является управляющим электродом, так как, изменяя напряжение между эмиттером и базой, можно управлять плотностью тока инжекции, а следовательно и током коллектора.

Электропроводность всех трёх областей полупроводника может быть различной – и дырочной, и электронной; соответственно существуют две возможные структуры биполярных транзисторов p – n – p и n – p – n (рис.5.1).

Рисунок 5.1. Структура транзисторов – а); распределение концентрации основных носителей – б); условное обозначение – в).

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие заключается в том, что в транзисторе с p – n – p структурой основной ток, текущий через базу, создаётся дырками, инжектированными из эмиттера, а в транзисторе с n – p – n структурой – электронами. Вообще, в работе транзистора принимают участие носители обоих знаков – и электроны, и дырки, поэтому он и называется биполярным (БПТ). Различие в обозначениях транзисторов разной структуры заключается в направлении стрелки у эмиттера (рис. 5.1 – в). Усилительные свойства транзистора обусловлены особенностями его центральной области – базы, которая должна быть, во – первых, узкой, сравнимой с

длиной свободного пробега носителей заряда (единицы мкм) и, во – вторых, иметь высокое сопротивление, т.е. малую концентрацию примеси по сравнению с концентрацией примеси как в области эмиттера, так и в области коллектора. В реальных приборах обычно концентрация примеси в эмиттерной области существенно больше концентрации примеси в коллекторной области. Размеры и форма перехода могут быть самыми различными: точечные и плоскостные, резкие и плавные, симметричные и несимметричные, гомогенные и гетерогенные.

В состоянии равновесия (при отсутствии внешних источников напряжения) оба перехода создают потенциальные барьеры с контактной разностью потенциалов Uкэ и Uкк эмиттерного и коллекторного переходов соответственно. При подключении внешних источников, в зависимости от полярности получаются различные режимы работы транзистора. Самым распространённым из трёх возможных режимов работы биполярного транзистора является активный, или усилительный режим. На рис. 5.1 приведены полярности внешних источников, обеспечивающих усилительный режим для обеих структур транзисторов. Отсюда видно, что активный режим осуществляется при прямом включении эмиттерного перехода и обратном включении коллекторного перехода.

Рисунок 5.2. Распределение токов (а) и потенциала вдоль структуры транзистора.

Рисунок 5.2 иллюстрирует распределение токов во всех областях транзистора с n – p – n структурой (а) и потенциалов вдоль структуры (б) в равновесном (пунктир) и активном (сплошная линия) состояниях. При подключении коллекторного напряжения Uк происходит обратное смещение коллекторного перехода и в коллекторной цепи появляется слабый ток. В даль -

нейшем этот ток будем называть обратным током коллектора Iкбо. Обратный ток коллектора, важнейший из параметров транзистора, представляет собой ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении коллектор – база и разомкнутом выводе цепи эмиттера.

При подключении эмиттерного напряжения Uэ происходит прямое смещение перехода эмиттер – база, и в цепи появляется ток эмиттера Iэ, который в основном определяется током диффузии. Ток диффузии эмиттера имеет две составляющие – электронную Iэn и дырочную Iэр: Iэ = Iэn + Iэр.

Если бы концентрация основных носителей в эмиттерной и базовой областях была одинакова, то эмиттерный ток состоял бы наполовину из электронов, инжектированных из эмиттера в базу, наполовину из дырок, инжектированных из базы в эмиттер. Но, так как у транзистора база бедна основными носителями (дырками проводимости), а область эмиттера, наоборот, имеет очень высокую концентрацию основных носителей (электронов проводимости), электронная составляющая тока эмиттера много больше дырочной (Iэn >> Iэр).

Дырочная составляющая замыкается через цепь базы и не участвует в создании коллекторного тока. Диффузия дырок из базы в эмиттер восполняется притоком в базу новых дырок из внешней цепи, что и определяет величину и направление дырочной составляющей тока эмиттера. Для цепи базы Iэр является одной из составляющих тока базы Iб.

Отношение называется эффективностью эмиттера. Так как дырочную составляющую стремятся сделать возможно малой, эффективность эмиттера у транзистора оказывается близкой к единице.

Электронная составляющая тока эмиттера определяется переходом электронов из эмиттере в базу. Инжектированные в базу электроны под действием диффузии, стремящиеся выровнять их концентрацию по всему объёму базы, перемещаются в направлении коллектора. Так как электрическое поле в базе транзистора, создаваемое источниками питания, относительно невелико, можно считать, что перемещение электронов от эмиттера через тонкую базу к коллектору происходит исключительно за счёт диффузии. При непрерывной инжекции (постоянном токе эмиттера) в базе устанавливается соответствующее распределение концентрации электронов, что и предопределяет их перенос через базу.

Приближаясь к обратно смещённому коллекторному переходу электроны, как неосновные (для базы) носители, переходят из базы в коллектор, увеличивая тем самым коллекторный ток. Так как электроны переходят из базы в коллектор беспрепятственно, их концентрация на границе базы и коллекторного перехода становится равной нулю.

Если увеличить прямое смещение эмиттерного перехода (увеличить ток эмиттера), то концентрация электронов около эмиттера возрастёт, а около коллектора по прежнему останется равной нулю. Поскольку при этом возрастёт градиент концентрации электронов, то ток диффузии (и ток коллектора) возрастёт. Очевидно, что при уменьшении прямого смещения эмиттерного перехода процессы пойдут в обратную сторону, т.е. коллекторный ток тоже уменьшится.

Некоторое количество электронов при своём движении через базу успевает рекомбинировать с дырками проводимости, вызывая тем самым дополнительный приток дырок в базу из внешней цепи.

Это обусловливает разделение электронной составляющей тока эмиттера:

Iэn = Iэ рек + Iкn,

где Iэ рек – рекомбинационная составляющая тока эмиттера, совпадающая по направлению с Iэр (замыкается через цепь базы); Iкn – часть тока эмиттера, замыкающаяся через коллекторную цепь.

При изготовлении транзистора базу делают тонкой и бедной основными носителями, а площадь коллекторного перехода – в несколько раз больше площади эмиттерного. При этом на коллектор попадает большинство инжектируемых электронов, движущихся под действием диффузии в направлении уменьшения своей концентрации, поэтому Iэ рек << Iкn.

Отношение

называется коэффициентом переноса.

Для оценки процессов в транзисторе на практике значительно чаще используется произведение эффективности эмиттера γ на коэффициент переноса δ: α = γδ = Iкn / Iэ. Это произведение (α) называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера, который показывает какая часть тока эмиттера замыкается через коллекторную цепь. Очевидно, что коэффициент α меньше единицы и транзистор тем лучше, чем ближе коэффициент передачи эмиттерного тока к единице.

Учитывая, что через коллекторный переход кроме диффузионного тока электронов, инжектированных эмиттером (точнее α-часть этого тока), протекает ток неосновных носителей (обратный, тепловой ток дырок), полный коллекторный ток равен Iк = α Iэ + Iкбо. (5.1). В этом соотношении первое слагаемое представляет собой управляемую часть коллекторного тока, так как его можно изменять изменением эмиттерного напряжения.. Вторая составляющая коллекторного тока не зависит от эмиттерного напряжения, потому что этот ток не проходит через эмиттерный переход. В связи с этим обратный, неуправляемый ток коллектора называют ещё начальным током коллектора.

Учитывая, что по закону Кирхгофа Iэ = Iк + Iб, преобразуем последнее выражение: Iк = α (Iк + Iб) + Iкбо. Выразим отсюда Iк = α Iб/1 - α + Iкбо/1-α. Обозначим α/1-α = β и Iкбо/1-α = Iк-эо и запишем окончательно выражение

Iк = βIб + Iк-эо, (5.2).

где β – коэффициент передачи тока базы; Iк-эо – начальный сквозной ток.

Коэффициент передачи тока базы для реальных транзисторов составляет величину от единиц до нескольких десятков (существуют транзисторы «супер бета», у которых β достигает нескольких сотен и даже тысяч), а его связь с коэффициентом передачи эмиттерного тока α приводит к тому, что незначительное изменение коэффициента α сильно изменяет коэффициент β.

Следует отметить, что коэффициент α не является строго постоянным, Он зависит от режима работы транзистора, в частности от величины тока эмиттера. При малых и больших токах α уменьшается, а при некотором среднем значении достигает максимума. В пределах рабочих значений тока эмиттера коэффициент α изменяется сравнительно мало. Эта закономерность объясняется следующими обстоятельствами. При очень малых прямых токах эмиттера в базе транзистора вследствие малого градиента концентрации электронов не создаётся условий для их быстрого переноса через базу. Поэтому в данном случае большинство электронов рекомбинирует с дырками, и слабый ток эмиттера почти целиком замыкается через базу, не достигая коллекторного перехода. При увеличении тока эмиттера создаются оптимальные условия для переноса электронов через базу и коэффициент α становится примерно равным единице. При очень больших токах эмиттера в базе накапливается большой заряд, образованный электронами, который притягивает (через цепь базы) и удерживает в базе такой же по величине положительный заряд, образуемый дырками проводимости. Поэтому, несмотря на возросшую скорость электронов, двигающихся к коллектору, вероятность их рекомбинации с дырками значительно увеличивается. Это вызывает дополнительную потерю тока эмиттера, увеличение тока базы и снижение коэффициента передачи тока эмиттера α. Всё сказанное иллюстрирует рис. 5.3, Там же приведена зависимость от режима работы транзистора

Рисунок 5.3. Зависимости коэффициентов α и β от токов в транзисторе.

 

коэффициента передачи базового тока β.

Коэффициент β изменяется в зависимости от режима работы транзистора гораздо больше, чем коэффициент α. При некотором среднем значении эмиттерного тока (следовательно, и базового тока) коэффициент β максимален, а при больших и меньших значениях тока он уменьшается, причём иногда в несколько раз.

Ток Iк-эо называют начальным сквозным током потому, что от протекает сквозь весь транзистор (через три его области и оба p – n перехода) в том случае, если отсутствует ток базы (при отключённом выводе базы). Действительно, из выражения (5.2) если Iб = 0, то Iк = Iк-эо, Сквозной ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора Iкбо, который в дальнейшем будем обозначать, как это принято на практике, Iко. Ток Iк-эо = Iко/1-α, и, зная, что α/1-α = β, нетрудно найти Iк-эо = (β + 1) Iко. А так как β >> 1, то Iк-эо ≈ β Iко.

Применяют три основные схемы включения биполярных транзисторов. В этих схемах один из электродов является общим для входного и выходного сигнала. Следует помнить, что под входом (выходом) понимают точки, между которыми действует входное (выходное) переменное напряжение. Не следует рассматривать вход и выход по постоянному напряжению.

Основные схемы включения транзисторов называются соответственно схемами с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). На рис 5. 4 схема ОЭ – а), схема с ОБ – б), схема с ОК – в). На этих ри -

Рисунок 5.4. Схемы включения биполярного транзистора.

сунках показан транзистор р – n – p структуры. Совершенно очевидно, что при использовании транзистора с n – p – n структурой схемы соединений не изменятся, а изменятся направления токов и полярности источников питания. Для указанных схем входными и выходными параметрами являются соответственно: схема с ОЭ - входной ток Iб, входное напряжение Uвх = Uбэ, выходной ток Iк, выходное напряжение Uвых = Uкэ; схема с ОБ - входной ток Iэ, входное напряжение Uвх = Uэб, выходной ток Iк, выходное напряжение Uвых = Uкэ; схема с ОК - входной ток Iб, входное напряжение Uвх = Uбк, выходной ток Iк, выходное напряжение Uвых = Uэк.

Наиболее распространённой является схема с ОЭ (рис.5.4 – а), так как она обеспечивает наибольшее усиление по мощности. Коэффициент усиления по току такого каскада представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, т.е. переменных составляющих токов коллектора и базы: k_i = Iк / Iб. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то и коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ составляет десятки единиц.

Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме с ОЭ характеризует один из главных его параметров – упомянутый ранее статический коэффициент передачи базового тока (коэффициент усиления по току), обозначенный β. Поскольку он должен характеризовать сам транзистор, то его определяют в режиме короткого замыкания нагрузки (Rн = 0), т.е. при постоянном напряжении на коллекторе; β = ΔIк / ΔIб. Как уже указывалось значение коэффициента β достигает нескольких сотен, а реальный коэффициент усиления по току k_i всегда меньше, так как при включении нагрузки коллекторный ток уменьшается.

Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитуд или действующих значений выходного и входного переменного напряжения: k_U = Uкэ / Uбэ. Напряжение база – эмиттер не превышает нескольких десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении нагрузки и напряжении источника Uкэ достигает единиц, а в некоторых случаях и десятков вольт. Поэтому коэффициент усиления по напряжению имеет значение от десятков до сотен единиц.

Отсюда следует, что коэффициент усиления по мощности k_p в схеме с ОЭ достигает сотен и тысяч, поскольку он определяется произведением коэффициентов усиления по току и напряжению: k_p = k_i k_u = Р_вых / Р_вх.

Важная величина, характеризующая транзистор – его входное сопротивление, определяемое по закону Ома. Для схемы с ОЭ Rвх = Uбэ / Iб и составляет от сотен Ом до единиц кОм, т.е. весьма невелико, что является существенным недостатком биполярных транзисторов.

Выходное сопротивление транзистора при включении его по схеме с ОЭ составляет от единиц до десятков кОм.

Аналогично можно получить рассмотренные параметры транзистора при включении его по схемам с ОБ и ОК. Для сравнения всех трёх схем их усреднённые параметры приведены в таблице ниже:

Параметр	Схема ОЭ	Схема ОБ	Схема ОК
ki	Десятки –сотни	< 1	Десятки –сотни
ku	Десятки –сотни	Десятки – сотни	< 1
kp	Сотни – десятки тысяч	Десятки – сотни	Десятки –сотни
Rвх	Сотни Ом – единицы кОм	Единицы – десятки Ом	Десятки – сотни кОм
Rвых	Единицы – десятки кОм	Сотни кОм – единицы мОм	Сотни Ом – единицы кОм
Фаза между Uвых и Uвх	180^0

Как видно из таблицы схема ОЭ обладает наибольшим усилением по мощности, которое происходит как за счёт усиления по току, так и по напряжению. Кроме того, эта схема имеет средние значения входного и выходного сопротивлений, которые зачастую приемлемы для практической реализации конкретных устройств. В результате схема с ОЭ действительно получила наибольшее распространение.

Схема с ОБ имеет неприемлемые значения входного и выходного сопротивлений, поэтому самостоятельно применяется только в случаях необходимости обеспечения повышенных требований к частотным и температурным свойствам. Она так же получила распространение в экспериментах по определению характеристик и параметров транзисторов.

Интерес представляет схема с ОК. Имея очень хорошие по сравнению с остальными схемами значения входных и выходных сопротивлений, схема с ОК нашла широкое применение в качестве согласующих, буферных каскадов. Поскольку выходное напряжение в схеме ОК по величине и по фазе практически равно входному, то её называют эмиттерным повторителем (поскольку выходной сигнал снимается с сопротивления нагрузки, включённого в цепь эмиттера (см. рис.5.4 – в).

Режим работы транзистора в любой схеме включения определяется токами и напряжениями на входе и выходе схемы. Связь меду этими параметрами устанавливается по статическим характеристикам. Для получения статических характеристик одну из четырёх величин выбирают в качестве аргумента, а другую – в качестве функции. Из оставшихся двух величин одну фиксируют (поддерживают постоянной) и она является параметром связи первых двух величин, другую – оставляют свободной (величина меняется в зависимости от аргумента, но в характеристике эти изменения не отражаются). Задавая фиксированной величине (параметру) различные значения, получают семейство статических характеристик. В общем случае говорят о семействе входных, передаточных и выходных характеристик. Входные и выходные токи и напряжения транзисторов в разных схемах включения указывались выше. Так, на рисунке 5.5 представлены входные характеристики транзистора, включённого по схеме с ОБ (а)

Рисунок 5.5. Семейство входных (а) и выходных (б) характеристик транзистора в схеме с общей базой.

 

и представляющие собой зависимость тока эмиттера от напряжения на эмиттере при фиксированном напряжении коллектора. Входная статическая характеристика при Uк = 0 (нулевая) подобна обычной характеристике полупроводникового диода, включённого в прямом направлении.

При подаче отрицательного (для транзистора р – n – p структуры) коллекторного напряжения (например, Uк = - 5В) входная характеристика смещается влево. Коллекторное напряжение, влияющее на положение входной характеристики, свидетельствует о наличии в транзисторе внутренней обратной связи. Эта обратная связь возникает в основном из-за внутреннего сопротивления базы (десятки – сотни Ом), образованного слаболегированной областью базы, которая представляет собой пластинку с относительно большой длиной и малым сечением. Это сопротивление в схеме с ОБ является общим для входной и выходной цепи.

Выходные, или коллекторные статические характеристики транзистора с ОБ представляют зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе при фиксированном эмиттерного тока (рис. 5.5 – б). Характеристики принято изображать в первой четверти (положительной) системы координат несмотря на то, что на коллектор транзистора подаётся отрицательноё напряжение. Нулевая выходная характеристика (Iэ = 0) является обычной характеристикой диода, включённого в обратном направлении. Увеличение эмиттерного тока ведёт к сдвигу выходной характеристики вверх.

Как известно, при появлении тока эмиттера ток коллектора увеличивается на величину ΔIк = αΔIэ, которую можно рассматривать как искусственно созданный дополнительный ток неосновных носителей коллекторного перехода. Поэтому на основании формулы (4.2) можно утверждать, что любая выходная статическая характеристика транзистора с ОБ представляет собой вольт – амперную характеристику полупроводникового диода, смещённую по оси обратного тока на величину Iк ≈ Iэ.

При обратно смещённом коллекторном переходе наблюдается незначительное увеличение наклона выходных характеристик при увеличении тока эмиттера и сближение этих характеристик.

Начальный участок выходных характеристик (обозначены пунктиром на рис. 5.5 – б) соответствует положительному коллекторному напряжению.

Статические характеристики транзистора, включённого по схеме с ОЭ, приведены на рис. 5.6. Они представляют собой зависимости базового тока от напряжения база – эмиттер при постоянном напряжении на коллекторе (входная) и тока коллектора от напряжения на коллекторе при постоянном токе базы (выходная).

Рисунок 5.6. Семейство входных (а) и выходных (б) характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером.

 

Входным током транзистора при данной схеме включения является ток базы. Так как эмиттер в схеме заземлён (соединён с точкой нулевого потенциала, то напряжения Uб и Uк отсчитываются относительно эмиттера, т.е. Uб = Uбэ; Uк = Uкэ.

Нулевая входная характеристика (при Uк = 0 и Uб < 0) представляет собой суммарную характеристику эмиттерного и коллекторного переходов, соединённых параллельно и подключённых к источнику в прямом направлении. При указанных значениях напряжений коллектора и базы, напряжение между ними будет положительным Uкб > 0. Это положительное напряжение, приложенное к коллекторному переходу, создаёт в коллекторной цепи ток, который по направлению противоположен обычному току коллектора. В этом случае ток коллектора отрицателен, а ток базы представляет собой сумму: Iб = Iэ – Iк = Iэ +│Iк│.

Следует обратить внимание на то, что замыкание и размыкание коллектора не может привести к существенному изменению тока базы, который в основном определяется внутренним сопротивлением области базы. Поэтому при замыкании коллектора на эмиттер (если Uб = const) происходит лишь распределение практически неизменного тока базы между коллекторной и эмиттерной цепями (обычно Iк > Iэ). Из сказанного следует, что у транзистора с ОЭ нулевая входная характеристика (Uк = 0) почти совпадает с характеристикой, снятой при Iк = 0 (на рис. 5.6 – а показана пунктирной линией). При небольшом отрицательном напряжении на коллекторе, когда│Uк│ >│Uб│ (соответственно Uкб < 0), ток коллектора меняет своё направление на обычное Iк > 0 и ток базы становится разностным Iб = Iэ – Iк. Для этого обычно бывает достаточным напряжение Uк ≈ - 1 В. Так как ток базы при данном напряжении резко уменьшается (из суммарного становится разностным), то соответствующая входная характеристика располагается значительно ниже нулевой. При дальнейшем увеличении (по модулю) коллекторного напряжения входная характеристика незначительно смещается вправо. В справочниках обычно приводятся две входных характеристики: нулевая и характеристика, снятая при Uк = - 5 В. Все остальные характеристики, снятые при │Uк│ > 1 В, незначительно отличаются от последней и практически сливаются с ней.

Выходные статические характеристики транзистора с ОЭ представляют зависимость Iк = φ (Uк) при Iб = const. Эти характеристики представлены на рис. 5.6 – б.

Нулевая выходная характеристика (обратный ток коллектор – эмиттер) проходит через начало координат и в рабочей области │Uк│≥ 1 располагается на уровне, примерно равном βIко.

В цепи база – эмиттер существует обратный ток базы и обратный ток эмиттера. Обратный ток базы – ток в цепи базового вывода при заданном обратном напряжении коллектор – эмиттер и заданном обратном напряжении эмиттер – база. Обратный ток эмиттера – ток через эмиттерный переход при заданном обратном напряжении эмиттер – база и разомкнутой цепи коллектора.

Выходные статические характеристики при Iб = const в рабочей области располагаются над нулевой на соответствующем уровне и по сравнению с выходными статическими характеристиками транзистора с ОБ имеют примерно в β раз больший наклон и более резко выраженное сближение при значительных токах базы.

Выходные статические характеристики пересекают ось ординат в точках Iк < 0. При этом величина │ Iк │ оказывается тем большей, чем больше Iб, так как увеличение Iб достигается с помощью увеличения │Uб│, что соответственно увеличивает (по модулю) и ток коллектора, текущий в обратном направлении. Начальный участок выходных характеристик транзистора с ОЭ, где Iк < 0, не имеет практического значения и поэтому в справочниках не приводится.

При смене напряжения на базе (Uб > 0) можно установить ток базы Iб = - Iко. В этом случае Iэ = 0, а Iк = Iко. Дальнейшее увеличение напряжения на базе не может привести к уменьшению (т.е. изменению) коллекторного тока, поэтому как в схеме транзистора с ОБ, так и в схеме ОЭ Iко является неуправляемым током коллекторной цепи.

Частотные свойства транзистора проявляются в ухудшении его усилительных способностей при увеличении частоты. Это происходит в основном по двум причинам.

Первая причина заключается в инерционности диффузионного процесса, обуславливающего движение дырок через базу к коллектору (для транзисторов р – n – p структуры).

Для направленного переноса частиц необходимо, чтобы их концентрация убывала в направлении переноса. Дырочный ток возле эмиттерного и коллекторного переходов пропорционален градиенту концентрации дырок в этих сечениях, т.е. пропорционален углу наклона касательной, проведённой к кривой распределения концентрации в соответствующих точках. На рис.5.7 – б пунктирными линиями показаны распределения концентрации дырок в установившемся режиме для трёх различных значений тока эмиттера: Iэ1, Iэ2, Iэ3. Пренебрегая электронной и рекомбинационной составляющими тока эмиттера и неуправляемым током коллектора, можно утверждать, что в установившемся режиме Iэ = Iк, что является следствием линейного распределения концентрации дырок в базе, при котором градиенты концентрации возле эмиттерного и коллекторного переходов одинаковы.

Рисунок 5.7. Распределении концентрации дырок в базе при медленных и быстрых изменениях тока эмиттера (- а – осциллограмма тока эмиттера; - б – распределение концентрации дырок в базе в различные моменты времени).

 

Токам эмиттера Iэ1, Iэ2, Iэ3 в установившихся режимах будут соответствовать токи коллектора Iк1 = Iэ1, Iк2 = Iэ2, Iк3 = Iэ3. Быстрое изменение тока эмиттера на Δ Iэ = Iэm = Iэ3 - Iэ2 за Δt = t2 – t1 (рис. 5.7 – а) приведут к тому, что градиент концентрации дырок возле эмиттерного перехода увеличится и будет соответствовать току Iэ3 (в точке 4 в момент t2 градиент концентрации дырок равен градиенту в точке 3, рис. 5.7 – б), а градиент концентрации дырок возле коллекторного перехода увеличится на меньшую величину, так как за относительно короткий промежуток времени Δt база не успеет заполнится необходимым количеством дырок и в ней установится нелинейное распределение концентрации, показанное линией, исходящей из точки 4.

Последующее быстрое уменьшение тока эмиттера на Δ Iэ = Iэ3 - Iэ2 за время Δt = t3 – t2 приведёт к тому, что градиент концентрации дырок возле эмиттерного перехода будет соответствовать Iэ2 (в точках 5 и 2 на рис. 5.7 – б градиент одинаков), а градиент концентрации дырок около коллекторного перехода будет большим, чем необходимо для Iк2, так как база за время Δt не успеет полностью освободиться от лишнего количества дырок и в ней не успеет установиться линейное распределение концентрации, показанное пунктирной линией, исходящей из точки 2. В промежутке времени между t2 и t3, когда ток эмиттера уже убывает, градиент концентрации дырок возле коллекторного перехода достигает максимума, но он будет меньше того, который мог бы быть в установившемся режиме при Iэ. Следовательно, Iкmax < Iк3, откуда Iкm < Iэm.

На рис. 5.7 – б показаны распределения концентрации дырок в базе для моментов времени t4 и t5 (кривые, проходящие через точки 6 и 7).Рассуждая аналогично, можно построить отрицательный полупериод переменной составляющей коллекторного тока.

Из сказанного следует, что на высокой частоте амплитуда становится меньше возможной амплитуды коллекторного тока на более низкой частоте, которая при относительно медленных изменениях примерно равна Iэm, т.е. β = Iкm / Iэm =Δ Iк / ΔIэ с увеличением частоты уменьшается. Кроме того, переменные составляющие токов коллектора и эмиттера оказываются сдвинутыми по фазе на некоторый угол (Iк отстаёт от Iэ).

На рис. 5.8 (а) показаны зависимости от частоты коэффициентов пря -

 

Рисунок 5.8. Зависимость коэффициента передачи по току транзистора от частоты, включённого по схеме с ОБ (- а) и с ОЭ (- б).

мой передачи по току транзистора, включённого по схеме с ОБ.

Та частота, на которой модуль коэффициента передачи тока падает на 3дБ (до значения 1 / √ֿ2 = 0,707) по сравнению с его низкочастотным значением, называется предельной частотой коэффициента передачи тока транзистора fα.

Пусть α = 0,99, тогда β = 100. На предельной частоте α = 0,99/ √ֿ2 = 0,7, на этой же частоте β = 0,7 / (1 – 0,7) ≈ 2,3, что соответствует уменьшению β в 100/2,3 ≈ 43 раза.

Из этого примера видно, что частотные свойства транзистора в схеме с ОЭ хуже. Предельная частота в схеме с ОЭ примерно в β раз ниже, чем в схеме с ОБ. При расчёте схем часто используется в качестве параметра граничная частота fгр, на которой модуль коэффициента прямой передачи по току транзистора с ОЭ становится равным единице (рис. 5.8 – б).

Второй причиной, ухудшающей усилительные свойства транзистора с увеличением частоты, является ёмкость коллекторного перехода Ск ≈ Сб (барьерная или зарядная ёмкость).

Ёмкость Ск включена параллельно сумме сопротивлений базы и нагрузки rб+ Rн. Справедливо считать, что шунтирующее действие ёмкости оказывается заметным, когда её сопротивление становится меньше шунтируемого, т.е. 1/ωСк ≤ rб + Rн. Если принять Rн = 0, то частотные свойства коллекторной цепи непосредственно самого транзистора могут быть оценены равенством

ωк = 1 / rб Ск или rб Ск = 1 / ωк, (5. 3.)

где ωк – круговая частота, начиная с которой следует учитывать шунтирующее действие ёмкости Ск; rб Ск – параметр транзистора, называемый постоянной времени цепи обратной связи на высокой частоте.

Чем меньше rб Ск, тем больше ωк = 2π fк, т.е. тем выше граничная частота коллекторной цепи.

У транзисторов с относительно широкой базой частотные свойства определяются в основном инерционностью диффузионного процесса, т.е. параметром β. При уменьшении толщины базы частотные свойства транзистора улучшаются. Однако эта мера эффективна лишь до определённого предела, так как с уменьшением толщины базы увеличивается её сопротивление, что ухудшает частотные свойства транзистора (см. (5. 3). Поэтому частотные свойства таких транзисторов определяются не граничной частотой, а постоянной времени коллекторной цепи rб Ск.

Следует заметить, что на этих частотах транзистор ещё может усиливать и генерировать электрические колебания. Существует некоторая максимальная частота (или частота генерации), на которой коэффициент усиления транзистора по мощности становится равным единице Кр = 1. На частотах, больших fmax, транзистор окончательно теряет свои усилительные свойства.

Кроме усилительного, транзистор широко используется в ключевом ре -

Рисунок 5.9. Осциллограммы работы транзистора в ключевом режиме.

жиме, когда он переходит из режима отсечки (минимальный ток коллектора) в режим насыщения (максимальный ток коллектора). На рис. 5.9 приведены временные диаграммы работы транзистора по схеме с ОБ в ключевом режиме. На вход транзистора подаётся управляющий сигнал в виде скачков напряжения, производящих замыкание и размыкание транзисторного ключа. В промежутке времени от 0 до t1 транзистор закрыт, ток коллектора практически равен нулю, ключ разомкнут. В момент времени t1 подаётся отпирающее напряжение и в цепи эмиттера появится ток. Ток Iэ – Iэнас = Iэизб называют избыточным током.

После возникновения тока эмиттера ток в коллекторной цепи появляется не сразу, а по истечении некоторого времени, называемого временем задержки (tзд = t2 - t1 – от момента подачи входного импульса до момента t2, когда выходной ток нарастёт до значения, соответствующего 10% его амплитуды). Это время диффузионного перемещения через базу инжектированных в неё носителей. Время задержки относительно мало и во многих случаях приближённых расчётов им пренебрегают. Ток коллектора достигает насыщения не сразу, а лишь по мере накопления базой достаточного количества неравновесных носителей (дырок), при котором в сечениях базы устанавливается требуемая величина градиента их концентрации. При этом ток коллектора возрастает примерно по экспоненте, стремящейся к уровню кажущегося тока Iк.каж = αIэ (Iк.каж – это коллекторный ток, соответствующий Iэ > Iэнас при отсутствии насыщения). Когда коллекторный ток устанавливается на уровне Iк ≈ Iк.нас, переходной процесс в коллекторной цепи заканчивается. Это происходит в момент времени t3. Разность t3 - t2 = tнр называется временем нарастания и представляет собой интервал времени между моментами нарастания фронта выходного импульса от значения, соответствующего 10% его амплитуды, до значения, соответствующего 90% его амплитуды. Интервал времени, равный сумме tвкл = tзд + t1, называется временем включения.

На рис. 5.10 показаны диаграммы распределения концентрации дырок в

Рисунок 5.10. Распределение концентрации дырок в базе транзистора при переключении.

 

базе транзистора. Для моментов времени t1, t2 и t3 соответствуют кривые 1,2 и 3.

После достижения коллекторным током значения Iк.нас переходный процесс в базе транзистора не заканчивается, так как концентрация дырок при наличии избыточного тока эмиттера продолжает некоторое время увеличиваться. Этому способствует появляющееся в режиме насыщения прямое напряжение на коллекторном переходе (Uк > 0), которое препятствует свободному прохождению дырок в коллектор и тем самым повышает их концентрацию. В момент времени t4 все переходные процессы в транзисторе заканчиваются, и в базе устанавливается распределение концентрации дырок соответственно прямой 4 на рис. 5.10 – а. Отсюда видно, что в режиме насыщения база транзистора накапливает избыточный заряд, прямо пропорциональный ёмкости (залитый участок).

Интервал времени t4 – t1 = tу называется временем установления. Он соответствует времени заряда диффузионной ёмкости эмиттерного перехода.