Биполярные транзисторы. 3. Биполярные транзисторы и тиристоры 1 Общие сведения о биполярном транзисторе Основные определения Биполярным транзистором
 Скачать 364.5 Kb.
|
|
Модели для активного режима работы транзистора Рассмотренные выше нелинейные модели транзистора справедливы для любого режима работы. Однако, для наиболее важного активного режима они могут быть существенно упрощены: Во-первых, можно исключить элементы, описывающие инверсную составляющую тока связи (генератор I i2). Во-вторых, в качестве одного из аргументов целесообразно рассматривать входной ток транзистора (ток эмиттера в схеме с ОБ и ток базы в схеме ОЭ), так как сопротивление открытого эмиттерного перехода мало, и внешняя цепь по отношению к транзистору в большинстве случаев может рассматриваться как генератор входного тока.  Рассмотрим транзистор в схеме с ОБ, работающий в активном режиме (рис.3.16). Если разорвать цепь эмиттера, то под действием обратного напряжения на коллекторе через коллекторный переход из коллектора в базу будет протекать обратный ток IКБ0. Его величина приводится в справочных данных транзистора. Подчеркнем, что ток IКБ0 следует именно измерять, так как аналитически оценить все составляющие обратного тока невозможно (если использовать формулу, связывающую IКБ0 и IКБК, получаемую из уравнений Эберса - Молла, то получится очень большая ошибка). Таким образом, при iЭ =0 , iК= IКБ0. Если теперь замкнуть цепь эмиттера, то появится ток iЭ=EЭ/RЭ (задаваемый внешней цепью). Ток эмиттера будет передаваться в коллектор с коэффициентом . В результате получим: iК = iЭ+IКБ0 . (3.24) Напряжение на эмиттерном переходе можно вычислить с помощью (3.21). Пренебрегая малыми тепловыми токами, получаем:  . (3.25)Э  квивалентная схема транзистора для активного режима приведена на рис. 3.17. В схему добавлено сопротивление тела базы rБ. Отметим, что в практических расчетах прямое напряжение uЭП часто считают не зависящим от тока эмиттера (при изменении тока эмиттера в 10 раз напряжение на эмиттерном переходе изменяется на 60 мВ) и принимают uЭП U*, где U* - пороговое напряжение перехода. Для кремниевых транзисторов U* 0,6-0,8 В. Током IКБ0 для кремниевых транзистором пренебрегают.Для включения с ОЭ (рис.3.18) в качестве входного тока рассматривается ток базы. Учитывая что iЭ= iК+iБ, исключим ток iЭ из выражения (3.24) iК = ( iК+iБ)+IКБО , тогда  . (3.26)IКЭ0 КБ0 - называется сквозным тепловым током транзистора. Это ток между эмиттером и коллектором при оборванном выводе базы. Для вычисления напряжения на эмиттерном переходе используем (3.25). Считая, что iБ (1- iЭ), получим:  . (3.27)Эквивалентная схема для включения с ОЭ приведена на рис.3.19.
3.5. Статические характеристики биполярного транзистора Как уже отмечалось в п. 3.1, транзистор в электрических схемах используется в качестве четырехполюсника, характеризующегося четырьмя величинами: входным и выходным напряжениями и входным и выходным токами ( uВХ, uВЫХ, iВХ, iВЫХ). Функциональные зависимости между этими величинами называются статическими характеристиками транзистора, Чтобы установить функциональные связи между указанными величинами, необходимо две из них взять в качестве независимых переменных, а две оставшиеся выразить в виде функций этих независимых переменных. Как правило, применительно к биполярному транзистору в качестве независимых переменных выбирают входной ток и выходное напряжение. В этом случае входное напряжение и выходной ток выражаются следующим образом:   На практике удобнее использовать функции одной переменой. Для перехода к таким функциям необходимо вторую переменную, называемую в этом случае параметром характеристики, поддерживать постоянной. В результате получаются четыре типа характеристик транзистора:
 ; (3.31)
 ; (3.32)
 ; (3.33)
 . (3.34) Статические характеристики транзистора могут задаваться соответствующими аналитическим выражениями, а могут быть представлены графически. Несколько характеристик одного типа, полученные при различных значениях параметра, образуют семейство характеристик. Семейства входных и выходных характеристик транзистора считаются основными и приводятся в справочниках, с их помощью легко могут быть получены два других семейства характеристик. В различных схемах включения транзистора в качестве входных и выходных токов и напряжений выступают токи, протекающие в цепях различных электродов, и напряжения, приложенные между различными электродами. Поэтому конкретный вид статических характеристик зависит от схемы включения транзистора. Рассмотрим статические характеристики транзистора в наиболее распространенных схемах ОБ и ОЭ. Статические характеристики в схеме ОБ В схеме с ОБ (см. рис. 3.3,а) входным током является ток эмиттера iЭ, а выходным - ток коллектора iК, соответственно, входным напряжением является напряжение uЭБ, а выходным - напряжение uКБ. Входная характеристика в схеме ОБ представляет собой зависимость  .Однако, реально в справочниках приводится обратная зависимость  .Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n-транзистора приведено на рис. 3.20. Выражение для идеализированной входной характеристики транзистора в активном режиме имеет вид: С  ледует отметить, что в выражении (3.35) отсутствует зависимость тока iЭ от напряжения на коллекторном переходе uКБ. Реально такая зависимость существует и связана она с эффектом Эрли. Как показано в п. 3.3, при увеличении обратного напряжения uКБ. сужается база транзистора , в результате чего несколько увеличивается ток эмиттера iЭ. Увеличение тока iЭ с ростом uКБ. отражается небольшим смещением входной характеристики в сторону меньших напряжений uЭБ. - см. рис. 3.20. Режиму отсечки формально соответствует обратное напряжение uЭБ.>0 , хотя реально эмиттерный переход остается закрытым ( iЭ 0) и при прямых напряжениях uЭБ меньших порогового напряжения.Выходная характеристика транзистора в схеме ОБ представляет собой зависимость  .Семейство выходных характеристик n-p-n-транзистора приведена на рис. 3.21. Выражение дляидеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид: iК =· iЭ+ IКБ0. (3.36) В  соответствие с этим выражением ток коллектора определяется только током эмиттера и не зависит от напряжения uКЭ. Реально (см. рис. 3.21) имеет место очень небольшой рост iК при увеличении обратного напряжения uКБ, связанный с эффектом Эрли. В активном режиме характеристики практически эквидистантны (расположены на одинаковом расстоянии друг от друга), лишь при очень больших токах эмиттера из-за уменьшения коэффициента передачи тока эмиттера эта эквидистантность нарушается, и характеристики несколько приближаются друг к другу. При iЭ= 0 в цепи коллектора протекает тепловой ток ( iК= IКБ0). В режиме насыщения на коллекторный переход подается прямое напряжение uКБ, большее порогового значения, открывающее коллекторный переход. В структуре транзистора появляется инверсный сквозной поток электронов, движущийся из коллектора в эмиттер навстречу нормальному сквозному потоку, движущемуся из эмиттера в коллектор. Инверсный поток очень резко увеличивается с ростом uКБ. , в результате чего коллекторный ток уменьшается и очень быстро спадает до нуля - см. рис. 3.21. Статические характеристики в схеме ОЭ В схеме с общим эмиттером (см. рис. 3.3,б) входным током является ток базы iБ, а выходным - ток коллектора iК, соответственно, входным напряжением является напряжение uБЭ, а выходным - напряжение uКЭ. Входная характеристика в схеме ОЭ представляет собой зависимость  .Однако, реально в справочниках приводится обратная зависимость  .Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n-транзистора приведено на рис. 3.22. Выражение для идеализированной входной характеристики в активном режиме имеет вид:  , (3.37)где uБЭ - прямое напряжение на эмиттерном переходе. Так же, как и в схеме ОБ, входная характеристика имеет вид, характерный для прямой ветви ВАХ p-n-перехода (см. рис. 3.22). однако, входной ток iБ здесь в ( + 1) раз меньше, чем в схеме ОБ. Экспоненциальный рост тока базы при увеличении uБЭ связан с увеличением инжекции электронов в базу и соответствующим усилением их рекомбинации с дырками. В выражении (3.37) отсутствует зависимость тока iБ от напряжения uКЭ. Реально эта зависимость имеет место, она связана с эффектом Эрли. Как показано в гл. 3, с ростом обратного напряжения на коллекторном переходе сужается база транзистора, в результате чего уменьшается рекомбинация носителей в базе и, соответственно, уменьшается ток базы. Снижение тока базы с ростом uКЭ отражается небольшим смещением характеристик в область больших напряжений uБЭ - см. рис. 3.22.При uКЭ< uБЭ открывается коллекторный переход, и транзистор переходит в режим насыщения. В этом режиме вследствие двойной инжекции в базе накапливается очень большой избыточный заряд электронов, их рекомбинация с дырками усиливается, и ток базы резко возрастает - см. рис. 3.22.
Выходная характеристика в схеме ОЭ представляет собой зависимость  . Семейство выходных характеристик n-p-n-транзистора приведено на рис. 3.23. Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид:  . (3.38)Особенностью выходной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером по сравнению с характеристикой в схеме с общей базой, является то, что она целиком лежит в первом квадранте. Это связано с тем, что в схеме ОЭ напряжение uКЭ распределяется между обоими переходами, и при uКЭ< uБЭ напряжение на коллекторном переходе меняет знак и становится прямым, в результате транзистор переходит в режим насыщения при uКЭ >0 (cм. рис. 3.23). В режиме насыщения характеристики сливаются в одну линию, то есть ток коллектора не зависит от тока базы. Так же, как и в схеме ОБ, идеализированная характеристика в активном режиме не зависит от напряжения uКЭ. Реально имеет место заметный рост тока iК с ростом uКЭ (см. рис. 3.23), связанный с эффектом Эрли. Этот рост выражен значительно сильнее, чем в схеме ОБ в связи с более резкой зависимостью от напряжения на коллекторном переходе коэффициента передачи тока базы по сравнению с коэффицентом передачи тока эмиттера . Также более резкой зависимостью от тока эмиттера и, соответственно, от тока базы объясняется практическое отсутствие эквидистантности характеристик. При iБ=0 в цепи коллектора протекает ток iКЭ0= iБЭ0. Увеличение тока в раз по сравнению со схемой ОБ объясняется тем, что в схеме ОЭ при iБ=0 и uКЭ >0 эмиттерный переход оказывается несколько приоткрыт напряжением uКЭ, и инжектируемые в базу электроны существенно увеличивают ток коллектора. 3.6. Влияние температуры на работу биполярного транзистора Влияние температуры на работу биполярного транзистора обусловлено тремя физическими факторами: уменьшением потенциальных барьеров в переходах, увеличением тепловых токов переходов и увеличением коэффициентов передачи токов с ростом температуры. Уменьшение потенциального барьера К с ростом температуры также, как и в изолированном переходе, (см. раздел 2) приводит к усилению инжекции, в результате чего увеличивается входной ток транзистора. На рис. 3.24 приведены входные характеристики транзистора в схеме с общей базой, полученные при различных температурах (заметим, что входные характеристики в схеме ОЭ при различных температурах выглядят аналогично и отличаются лишь масштабом по оси токов так как iК >>iБ. Как видно из рисунка 3.24, увеличение входного тока с ростом температуры эквивалентно смещению характеристики в сторону меньших входных напряжений. Это смещение описывается температурным коэффициентом напряжения  , который составляет для кремниевых транзисторов = - 3 мВ/град. В расчетах транзисторных схем часто используют кусочно-линейную аппроксимацию входных характеристик. На рис. 3.24,б приведены идеализированные аппроксимированные характеристики без учета влияния сопротивления тела базы rБ. Как видно из рисунка при rБ =0 характеристики проходят вертикально и напряжение на переходе равно пороговому - uЭБ = U*. Изменение этого напряжения с температурой также описывается коэффициентом . Увеличение тепловых токов переходов с ростом температуры, подробно рассмотренное в разделе 2, описывается приводимыми в справочниках температурными зависимостями токов IКБ0, IЭБ0. Типовые зависимости токов IКБ0 и IЭБ0 от температуры для кремниевого маломощного транзистора приведены на рис. 3.25.
Использование логарифмического масштаба по оси ординат позволило представить экспоненциальную зависимость токов от температуры в линейном виде. Как видно из рисунка, в рабочем интервале температур транзистора (-60 ...+ 80 C) токи IКБ0 и IЭБ0 могут изменяться на 1...2 порядка. Следует заметить, что отмеченный рост тепловых токов заметно сказывается на выходных характеристиках лишь германиевых транзисторов, что связано с относительно большой величиной самих тепловых токов. В кремниевых транзисторах тепловые токи очень малы, поэтому их изменение с температурой не оказывает заметного влияния на характеристики. Увеличение коэффициента передачи тока эмиттера и тока базы с ростом температуры обусловлено ростом времени жизни электронов в базе (см. раздел 1) и соответствующим ослаблением их рекомбинации с дырками. На рис. 3.26 приведены типичные температурные зависимости коэффициентов и , нормированных к значениям, полученным при комнатной температуре ( t =20 C). Из рисунка видно, что если изменение с температурой выражено очень слабо (в рабочем интервале температур оно не превышает нескольких процентов), то изменение может достигать нескольких сотен процентов.  Сказанное выше иллюстрируют приведенные на рис. 3.27 выходные характеристики транзистора в схемах ОБ и ОЭ, полученные при различных температурах. Как видно из рисунка, увеличение температуры приводит к смещению (дрейфу) характеристик в сторону более высоких токов коллектора. При этом в схеме ОБ при фиксированном токе эмиттера iК= iЭ температурный дрейф характеристик выражен довольно слабо, что объясняется слабой температурной зависимостью коэффициента передачи тока эмиттера - см. рис 3.26. У характеристик для схемы ОЭ, снимаемых при iБ =const, в связи с сильной температурной зависимостью коэффициента передачи тока базы температурный дрейф очень велик - изменение тока коллектора iК= iБ может достигать несколько десятков и даже сотен процентов. Температурная нестабильность характеристик транзистора в схеме ОЭ требует специальных мер по стабилизации рабочей точки. На рис. 3.27 приведены три типовые схемы задания режима работы транзистора по постоянному току. В схеме, приведенной на рис 3.27,а внешние элементы задают ток базы  .Отсюда можно записать выражение для расчета коллекторного тока:  . (3.39)Оценим изменение тока IК при изменении температуры на 20 С. Будем полагать EК=10 В, RБ=100 кОм, (20 С)=100, U*(20 С)=0.7В и IКЭ0(20 С)=5мкА, откуда IК(20 С )=100 · 10/10 5-100 · 0.7/10 5+5 · 10 -6= =9.305 мА. Будем также считать, что изменение при изменении температуры на 20 С составляет 50%, изменение U* определяется коэффициентом = -2 мВ/град , изменение IКЭ0 определяется температурой его удвоения T* = 5 С. Тогда несложно определить значения , U* и IКЭ0 при t =40 С: (40 С) =1,5 ·100=150, U*(40 С)=0,7-20 ·2 ·10 -3=0,66 В и IКЭ0( 40 С)=2 4 ·5 ·10 -6=160 мкА. Тогда ток IК ( 40 С)=150·10/10 5-150 ·0,66/10 5+160·10 -6=14,17 мА, то есть ток IК изменился на 52,3 % и основной вклад в это изменение внес коэффициент передачи тока базы . Расчет показывает, что эта схема обладает низкой температурной стабильностью. В схеме, приведенной на рис. 3.28,б, внешние элементы задают ток эмиттера  и  .Таким образом, в этой схеме обеспечивается высокая температурная стабильность (как в схеме ОБ), правда достигается она за счет использования дополнительного источника питания. Следует заметить, что указанная схема представляет собой по переменному току - схему ОЭ, а по постоянному току - схему ОБ. Третья схема (см. рис. 3.28,в) занимает промежуточное по термостабильности положение между двумя первыми схемами. В этой схеме фиксируется напряжение uБЭ и при рациональном выборе RБ1,RБ2 и RЭ температурная стабильность всего в 2 - 3 раза хуже, чем во второй схеме.  |
