Лекция 13 микроэлектроника. 6 Дифференциальные параметры биполярного транзистора
![]()
|
6.4. Дифференциальные параметры биполярного транзистора
Основными величинами, характеризующими параметры биполярного транзистора являются коэффициенты передачи тока эмиттера и базы, сопротивление эмиттерного ( ![]() ![]() ![]() Дифференциальным коэффициентом передачи тока эмиттера равен:
где ![]() ![]()
![]()
![]() С увеличением постоянного тока эмиттера база транзистора заполняется носителями и эффективность эмиттера падает. С ростом тока эмиттера величина коэффициента передачи α вначале растет в результате увеличения коэффициента переноса, а затем падает, что объясняется уменьшением коэффициента инжекции эмиттерного перехода γ. Зависимость коэффициента передачи транзистора от напряжения на коллекторе определяется изменением ширины базы, а также лавинным умножением носителей в ОПЗ коллекторного перехода. Расширение ОПЗ происходит за счет уменьшения ширины базы, при этом коэффициенты γ и ![]() Коэффициент передачи транзистора с учетом лавинного умножения определяется соотношением ![]() ![]()
Коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером:
Зависимости коэффициента передачи тока базы от тока эмиттера и напряжения на коллекторном переходе представлены на рис. 6.24.
Спад β в области малых токов эмиттера (область 1) обусловлен рекомбинацией носителей заряда в ОПЗ эмиттера, а спад в области больших токов (область 3) – уменьшением коэффициента инжекции. Зависимость β от напряжения на коллекторном переходе обусловлено расширение ОПЗ в область базы (эффектом Эрли), при больших напряжениях дополнительное возрастание β связано с явлением лавинного размножения носителей в ОПЗ коллекторного перехода. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода определяется по формуле:
Оценим значение этого сопротивления в режиме ОБ.
Пусть Iэ=1 мА, Т=300 К, φТ=0,026 В, Rэ=26 Ом. Сопротивление эмиттера с ростом тока эмиттера уменьшается по гиперболическому закону. Зависимость ![]() Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода определяется по формуле:
![]() Дифференциальное сопротивление коллектора в схеме с ОЭ rкОЭ*=rкОБ/(1+β) сопротивление коллектора падает за счет умножения носителей в ОПЗ коллекторного перехода, оно в десятки раз меньше, чем rкОБ Коэффициентом обратной связи:
Удобство физических параметров заключается в том, что они позволяют наглядно представить влияние конструктивно технологических параметров транзистора на его эксплуатационные характеристики. Так, например, уменьшение степени легирования базы или ее толщины должны приводить к росту rб и, соответственно, к увеличению обратной связи в транзисторе. К недостаткам физических параметров следует отнести то, что их нельзя непосредственно измерить и значения для них получают пересчетом из других параметров. 6.4.1 Температурная зависимость параметров биполярных транзисторовИзменение характеристик транзисторов аналогична изменению характеристик диодов: с ростом температуры увеличивается тепловой потенциал ( ![]() Параметры полупроводниковых приборов, связанные с удельным сопротивлением, концентрацией, подвижностью и временем жизни носителей меняются при изменении температуры. Это ограничивает температурный диапазон приборов. Сопротивление базы определяется электропроводностью исходного материала:
где ![]() ![]() Дифференциальное сопротивление эмиттера pnp-транзистора определяется соотношением:
то есть линейно растет с увеличением температуры. При величинах тока эмиттера, сравнимых с величиной ![]() ![]() Сопротивление коллектора в диапазоне от -50 до + 50 оС растет, так как для этого диапазона характерно увеличение подвижности носителей (по механизму рассеяния на ионах примеси). Коэффициент передачи α с ростом температуры увеличивается, что в первую очередь связано с увеличением диффузионной длины дырок. Температурная зависимость коэффициента передачи β связана в первую очередь с возрастанием времени жизни неосновных носителей заряда в базе транзистора с ростом температуры. Для большинства биполярных транзисторов коэффициент β увеличивается по степенному закону ![]() 6.5 Работа транзистора в импульсном режимеБиполярные транзисторы, включенные по схеме с ОЭ, широко используются в качестве ключевого элемента переключающих электронных схем (рис. 6.26) и для усиления импульсных сигналов (рис. 6.27). При работе в качестве ключа основное назначение транзистора состоит в замыкании и размыкании цепи нагрузки с помощью управляющих входных сигналов. При усилении импульсных сигналов транзистор может работать в режиме малого и большого сигнала. По аналогии с механическим ключом (контактом) качество транзисторного ключа определяется минимальным падением напряжения на нем в замкнутом состоянии, минимальным током в разомкнутом состоянии, а также скоростью перехода из одного состояния в другое.
Нагрузка Rн включена в коллекторную цепь, а управляющие импульсы поступают на вход транзистора через сопротивление Rб. В зависимости от сочетания величин и полярности приложенных напряжений рабочая точка транзистора, работающего в ключевом режиме, может находиться в четырех областях: области отсечки I, активной области II, области насыщения III и области лавинного умножения IV. В области I оба перехода заперты (режим отсечки). В области II реализуется режим усиления: эмиттерный переход инжектирует неосновные носители в базу (прямое смещение), а коллекторный переход заперт (обратное смещение). В области III оба перехода оказываются прямо смещенными и инжектируют носители тока в базу. Область IV является областью лавинного умножения. Если провести на характеристиках линию нагрузки Rн и если UБ=0 (IБ=0), то в коллекторе протекает начальный ток Iкэ0 и рабочая точка находится в точке А. Из-за малой величины Iкэ0 можно считать, что коллектор находится под полным напряжением ЕК. Такое состояние ключа называется разомкнутым. Если увеличить UБ (IБ), то рабочая точка перемещается от А по линии Rн в направлении точки К. При некотором значении IБ рабочая точка совпадает с точкой М. Тогда ток коллектора будет определяться величинами ЕК. и Rн, так как падением напряжения на транзисторе можно пренебречь: ![]() Схема простейшего усилительного каскада на транзисторе, включенном по схеме ОЭ, приведена на рис. 6.28.
Переменное напряжение еГ воздействует на сквозной поток электронов, движущихся из эмиттера в коллектор. В результате этого воздействия коллекторный ток приобретает переменную составляющую iК, которая благодаря очень высокой эффективности управления может быть значительной даже при очень маленькой величине еГ. При протекании тока коллектора через нагрузочный резистор на нем выделяется напряжение, также имеющее переменную составляющую uвых=iКRн. Это выходное переменное напряжение при достаточно большом сопротивлении Rн может значительно превосходить величину входного переменного напряжения uвх: ![]() ![]() |