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).

Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru

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 = 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.

Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru

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 UЭБ), а на коллекторном переходе – обратное (напряжение коллектор-база UКБ).

Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение UКБ, а на эмиттерный – обратное UЭБ. 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.

Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru

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 Uэб. Поэтому прямой ток перехода

IЭ = IЭp + IЭn +IЭрек

где IЭp, IЭn – инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а IЭрек – 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 IЭрек:

Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru

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 æБ:

æБ Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru

Полный ток коллектора

IK = IKp + IКБ0 = α IЭ + IКБ0 ,

где ток за коллекторным переходом IKp=α IЭ, IКБ0 - обратный ток перехо­да.

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

Обычно ра­бочие токи коллектора IK значительно больше IКБ0, поэтому

α ≈ IK/IЭ.

Связь тока базы с током эмиттера

IБ = (1–α)IЭ –IКБ0

Связь IK с IБ:

Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru

где

Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru

– 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:

Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru

((φт) – 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).

Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru

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 rб\.

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 ∆I1 и ∆I2, входное и выходное напряжения ∆U1 и ∆U2) 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:

Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru (1)

Выходная цепь может быть описана уравнением дифференциала тока коллектора:

Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru

(2)
Для транзисторов чаще используют математическую модель с h-параметрами, в которой аргументами являются входной ток ∆I1 и выходное напряжение ∆U2, а зависимыми величинами – входное напряжение ∆U1 и выходной ток ∆I2.

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

Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru

Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru ,

где Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru – входное сопротивление при коротком замыкании на выходе (∆U2=0);

Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru – коэффициент обратной связи при холостом ходе на входе (∆I1=0);

Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru – коэффициент передачи по току при коротком замыкании на выходе (∆U2=0);

Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru – выходная проводимость при холостом ходе на входе (∆I1=0).

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

Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru

Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru

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

Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru , Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru , Схема замещения БТ для режима малого сигнала. Область применимости. Дифференциальные параметры БТ и H – параметры - student2.ru .

Наши рекомендации