Лекция 6
Схема замещения биполярного транзистора (эквивалентная схема).
При малых амплитудах и сигналах, воздействующих на транзистор, его можно считать линейным элементом и пользоваться следующими схемами замещения:
1
) Формальная схема замещения. Транзистор считается линейным четырехполюсником, для описания свойств которого используют одну из шести пар основных уравнений четырехполюсника. Наиболее часто используют уравнения с h-параметрами.
(входное сопротивление четырехполюсника)
(коэф-т передачи обратной связи по напряжению)
(коэф-т передачи по току)
(выходная проводимость в режиме холостого хода во входе)
1) h-параметры легко определяются по входным и выходным ВАХ
2) Они наиболее близки к физическим процессам, протекающим в
h12 – учитывает влияние напряжения на коллекторе на входное напряжение (эффект Эрли).
Формальная схема замещения транзистора составляется по уравнениям (1) и (2).
Эта схема замещения транзистора составляется по физическим моделям. Элементы физической схемы связанны с процессами, протекающими в транзисторе, причем напрямую.
Физическая схема замещения транзистора с ОБ:
Физическая схема замещения транзистора с ОЭ:
Основные параметры физической схемы замещения.
rэ,cэ— элементы, отвечающие за свойства ЭП, который обычно смещен в прямом направлении, а потому: rэ=φт/Iэ рт.
cэ— диффузионная емкость.
rб— объемное сопротивление области базы.
rк,cк— элементы, отвечающие за свойства КП, который обычно смещен в обратном направлении.
rк— учитывает наклон пологой части ВАХ.(10 5 -10 6 ом)
С повышением температуры, за счет роста Iэ0 входная ВАХ смещается влево. С ростом температуры возрастают коэффициенты диффузии и дрейфа, что ведет к росту параметров α и β, они возрастают примерно на 1% на градус.
2)Зависимость от положения рабочей точки.
Рабочие точки характеризуются постоянным напряжением и током на коллекторе и эмиттере.
Спад β при малых IК связан с необходимостью учета рекомбинации в ЭП. Спад β при больших IК связан с учетом рекомбинации в области базы.
Предельно допустимые параметры транзистора.
Это такие значения параметров, которые не должны быть превышены ни при каких режимах эксплуатации, поскольку это ведет к нарушению работоспособности транзистора или существенно ухудшает его надежность.
К предельно допустимым параметрам относятся:
1)Jkmax – приводит к расплавлению.
3)
— предельно допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе.(TK max-максимально допустимая температура КП, Tср-температура окружающей среды, Rk cp-тепловое сокр-е между коллектором и окружающей средой.
В них используется лишь один из носителей заряда (p или n). Принцип действия полевого транзистора, основан на эффекте изменения сопротивления канала, под действием поперечного электрического поля, создаваемого напряжением приложенным к выводам транзистора. Управление выходным током осуществляется электрическим полем, создаваемым напряжением, за счет изменения проводящего выходного тока. Часто полевой транзистор сравнивают с переменным сопротивлением управляемым напряжением.
Полевые транзисторы делятся на:
1) С управляющим p-n-переходом.
2) С изолированным затвором(МДП(Металл-Диэлектрик-Полупроводник), МОП(Металл-Окисел-Полупроводник)).
а)С встроенным каналом:
б)С индуктированным каналом.
Управляющим электродом у полевых транзисторов является затвор. Напряжение, приложенное к нему, позволяет управлять величиной напряжения между истоком и стоком. Большинство полевых транзисторов имеет симметричную структуру, что позволяет менять местами сток и исток.
Полевые транзисторы обладают рядом существенных преимуществ над биполярными:
1) Имеют высокое входное сопротивление. (10 6 -10 8 ом для транзисторов с управляющим p-n-переходом, 10 10 -10 12 ом –с МДП)
2) Устойчивы к воздействию ионизирующего излучения.
3) Способны работать при температурах до ≈-197 0 С.
4) Обладают малым уровнем собственного шума.
5) Имеют малую площадь, занимаемую на поверхности полупроводника, что позволяет на их основе изготавливать интегральные схемы с высокой степенью интеграции.
5.14. Эквивалентная схема биполярного транзистора
Полученные в предыдущих разделах соотношения описывают взаимосвязь входных и выходных параметров биполярного транзистора в аналитической форме. Существует и другая форма представления этой взаимосвязи в виде эквивалентных схем, когда реальные процессы в нелинейных устройствах можно заменить на набор активных (источники тока и напряжения) и пассивных (резисторы, емкости) элементов, адекватно описывающих взаимосвязь входных и выходных параметров. На основе рассмотренных характеристик представим эквивалентную схему транзистора при включении по схеме с общей базой в следующем виде. Основные пассивные элементы (сопротивления rэ,rк,rб, емкости коллекторногоСБи эмиттерногоСДпереходов), активные элементы (генератор токаIэв коллекторной цепи, источник ЭДСэкUкв эмиттерной цепи, отражающей обратную связь между эмиттером и коллектором) изображены на эквивалентной схеме (рис. 5.17).
Рис. 5.17. Эквивалентная схема биполярного транзистора в схеме с общей базой
Приведенная эквивалентная схема справедлива для рассмотрения статических характеристик биполярного транзистора, а также для рассмотрения этих характеристик в области низких частот. Эта схема называется Т-образной эквивалентной схемой, отражает основные физические процессы, происходящие в транзисторе, и удобна для их анализа (рис. 5.18).
Рис. 5.18. Эквивалентная схема биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером
Основные параметры эквивалентной схемы транзистора выражаются через конструктивно-технологические параметры следующим образом:
;
.
Величины коэффициентов ,rэ,rк,экдля биполярного транзистора лежат в пределах:
Для биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером эквивалентная схема выглядит аналогично.
5.15. Составные транзисторы. Схема Дарлингтона
Создание мощного высоковольтного транзистора, предназначенного для работы в режиме переключения и характеризующегося переходом из закрытого состояния с высоким обратным напряжением в открытое состояние с большим током коллектора, т.е. с высоким коэффициентом , имеет схемотехническое решение.
Как отмечалось в разделе 5.14, значение коэффициента характеризует качество биполярного транзистора, поскольку чем больше коэффициент, тем эффективнее работает транзистор. Коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттеромопределяется следующим соотношением:
. Для увеличения значения коэффициентанужно либо уменьшить ширину базы биполярного транзистораW, либо увеличить диффузионную длинуLp. Так как диффузионная длина
, то нужно увеличить либо подвижность носителей, либо время жизниp.Это достаточно трудно, так как необходимо использовать материалы с высокой подвижностью для электронов (например,GaAs,InP), причем только в транзисторахn‑p‑n.
Между тем имеется схемотехническое решение, когда определенным образом соединенные два биполярных транзистора имеют характеристики как для одного транзистора с высоким коэффициентом передачи эмиттерного тока. Такая комбинация получила название составного транзистора, или схемы Дарлингтона (рис. 5.19). В составном транзисторе база первого транзистораТ1соединена с эмиттером второго транзистораТ2dIэ1 = dIб2. Коллекторы обоих транзисторов соединены, и этот вывод является коллектором составного транзистора. База первого транзистора играет роль базы составного транзистораdIб = dIб1, а эмиттер второго транзистора – роль эмиттера составного транзистораdIэ2 = dIэ.
Рис. 5.19. Схема составного транзистора
Получим выражение для коэффициента усиления по току для схемы Дарлингтона. Выразим связь между изменением тока базыdIби вызванным вследствие этого изменением тока коллектораdIксоставного транзистора следующим образом:
;
;
;
.
Поскольку для биполярных транзисторов коэффициент усиления по току обычно не составляет несколько десятков (β1, β2 >> 1), то суммарный коэффициент усиления составного транзистора будет определяться произведением коэффициентов усиления каждого из транзисторов 12и может быть достаточно большим по величине.
Отметим особенности режима работы таких транзисторов. Поскольку эмиттерный ток первого транзистора Iэ1является базовым током второго транзистораdIб2, то, следовательно, транзисторТ1должен работать в микромощном режиме, а транзисторТ2в режиме большой инжекции, их эмиттерные токи отличаются на 1-2 порядка. При таком неоптимальном выборе рабочих характеристик биполярных транзисторовТ1иТ2не удается в каждом из них достичь высоких значений усиления по току. Тем не менее даже при значениях коэффициентов усиления
30 суммарный коэффициент усилениясоставит
Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статическом режиме, поэтому составные транзисторы нашли широкое применение во входных каскадах операционных усилителей. В схемах на высоких частотах составные транзисторы уже не имеют таких преимуществ, наоборот, и граничная частота усиления по току, и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов Т1иТ2.
