- •3. Биполярные транзисторы и тиристоры
- •3.1 Общие сведения о биполярном транзисторе Основные определения
- •Режимы работы транзистора
- •Схемы включения биполярного транзистора
- •Принцип работы биполярного транзистора
- •3.2. Физические процессы в биполярном транзисторе
- •3.3 Расчет токов биполярного транзистора Основные допущения идеализированной теории биполярных транзисторов
- •Составляющие токов транзистора
- •Перенос электронов из эмиттера в коллектор. Ток связи
- •Дополнительные токи переходов
- •Влияние обратного напряжения на коллекторном переходе на токи транзистора. Эффект Эрли
- •Коэффициенты передачи токов
- •3.4. Нелинейные модели биполярного транзистора Передаточная модель Эберса-Молла
- •Классическая модель Эберса - Молла
- •Модели для активного режима работы транзистора
- •3.5. Статические характеристики биполярного транзистора
- •Статические характеристики в схеме об
- •Статические характеристики в схеме оэ
- •3.6. Влияние температуры на работу биполярного транзистора
- •3.7. Пробой биполярного транзистора
Дополнительные токи переходов
Дополнительные токи переходов складываются из дырочных и рекомбинационных составляющих (см. рис. 3.11). В каждом переходе транзистора, помимо электронных, протекают и дырочные составляющие токов, обусловленные инжекцией дырок - основных носителей заряда в p-базе. Так как концентрация примеси в базе мала NАБ<<NDЭ , эти токи в десятки и более раз меньше электронных. Они могут быть рассчитаны по формулам:
(3.10)
где pnЭ и pnК - равновесные концентрации дырок в эмиттере и коллекторе соответственно. Рекомбинационные токи i' рек и i' ' рек обусловлены частичной рекомбинацией электронов, диффундирующих из эмиттера в коллектор. Скорость рекомбинации в базе (и рекомбинационные токи) пропорциональны избыточному числу неосновных носителей во всей базовой области (площадь под распределением n(x) на рис. 3.10. n(x) = n(x)- np ), или
.
(3.11)
Учитывая , что распределение
n(x)
- линейно, по формуле трапеции получим:
,
(3.12)
где
;
(3.13)
.
(3.14)
Ток i' рек(uЭП) определяется рекомбинацией электронов, соответствующих нормальной составляющей тока связи iN, а i'' рек(uКП) - инверсной iI. Дополнительные токи каждого перехода складываются из рекомбинационных и дырочных составляющих :
(3.15)
и зависят каждый от напряжения на своем переходе.
Влияние обратного напряжения на коллекторном переходе на токи транзистора. Эффект Эрли
В
соответствии с формулами 3.5 ...3.8 ток
связи перестает зависеть от обратных
напряжений при|
uКП|
>> uТ
= 26 мВ. Однако реально такая зависимость
существует, так как при увеличении
обратных напряжений ширина n-p- переходов
увеличивается, а ширина базы уменьшается.
Зависимость ширины базы от величины
обратного напряжения на коллекторе
называется эффектом модуляции ширины
базы или эффектом Эрли. (Аналогичный
эффект в эмиттерном переходе интереса
не представляет, так как на эмиттерный
переход не подают больших обратных
напряжений). На рис 3.12 показаны два
распределения n(x)
электронов в базе при двух значениях
обратного напряжения на коллекторном
переходе. Видно, что при uКП
= uКП2
ширина базы уменьшилась на величину
WБ.
При этом увеличился градиент концентрации
электронов
и,
следовательно, увеличился и ток связи,
являющийся диффузионным. Как следует
из рис. 3.12, большему обратному напряжениюuКП2
соответствует больший ток связи iЭ-К
а, следовательно, и большие токи iЭ
и iК.
Однако данный эффект в сотни раз слабее,
чем влияние прямых напряжений на
переходах, и часто не учитывается, или
учитывается приближенно. Для учета
эффекта Эрли уточняют формулу (3.6)
теплового тока транзистора I 0,
принимая:
(3.16)
где I0 - ток, определенный без учета эффекта Эрли по формуле (3.6), uА - напряжение Эрли - параметр транзистора, характеризующий величину эффекта Эрли. Обычно uА составляет десятки вольт и более. Физический смысл напряжения Эрли будет рассмотрен позднее в разделе 3.5.
Коэффициенты передачи токов
Полезный эффект в транзисторе
создается за счет передачи эмиттерного
тока из эмиттера в коллектор. Количественно
эффективность этого процесса оценивают
с помощью статического коэффициента
передачи тока эмиттера
. Введем:
приuКП
= 0. Смысл условия uКП=
0 заключается в том, что при этом
дополнительный ток коллекторного
перехода iКД
= 0, и в коллекторной цепи течет только
нормальная составляющая iN
полезного электронного тока. Тогда:
.
.
Аналогично можно ввести и инверсный
коэффициент передачи тока
I
, или
.
Отсюда
следует:
iN
+
iЭД
= iN
и
I
iI
+
I
iКД
= iI
, тогда
,
(3.17)
,
(3.18)
где:
и
-
статические коэффициенты передачи тока
базы, прямой и инверсный соответственно.
С учетом (3.17) и (3.18) формулы (3.1) удобно
представить в виде:
;
;
.
В
рассматриваемой упрощенной теории
коэффициенты
,
I
,
,
I
считаются постоянными, однако опыт
показывает, что они изменяются, как при
изменении тока связи iЭ-К
( на практике рассматривают зависимость
от тока эмиттера iЭ,
отличающегося от тока связи на несколько
процентов, но легко измеряемого), так и
от обратного напряжения на коллекторном
переходе uКП.
Типичный вид зависимостей для
показан на рис.3.13 а,б. (Коэффициент
изменяется аналогично, но его изменениями
можно пренебречь, так как
1. Пример: если
=0,99, то
=
/(1-
) =99 , а при
=0,98
=49. Таким образом, изменению
на 1% соответствует изменение
примерно в 2 раза). В области малых токов
эмиттера (рис. 3.13а, участок 1) спад
связан с рекомбинацией носителей в
самом эмиттерном переходе; в области
больших токов (участок 3) уменьшение
связано с увеличением концентрации
дырок в базе и возрастанием дырочной
составляющей тока эмиттерного перехода.
Возрастание
с увеличением обратного напряжения на
коллекторе вызвано уменьшением ширины
базы и рекомбинационных составляющих
токов.
