Выходные характеристики в схеме с общим эмиттером

Рассмотрение распределения концентрации электронов п(х) в базе (рис. 4.15, а) позволяет объяснить выходные характеристики в схеме с ОЭ (рис. 4.15, 6). При этом следует иметь в виду, что в схеме с ОЭ напряжение на коллекторном перехо­де равно .

Когда икб > иэб в транзисторе существует активный режим, в котором коллектор­ное напряжение слабо влияет на токи (кривые 1, 2, 3). При икб < иэб открывает­ся коллекторный переход и концентрация в сечении x’p возрастает (кривая 4), что ведет к снижению градиента концентрации в этом сечении и снижению тока кол­лектора. При некоторой величине напряжения икэ (кривая 5) градиент концент­рации в сечении х'р становится равным нулю. При дальнейшем уменьшении на­пряжения ык:, градиент меняет знак, и ток коллектора становится отрицательным. При икэ = 0 (кривая 6) напряжение uK= ибэ, в этом случае п(х'р) = п(хр), градиен­ты концентрации в сечениях хр и х'р одинаковы по абсолютной величине, но про­тивоположны по знаку, следовательно, ток iK равен току iэ, но имеет противопо­ложное направление. Внешне зависимости токов от напряжения мкэ выглядят так же, как зависимости токов от напряжения икб. Различие состоит лишь в том, что они сдвинуты вправо на величину напряжения ибэ.

Во второй системе характеристик при изменении напряжения икэ, должен сохра­няться постоянным входной ток iK, определяемый площадью под графиком п(х), что возможно при условии увеличения напряжения ибэ. На рис. 4.16 кривые 1 и 2 соответствуют постоянству входного напряжения, а кривые 1 и 3 — постоянству тока базы. Нетрудно установить, что при постоянстве тока базы выходная харак­теристика в активном режиме идет круче, чем при постоянстве напряжения ибэ.

Семейство выходных характеристик при различных значениях iб показано на рис. 4.17. В области активного режима наклон характеристик больше, чем в схеме с ОБ. В области режима насыщения они сливаются и проходят очень круто. Фор­мально границей раздела активного режима и режима насыщения является условие икэ = ибэ Это напряжение для кремневых транзисторов составляет около 0,7 В.

Пока прямое напряжение невелико, градиент концентрации в сече­нии х'р изменяется незначительно при изменении икэ, поэтому ток iK несуществен­но отличается от тока в активном режиме. Резкое уменьшение тока коллектора наступает при икэ ≈ 0,1 В. В справочниках это напряжение обозначается. икэ.нас

Влияние температуры

Температура существенно влияет на физические процессы в транзисторе. Во-пер­вых, с ростом температуры снижается потенциальный барьер в эмиттерном пере­ходе, из-за чего возрастает ток эмиттера и характеристики сдвигаются в область более низких входных напряжений, что оценивается температурным коэффици­ентом напряжения , который составляет 1-2 мВ/°С. Во-вторых, с рос­том температуры возрастает ток IКБ0. В-третьих, при повышении температуры уве­личивается коэффициент передачи тока эмиттера, температурный коэффициент которого лежит в пределах от 0,03 до 0,05 %/°С. Поэтому ток коллектора при повышении температуры возрастает на величину

(4.21)

Для уменьшения температурной зависимости тока в цепь эмиттера включают ре­зистор, обеспечивающий постоянство тока эмиттера. В этом случае первым сла­гаемым в (4.21) можно пренебречь. Тогда относительное изменение тока коллек­тора будет равно

(4.22)

При повышении температуры на 100 °С относительное изменение коэффициента передачи тока эмиттера не превышает 0,05 (5 %). Ток IКБ0 при этом возрастает при­мерно в 1000 раз, однако вследствие того, что он очень мал по сравнению с рабо­чим током коллектора ( 10-6), его влияние на относительное изменение тока коллектора незначительно. В рассматриваемом примере второе слагаемое в (4.22) составляет 0,001 (0,1 %). Поэтому можно считать, что ток коллектора в основном изменяется вследствие изменения коэффициента передачи тока эмиттера.

В схеме с ОЭ ток коллектора зависит от тока базы:

(4.23)

Приращение тока равно

(4.24)

Для обеспечения постоянства тока базы в цепь базы включают резистор. В этом случае первым слагаемым в (4.24) можно пренебречь;

(4.25)

Чтобы сравнить температурную стабильность схемы с ОЭ со схемой с ОБ, выра­зим через dά. Учитывая, что , получаем:

(4.26)

Следовательно, относительное изменение тока коллектора в схеме с ОЭ будет равно

(4.27)

После несложных преобразований получаем;

(4.28)

Из (4.28) следует, что в схеме с ОЭ ток коллектора более сильно зависит от тем­пературы, чем в схеме с ОБ. Если в схеме с ОБ, как это показано в разобранном ранее примере, ток коллектора при повышении температуры на 100 °С возрастал примерно на 5 %, то в схеме с ОЭ при (3 = 100 ток коллектора увеличивается в 5 раз. Поэтому при использовании транзисторов в конкретных схемах необходи­мо принимать меры для повышения температурной стабильности. В простейшем случае для этой цели в цепь эмиттера включают резистор Я„ а в базовую цепь включают делитель напряжения, состоящий из резисторов Я, и R2 (рис. 4.18). В этом случае потенциал базы равен

потенциал эмиттера равен

между базой и эмиттером действует напряжение

При возрастании температуры возрастает ток iэ и потенциал φэ, а напряжение ибэ уменьшается, то есть в такой схеме рост тока, обусловленный ростом температуры, компенсируется уменьшением тока, обусловленным уменьшением напряжения ибэ.

Коэффициент нестабильности рассматриваемой схемы определяется по формуле

(4.29)

где

(4.30)

Под сопротивлением Rδ понимается сопротивление двух параллельно включен­ных резисторов:

Для повышения температурной стабильности необходимо уменьшать Rδ и уве­личивать Rэ. В этом случае у→ 1 и S → 1, то есть нестабильность схемы с ОЭ приближается к нестабильности схемы с ОБ.

Предельные режимы

Транзистор, так же как и любой электронный прибор, характеризуется предель­ными режимами работы, превышение которых приводит к нарушению нормаль­ной работы прибора и выходу его из строя.

Рабочий диапазон температур. Нормальная работа транзистора возможна при оп­ределенной концентрации носителей заряда во всех его областях. Вместе с тем эта концентрация существенно зависит от температуры. Так, например, с ростом тем­пературы увеличивается количество ионизированных атомов основного веще­ства, концентрация неосновных носителей заряда приближается к концентрации основных носителей, и работоспособность транзистора нарушается. Расчет и экс­периментальные исследования показывают, что максимальная рабочая темпера­тура германиевых транзисторов не превышает 70-100 °С, а для кремниевых тран­зисторов она составляет 125-200 °С. Минимальная температура, при которой транзистор может работать, определяется энергией ионизации примесей и теоре­тически составляет около -200 °С. Фактически нижний предел ограничивается термоустойчивостью корпуса и допустимыми изменениями параметров, поэтому ее величина составляет -(60—70) °С.

Максимально допустимая непрерывно рассеиваемая мощность транзистора. При прохождении тока через транзистор происходит его нагрев. При этом теп­ло выделяется главным образом в коллекторном переходе, обладающем наи­большим электрическим сопротивлением по сравнению с другими областями транзисторной структуры. Отвод тепла от коллекторного перехода, так же как и в полупроводниковом диоде, происходит в результате теплопроводности ма­териала, и мощность, рассеиваемая в окружающую среду, определяется соот­ношением

где ТП — температура коллекторного перехода;

То — температура окружающей среды;

RТ.П.С — тепловое сопротивление, определяющее передачу тепла от коллекторного перехода в окружающую среду и зависящее от материала, из которого изготовлен транзистор, и его конструкции.

В справочниках всегда указывается величина теплового сопротивления RТ.П.С и максимальная мощность Рк так, которую способен рассеять транзистор при опре­деленной температуре окружающей среды. Выделяемая в коллекторе мощность РВЫД = иэб*iк не должна превышать максимальную мощность Рк тах. Чтобы это требование выполнялось, на поле выходных характеристик (рис. 4.19) проводят ограничительную линию:

Максимально допустимый ток коллектора. Этот ток ограничивается площадью эмиттера. Превышение этого тока приводит к постепенному разрушению конст­рукции транзистора. В справочниках всегда указывают величину IК тах, которую обычно откладывают на поле выходных характеристик транзистора (рис. 4.19).

Максимально допустимое напряжение на коллекторе. Это напряжение ограни­чивается возможностью пробоя коллекторного перехода. Величина напряжения UК тах зависит от схемы включения и режима работы. Она указывается на поле выходных характеристик транзистора (рис. 4.19). Превышение этого параметра ведет к пробою транзистора. В транзисторе возможны два вида электрического пробоя: тепловой и лавинный.

Тепловой пробой обусловлен нарушением теплового баланса, когда вследствие не­достаточного теплоотвода отводимая от коллекторного перехода мощность ока­зывается меньше выделяемой в нем мощности РВЫД = иэб*iк. В этом случае, так же как и в полупроводниковом диоде, происходит рост тока, сопровождающийся уменьшением напряжения на переходе.

Лавинный пробой возникает вследствие ударной ионизации и лавинного размно­жения носителей заряда в коллекторном переходе. Лавинное размножение харак­теризуется коэффициентом лавинного размножения, который равен

(4.31)

где и — напряжение на коллекторном переходе;

илнапряжение лавинного пробоя, зависящее от схемы включения и режима ра­боты транзистора;

к — эмпирический коэффициент, определяемый полупроводниковым материалом.

При лавинном размножении носителей заряда происходит увеличение коллек­торного тока транзистора:

(4.32)

Здесь коэффициент передачи тока эмиттера, учитывающий лавинное размножение.

Если транзистор включен по схеме с ОБ и цепь эмиттера оборвана (iэ = 0), то коллекторный переход следует рассматривать как обычный полупроводнико­вый диод, у которого значение ил вычисляется следующим образом

где а,т — эмпирические коэффициенты;

ρ — удельное сопротивление материала.

В этом случае

По мере увеличения напряжения икб и приближения его к напряжению пробоя, которое в этом случае обозначается Uk60 проб ток коллектора теоретически увели­чивается до бесконечности (рис. 4.20), практически же значение тока ограничи­вается сопротивлением резистора, включаемого в цепь коллектора.

Рассмотрим режим работы транзистора при ибэ = 0. В этом случае iэ ≠0. Ток эмит­тера возникает вследствие того, что ток коллекторного перехода М*IКБ0 создает на поперечном сопротивлении базы падение напряжения, открывающее эмиттерньш переход, что и обусловливает возникновение тока iэ - Вследствие этого улучшают­ся условия для ловинного размножения носителей заряда и уменьшается напря­жение пробоя. Оно становится равным Uкэк.проб (рис. 4.20).

Если в цепи базы включен внешний резистор Rδ, то ток коллекторного перехода создает на нем дополнительное падение напряжения. Эмиттерный ток при этом становится больше, а напряжение пробоя UкэR.проб уменьшается, Чем больше ве­личина сопротивления резистора Rб, тем меньше напряжение пробоя UкэR.проб.

При обрыве цепи базы (R6 = ∞) ток базы равен нулю. В этом случае внешнее напряжение икэ распределяется между коллекторным и эмиттерным переходами, причем к эмиттерному переходу прикладывается прямое напряжение, поэтому возникает ток

где

При таких условиях напряжение пробоя еще более снижается и становится равным Uкэ0.проб

Выразим Uкэ0.проб через Uкб0.проб, для этого учтем, что в схеме с ОЭ при наличии ла­винного размножения определяется следующим образом:

(4.34)

Следовательно, ток коллектора равен

(4.35)

Пробой в данном случае должен наступить при , то есть при М*ά → 1. Под­ставим в (4.31) условие М = 1/ά и учтем, что и = Uкэ0.проб, а ил = Uкб0.проб

(4.36)

Отсюда получим

(4.37)

Практически напряжение пробоя Uкэ0.проб меньше напряжения Uкб0.проб в 2-3 раза. В справочниках обычно указывают напряжение UкэR.проб при конкретной величи­не сопротивления резистора в цепи базы и конкретной температуре окружающей среды.

Вторичный пробой. Этот вид пробоя может возникнуть вследствие местного перегрева структуры при увеличении тока, обусловленном лавинным пробоем. В этом случае в локальной области нарушается тепловой баланс и возникает саморазогрев, приводящий к тепловому пробою, сопровождающемуся проплав-лением транзисторной структуры.

Пробой смыкания. С повышением обратного напряжения на коллекторном пере­ходе происходит его расширение в. область базы. При определенном напряжении, называемом напряжением смыкания, коллекторный переход заполняет всю об­ласть базы и смыкается с эмиттерным переходом. Этот вид пробоя может возник­нуть у транзисторов с очень тонкой базой.

Расчет токов транзистора

Для расчета токов реальный транзистор необходимо заменить его эквивалентной схемой, отражающей физические процессы в транзисторе. Такая схема была пред­ложена Эберсом и Моллом. Она представлена на рис. 4.21. Эта схема является идеализированной. Она учитывает только основные явления — прохождение то­ков через p-n-переходы и передачу токов из одной цепи в другую, каждый р-п-переход представлен в виде диода, а их взаимодействие отражено генераторами токов. Если эмиттерный переход открыт, то в цепи коллектора будет существовать ток, обеспечиваемый генератором тока ά*i1. При открытом коллекторном пе­реходе в цепи эмиттера будет существовать ток, обеспечиваемый генератором тока ά*i2 где ά, — инрсный коэффициент передачи тока.

Токи диодов определяются уравнениями

(4.38)

(4.39)

где IЭБК - ток эмиттера, змеренный при Uк.п = 0;

IКБК — ток коллектора, измеренный при Uэ.п = 0.

Токи эмиттера и коллектора определяются уравнениями:

(4.40)

(4.41)

Подставляя (4.38) и (4.39) в (4.40) и (4.41), получим

(4.42)

(4.43)

Учитывая, что i6 = iэ - iK, получим уравнение для расчета тока базы:

(4.44)

Токи IЭКБ и IКБК можно выразить через токи переходов IЭБ0 и IКБ0. Пусть iэ = 0 и uk.п = 0 тогда i2 = iK = IКБО При этих условиях (4.39) и (4.40) примут вид

(4.39’)

(4.40’)

Подставляя (4.39') и (4.40') в (4.41), получим

(4.45)

Отсюда получим

(4.46)

Соответственно для IЭБК получим

(4.47)

Уравнения (4.42)-(4.44) позволяют получить аналитические выражения для любого семейства характеристик в любой схеме включения. Так, например, урав­нение (4.42) позволяет рассчитать входные характеристики для различных зна­чений ик6:

□ при икб = 0 (с учетом того, что uэ.п= -uэб)

□ при икб >> 0

□ при икб << 0

Уравнение (4.43) описывает семейства управляющих и выходных характеристик. Для схемы с ОБ в этом уравнении надо принять uэ.п = -иэ6, uk.п= кб, а в схеме с ОЭ — uэ.п= и6э, uк.п= -икб. Если (4.42) решить относительно ) и результат подставить в (4.43), то получим уравнение семейства выходных харак­теристик схемы с ОБ для различных значений тока iэ:

При при ик.п <<0 это уравнение примет вид

Рассмотренная модель Эберса—Молла характеризует основные процессы в тран­зисторе. Однако она не учитывает некоторых особенностей реального транзисто­ра: наличие объемных сопротивлений эмиттера, базы и коллектора, изменение ширины базы при изменении коллекторного напряжения, токи генерации и ре­комбинации в р-n-переходах и др.

Для компьютерных расчетов токов используют передаточную модель Эберса— Молла, которая получается путем разделения полезных составляющих токов, про­текающих через оба р-n-перехода, и дополнительных составляющих, не участву­ющих в передаче тока из одной цепи в другую. Наглядно эти составляющие токов показаны на рис. 4.22, а, на котором iN — нормальная составляющая полезного тока, создаваемая электронами, покинувшими эмиттер и достигнувшими коллек­тора. Она зависит от напряжения на эмиттерном переходе. Составляющая iIинверсная составляющая полезного тока, зависящая от напряжения на коллек­торном переходе. Эти составляющие описываются уравнениями вольт-амперных характеристик переходов

(4.48)

(4.49)

Здесь I0 — тепловой ток, создаваемый электронами, генерируемыми в базе.

Эти два тока следует рассматривать как ток связи, протекающий через оба перехода:

(4.50)

Помимо полезных токов iN и iI в транзисторе существуют дополнительные токи:

iэр — дырочная составляющая тока эмиттера;

iкр — дырочная составляющая тока коллектора;

i'pekрекомбинационная составляющая тока эмиттера;

i’pek — рекомбинационная составляющая тока коллектора.

Дополнительные токи каждого перехода складываются из рекомбинационных и дырочных составляющих:

(4.51)

(4.52)

Каждый из этих токов зависит от напряжения на своем переходе.

Передаточная модель Эберса—Молла, учитывающая рассмотренные токи, пред­ставлена на рис. 4.22, б. Токи iэ.д и iкд можно выразить через токи iN и iI. Если икп = 0, то iб = iэ.д, iк = iN. Следовательно, нормальный коэффициент передачи тока базы будет равен

Отсюда получаем

(4.53)

Аналогично,

(4.54)

Здесь βI— инверсный коэффициент передачи тока базы.

Токи во внешних цепях транзистора определяются суммами отдельных состав­ляющих и рассчитываются по формулам

(4.55)

Найдем связь между параметрами классической и передаточной моделей.

□ В передаточной модели:

(4.56)

□ В классической модели:

(4.57)

Приравнивая правые части (4.56) и (4.57), получаем

(4.58)

Аналогично можно получить формулу

(4.59)

Из (4.58) и (4.59) следует:

(4.60)

При необходимости в передаточную модель могут быть введены емкости перехо­дов Сэ и Ск и сопротивления базовой r'6 и коллекторной r'к областей.



a>
  • 40
  • 41
  • 42
  • 434445
  • 46
  • 47
  • 48
  • 49
  • 50
  • 51
  • 52
  • Далее ⇒