Работа биполярных транзисторов в микрорежиме (стр. 1 из 2)
МГТУ имени Баумана
Кафедра Микроэлектроники
Пояснительная записка к курсовому проекту
Тема: Работа биполярных транзисторов в микрорежиме.
МОСКВА 2007
Оглавление
1. Введение
2. Эффекты низких эмиттерных напряжений
3. Малосигнальные эквивалентные схемы и параметры
4. Заключение
5. Литература
1. Введение
Наиболее важное свойство транзистора – свойство усиливать электрические сигналы. У этого прибора, обычно имеющего три вывода выходное сопротивление отличается от входного.
Усиление в теле полупроводника происходит за счет того, что сравнительно большой ток пропускается через область, весьма чувствительную к малым внешним токам или напряжениям. В биполярном транзисторе регулируемый ток поступает в эмитерную область, проходит сквозь чувствительную область базы и снимается с коллектора. Малые изменения тока базы или напряжения между базой и эмиттером могут вызывать большие изменения тока между эмиттером и коллектором.
Существуют два типа биполярных транзисторов: npn и pnp. Буквы обозначают тип примеси в эмиттерной, базовой и коллекторной областях соответственно. В npn – транзисторе неосновные для базы носители, электроны, должны диффундировать сквозь базовую область p-типа, проникая в коллекторную область n-типа.
Поведение транзистора приближенно описывается с помощью моделей. Построение моделей преследует следующие основные цели: объяснить поведение прибора и дать возможность это поведение предсказать; обеспечить проектирование приборов и схем с заранее известными рабочими характеристиками. Любая модель будет адекватно описывать поведение прибора в некотором диапазоне значений его параметров.
2. Эффекты низких эмиттерных напряжений
У транзистора, работающего в активном режиме, измерение зависимостей базового и коллекторного токов от напряжения на эмиттерном переходе позволяет выявить некоторые интересные особенности. Физический механизм работы транзистора таков, что результаты этих измерений проще всего анализировать при логарифмическом масштабе по оси тока и линейном - по оси напряжения. Типовые результаты измерений для усилительного интегрального npn-транзистора приведены на рис. 1. Отличное совпадение графиков токов Iс и Iв с прямыми линиями в средней части диапазона токов свидетельствует об их экспоненциальной зависимости от напряжения.
При малых напряжениях на эмиттерном переходе наклон линейной зависимости lgIB от vbEуменьшается. Экспериментальные данные показывают, что при приближении vbEк нулю - базовый ток асимптотически стремится к кривой, описываемой следующим выражением:
(1)В этом асимптотическом выражении значение параметра п обычно лежит в диапазоне от 1 до 2. Более того, значение параметра Iо превышает значение соответствующего множителя в экспоненциальном выражении, описывающем данную зависимость в средней части диапазона напряжений смещения эмиттерного перехода.
Источник дополнительного тока эмиттерного перехода при малых напряжениях смещения - это рекомбинация в области объемного заряда эмиттерного перехода.
Рис. 1. Типовые зависимости коллекторного и базового токов от напряжения база—эмиттер при смещениях, соответствующих прямому активному режиму.
Значения параметра п в диапазоне между 1 и 2 можно объяснить с учетом возможных изменений различных параметров, оказывающих влияние на процессы рекомбинации в области объемного заряда. Относительный вклад рекомбинационной составляющей тока в сравнении с инжекционными токами, втекающими в квазинейтральные области, увеличивается при уменьшении напряжения на переходе.
Ток рекомбинации в области объемного заряда течет только через базовый и эмиттерный выводы транзистора. Его преобладание не влияет на коллекторный ток, который практически полностью представляет собой результат коллектирования электронов, инжектируемых эмиттерным переходом. Следовательно, при уменьшении vbEколлекторный ток описывается уравнением :
(2)
Рис. 2. Зависимость коэффициента усиления по току
от коллекторного тока для транзистора с характеристиками, приведенными на рис. 1.до тех пор, пока ток инжекции не упадет настолько, что в составе коллекторного тока не начнет преобладать ток генерации в области объемного заряда. Таким образом, при малых напряжениях смещения коллекторный ток составляет меньшую часть эмиттерного токапосравнению со средней частью диапазона напряжений смещения. Более наглядно эта зависимость видна на графике отношения
, которое представляет собой параметр транзистора. График приведен на рис. 2 и построен по экспериментальным данным рис. 1. Падение при малых напряжениях смещения эмиттерного перехода представляет собой очевидное ограничение на применение транзисторов для усиления малых напряжений.3. Малосигнальные эквивалентные схемы и параметры
Большому классу так называемых линейных электронных схем свойствен такой режим работы транзистора, при котором на фоне сравнительно больших постоянных токов и напряжений действуют малые переменные составляющие. Именно эти составляющие представляют в таких схемах основной интерес. Запишем напряжения и токи в виде
где U° и I°—постоянные составляющие;
Uи I - переменные составляющие, много меньшие постоянных.Постоянные и переменные составляющие анализируются и рассчитываются раздельно. При анализе постоянных составляющих используется нелинейная физическая модель Молла - Эберса. При анализе переменных составляющих использование нелинейной модели не имеет смысла, так как связь между малыми приращениями определяется не самими функциями, а их производными. Поэтому для анализа переменных составляющих пользуются специальными - малосигнальными моделями (эквивалентными схемами), состоящими из линейных элементов. Эти элементы отображают те производные, которые связывают между собой малые приращения токов и напряжений.
Рис. 3. Малосигнальная модель транзистора при включении ОБ.
Таким образом малосигнальная (и, добавим, низкочастотная) эквивалентная схема транзистора при заданном токе эмиттера принимает такой вид, как показанонарис. 3. Емкости СЭ и Ск будут учтены позднее.
Положительное направление тока эмиттера выбрано произвольно, поскольку знак приращения
Iэ может быть любым. Обозначения для простоты опущены.Заметим, что коэффициент
в малосигнальной схеме (индекс N опущен) является дифференциальным, в отличие от интегрального, которым мы пользовались до сих пор. Дифференциальный коэффициент определяется как производная dIk/dIэ, тогда как интегральный коэффициент есть отношение Ik/Iэ. Оба коэффициента несколько различаются, но это различие не существенно.Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода rЭ выражается:
(3)где rЭ - постоянная составляющая тока. При токе 1 мА сопротивление rЭ составляет 25 Ом.
Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода гK обусловлено эффектом Эрли.
(4)где Uк - модуль обратного напряжения. Следует обратить внимание на то, что сопротивление гK, как и rЭ обратно пропорционально постоянной cоставляющей тока. Кроме того, оно несколько возрастает с увеличением напряжения, однако эта зависимость мало существенна. Для ориентировки подставим в (4) значения L = 10 мкм, и
=1 мкм, N == 1016 см-3 и Uk = 4 В. Тогда гk =102/Iэ, при токе 1 мА получается rк = 1 МОм. 
Рис. 4. Малосигнальная модель транзистора при включении ОЭ.
Поскольку в усилительных транзисторах типовое значение коэффициента усиления по току
очень велико, можно на первый взгляд решить, что базовый ток пренебрежимо мал и следовательно, сопротивление базовой области транзистора очень слабо влияет на его работу. Такое упрощенное представление не учитывает, что малые различия напряжения в базовой области существенно усиливаются благодаря экспоненциальному множителю в уравнении диода и тем самым они могут вызывать значительно более крупные различия в плотности тока вдоль эмиттерного pn-перехода транзистора.