МОДЕЛЬ ЕБЕРСА-МОЛЛА.

Статичні характеристики біполярних транзисторів

Статичні характеристики біполярних транзисторів. Біполярний транзистор є сукупність двох зустрічно включених взаємодіючих р -л переходів. Його можна представити у вигляді еквівалентної схеми, яка представляє собою фізичну модель транзистора.

Аналітичні вирази для ВАХ біполярних транзисторів можна отримати на основі використання однієї з таких моделей - моделі Еберса-Молла, яка дозволяє визначити зв'язок між фізичними параметрами і електричними характеристиками транзистора і відображає принципову рівноправність його переходів. Найпростіший варіант цієї моделі для активного режиму р - п -р-транзистора представлений на рис. 4.5, де діоди УБ 1 і УБ 2 відповідно моделюють властивості

емітерного і колекторного переходів. Джерело струму а / д враховує передачу струму з емітера в колектор, а джерело а 7 / ^ -

з колектора в емітер, де а г - інверсний коефіцієнт передачі струму. Токи і визначаються формулами ВАХ р -л переходів (див. П. 2.3.1), т. Е.

де величини / 30, / до мають сенс зворотних теплових струмів відповідних переходів, £ / ю = і Б - -і е = -і ев , і вк = і вдо = -і кк ; і з , і п , і до - потенціали емітера, бази і колектора.

Таким чином, у представленій моделі УБ, і відображають або інжекції, або екстракцію носіїв через емітерний і колекторний переходи, джерело а / д моделює инжекцию носіїв з емітера в базу, їх перенесення через базу в колектор, а також небажану инжекцию носіїв з бази в емітер . Аналогічно джерело а 7 / ^ моделює процеси при інжекції носіїв через колекторний перехід і перенесення зарядів через базу в емітер.

З рис. 4.5 визначимо / 3 і / к , які в НАР пов'язані з внутрішніми струмами моделі співвідношеннями

Мал. 4.5

Підставляючи (4.10) в (4.11) - отримаємо вирази, що дозволяють аналітично обчислити статичні характеристики біполярного транзистора для будь-якої схеми включення:

Вирази (4.12) - (4.14) називаються формулами Еберса - Молла. З них виходять вирази для різних сімейств характеристик в будь-якій схемі включення. Розглянемо конкретні вирази для схеми з ПРО, для якої характерні задані значення струму емітера і колекторного напруги. Тому характеристиками схеми з ПРО називають функції =

= / (/ Е , / к ) і / е = / (С / е , £ / к ). Одна з таких залежностей / к = / (С / к ) з параметром / е називається сімейством вихідних, або колекторних , характеристик. Залежність / е = / (1 / е ) з параметром і до визначає сімейство вхідних, або емітерний, характеристик. Формула (4.12) визначає сімейство вхідних статичних ВАХ. Сімейство вихідних статичних ВАХ в схемі з ПРО можна отримати шляхом виключення змінної 1 / в з з рівняння (4.13) з урахуванням формули (4.12):

Сімейство вихідних характеристик в схемі з ОЕ можна отримати з (4.13) і (4.14), зробивши заміну і БК = і ю - £ / ке і виключивши змінну і кг Для / БЕ / до отримаємо

де р, = а, / (1 - а,).

Співвідношення для вхідних характеристик в схемі з ОЕ виходить з (4.14) також після заміни С / БК = - (У ке .

У розглянутій найпростішої моделі параметри, а, а 7 , 1 ^, / до приймаються постійними. Крім того, ця модель не враховує об'ємні опору напівпровідникових областей, ток рекомбінації емітерного переходу, ефект модуляції товщини бази, ефекти високого рівня інжекції, струму термогенерации і витоку переходів і т. Д.

За аналогією з діодами ця модель є ідеалізованої, а реальні характеристики відрізняються від теоретичних так само, як реальна ВАХ від ідеалізованих ВАХ електричних переходів. Крім того, розглянута модель визначає тільки статичні характеристики, тому її часто називають статичної моделлю. Таким чином, отримані аналітичні вирази лише наближено описують статичні характеристики біполярних транзисторів.

Розглянемо реальні сімейства статичних ВАХ в схемах з ПРО і ОЕ.

Вхідні характеристики в схемі з ПРО. Це залежно / е = = / ( і ЕБ ) при постійних значеннях напруги і кБ (рис. 4.6). На рис. 4.6, а зображені характеристики для малих струмів і

Мал. 4.6

напруг. Для транзистора р-п -р-тііа позитивні напруги і ЕБ відповідають прямому включенню еміттер- ного переходу, а негативні і КБ - зворотному включенню колекторного переходу. Якщо і КБ = 0, то вхідні характеристика транзистора практично збігається з прямою гілкою ВАХ р-п- переходу. В активному режимі (£ / ЕБ > О, і КБ <О) характеристика зміщується вгору по відношенню до кривої для 1 / КБ = О (див. Рис. 4.6, а). Цей зсув пояснюється ефектом модуляції товщини бази (ефектом Ерлі). Суть цього ефекту полягає в тому, що при збільшенні абсолютного значення і КБ збіднена область колекторного переходу розширюється, як це відбувається в будь-якому р -л переході при збільшенні зворотної напруги (див. П. 2.2.2). За рахунок розширення колекторного переходу в бік бази відбувається її звуження (В ^ |; 1 > У Б2 на рис. 4.7).

Мал. 4.7

В результаті при одному і тому ж напрузі 1 / ЕБ градієнт концентрації інжектованих носіїв п / <х зростає (див. Рис. 4.7, пряма 2), отже, збільшується і дифузний струм інжектованих носіїв, пропорційний ін п / <іх 9 хоча концентрація р п на кордоні і не зазнає змін (прямі / і 2 на рис. 4.7, відповідні різним значенням 7 / кв , виходять з однієї точки (А) на кордоні емітерного переходу). Зростання п / 6х збільшує дифузійну швидкість, т. Е. Швидкість догляду дірок з емітера зростає, що і призводить до збільшення емітерного струму і зміщення вхідної характеристики вгору і вліво, як це показано на рис. 4.6, а при і КБ <0. При (7 ЕВ = 0 і С / КБ <0, хоча інжекції носіїв з емітера в базу немає, через транзистор протікає малий струм 7 ^ 0 (див. Рис. 4.6, верхня крива). причину появи цього струму можна зрозуміти з графіка на рис. 4.8, з якого видно, що за рахунок екстракції носіїв з бази в колектор виникає градієнт неосновних носіїв р Л0 , початково існуючих в базі. за рахунок цього градієнта відбувається перенос носіїв (дірок) з бази в колектор. Для відновлення порушеного рівноваги з емітера в базу буде "втікати" стільки дірок, СКІЛЬКИ пішло У колектор, ЩО І визначає ТОК 7 ^ 0.

При подачі на колектор позитивного напруги 17 КБ > О і при 1 / ЕБ > 0 транзистор переходить в режим подвійної інжекції (режим насичення (PH)), коли крім інжекції дірок з емітера відбувається інжекція носіїв також і з колектора в базу. В результаті градієнт концентрації дірок в області бази зменшується, хоча загальне число носіїв і зростає, що призводить до зменшення дифузійного струму, протекающе-

Мал. 4.8

Мал. 4.9

го через базу в колектор, і ВАХ зміщується вниз відносно кривої і КБ = О (штрихова крива на рис. 4.6, а). При £ / ЕБ < і $ Б (див. Рис. 4.6, а, штрихова крива) транзистор переходить в режим, при якому інжекція носіїв з колектора в базу переважає над инжекцией з емітера в базу, і струм емітера змінює напрямок. При С / ЕБ = 0 інжекція з емітера припиняється і струм емітера визначається инжекцией носіїв з колектора, т. Е. Транзистор працює в інверсному режимі. Розподіл носіїв у базі для цього випадку дано на рис. 4.9.

Слід зазначити, що зображені на рис. 4.6, а вхідні характеристики відповідають малим струмів і напруг. Для номінальних режимів роботи кремнієвих і арсенід-галієвих транзисторів в лінійному масштабі значень ці струми відобразити неможливо, тому часто характеристики для реальних приладів виглядають так, як це представлено на рис. 4.6,6.

Вихідні характеристики в схемі з ПРО (рис. 4.10). Як випливає з аналізу фізичних процесів транзистора в схемі з ПРО, колекторний струм в НАР практично дорівнює емітерного і дуже мало залежить від зміни напруги і КБ . Незначне збільшення / к при збільшенні зворотної напруги на колекторному переході пов'язано з ефектом Ерлі, т. Е. При зростанні | С / КБ | відбувається звуження бази за рахунок розширення колекторного переходу, що призводить до зменшення інтенсивності рекомбінації дірок при їх русі від емітера до колектора і, отже, до незначного зростання / к . Колекторний струм практично залишається незмінним навіть при і КБ = 0,

Мал. 4.10

Мал. 4.11

Мал. 4.12

так як надлишкові інжектовані дірки продовжують витягати колектором за рахунок контактної різниці потенціалів в колекторному переході (рис. 4.11). При подачі на колекторний перехід позитивного зсуву С / кк > 0 струм колектора падає до нуля, якщо щільність дірок в базі у колектора в режимі подвійної інжекції (PH) буде такою ж, як і на кордоні емітерного переходу (рис. 4.12).

При збільшенні колекторного напруги до значень, близьких до напруги пробою колекторного переходу, колекторний струм починає різко наростати (див. Рис. 4.10, б). Величина пробивної напруги приблизно така ж, як для окремого р -п-переходу (див. Гл. 2). При дуже вузькій базі або в умовах недостатнього її легуванні пробою може бути викликаний проколом бази, т. Е. Зі збільшенням (/ кв товщина бази зменшується практично до нуля і збіднена область колекторного переходу змикається з збідненого областю емітера, внаслідок чого колектор виявляється накоротко з'єднаний з емітером , що і призводить до появи великої струму / к .

У режимі відсічення (РО) / :) = 0 за рахунок подачі на емітерний перехід зворотного зсуву.

Вхідні характеристики в схемі з ОЕ. Це залежно / Б = = ДС / ве) з параметром (7 Ю . При С / ке = 0 і С / ^ <0 обидва переходу зміщені в прямому напрямку, т. Е. Транзистор знаходиться в PH, коли дірки инжектируются з емітера і колектора в базу. Вхідний струм при заданому 1 / ^ визначається инжекцией електронів з бази в колектор і емітер, а також рекомбінацією дірок в базі. Цей струм має найбільше значення при і ^ = О (рис. 4.13, а, крива 1). при збільшенні | Г / КВ | до значень, великих £ / ВГ) (| £ / к :) | > | £ / БО1) "транзистор переходить в АР.

Мал. 4.13

Вхідний струм зменшується через припинення інжекції електронів з бази в колектор і зниження струму рекомбінації, так як заряд дірок в базі стає менше в порівнянні з попереднім випадком (див. Рис. 4.13, а, крива 2). При значних напругах на колекторі вхідний струм падає через зменшення товщини бази і, отже, зменшення струму рекомбінації. При великих вхідних токах характеристики наближаються до лінійних через вплив опору бази.

На рис. 4.13, а представлені вхідні характеристики для малих струмів. У реальному масштабі ці струми сильно (на кілька порядків) відрізняються від номінальних, тому вхідні характеристики зазвичай мають вигляд, зображений на рис. 4.13, б.

Вихідні характеристики в схемі з ОЕ. Це залежно / к = = f (U до ) при / в = const (рис. 4.14).

Однією з характерних особливостей вихідних характеристик є те, що однакове зміна струму бази / Б в активному режимі, коли | £ / ке | > Викликає неоднакові збільшення струму колектора, т. Е. Характеристики нееквідістантни. Це пов'язано з тим, що величина коефіцієнта передачі р залежить від струму бази (т. Е. Р = р (/ R )), який задається примусово. Тому струм колектора / к = [Р (/ Б )] / Б + [Р (/ в ) + 1] / КБО нелінійно залежить від струму бази / н .

Збільшення струму бази означає інтенсифікацію рекомбінаційних процесів в області бази, т. Е. Відбувається зменшення коефіцієнта а, а оскільки Р = а / (1 - а), то Р теж падає.

Мал. 4.14

Висхідні, круті ділянки характеристик при малих напругах відповідають режиму насичення, коли інжекція носіїв в область бази відбувається через обидва переходу.

При а ~ а ; - •> 1 вихідні характеристики при С / ке = 0 починаються на відміну від схеми з ПРО практично з нуля. При U K 3 = 0 і U бе * 0 обидва переходу знаходяться під одним і тим же потенціалом, і через них в область бази инжектируются одні і ті ж струми, які компенсують один одного.

Для активного режиму пологий ділянку має помітно більший нахил до осі абсцис в порівнянні з вихідними характеристиками для схеми включення з ПРО. Це відбувається внаслідок підвищення р через зменшення товщини бази з ростом U ^ (ефект Ерлі). При зменшенні товщини бази знижується струм рекомбінації в базі, а він за умовами повинен бути постійним (/ Б = const). Для відновлення, заданого / в необхідно збільшити инжекцию носіїв через емітерний перехід, т. Е. Уве-

личить U B 3 . Струм інжекції більше струму рекомбінації приблизно в Р раз, що і обумовлює помітне збільшення / к при зростанні U ^

Напруга U л , при якому перетинаються екстрапольовані вихідні характеристики (див. Рис. 4.14, б)> називається напругою Ерлі , яке для сучасних малопотужних транзисторів може перевищувати 200 ... 300 В. Нахил штрихових прямих на рис. 4.14,0 визначає диференціальне вихідний опір г до = (U A 4 U K 3 ) / I K в заданій робочій точці НАР. При великих значеннях U K j l > С / ке П роб відбувається різке збільшення струму / к , обумовлене пробоєм. У схемі з ОЕ напруга пробою U K е П роб значно нижче, ніж пробивна напруга в схемі з ПРО, що пов'язано з наявністю внутрішньої позитивного зворотного зв'язку в транзисторі. Електронно-діркові пари, які утворюються в колекторному переході в результаті ударної іонізації, поділяються полем переходу таким чином, що дірки переміщаються в колектор, а електрони - в базу. Оскільки струм бази повинен бути постійним (/ Б = const), електрони накопичуються в базі, і поле їх об'ємного заряду компенсує заряд іонів домішки на емітерний перехід. В результаті цього зростає інжекція дірок в базу з емітера і, отже, збільшується їх кількість, що проходить колекторний перехід, що викликає додаткову іонізацію атомів в переході, і описаний процес повторюється. Такий механізм зворотного зв'язку, що викликає значне збільшення колекторного струму. Якщо прийняти коефіцієнт, розмноження носіїв в колекторному переході рівним М, то з урахуванням розмноження коефіцієнт передачі струму Р = аМ / (1 - аМ). У схемі з ОЕ при пробої а М - 1 і Р - оо. в схемі з ПРО пробивну напругу більше, оскільки для виникнення пробою потрібні значно більші значення М через відсутність описаної зворотного зв'язку, властивої схемою з ОЕ.

Напруги пробою для схем з ОЕ та ОБ пов'язані емпіричної формулою

де т = 5 для бази з кремнію р-типу і т = 3 для бази я типу.

Напруги пробою і к0пробУ ^ КБпроб вимірюються при відключеною базі, коли / Б - 0. Практично для забезпечення сталості струму в ланцюзі бази необхідно включити дуже велике з-

опір R B y при якому ЕРС джерела живлення £ ' ь U ^.

Наявність Я Б призводить до того, що виникає додатковий струм рекомбінації за рахунок розмноження носіїв протікає через резистор R B . В результаті в базі накопичується менша кількість електронів, позитивний зворотний зв'язок слабшає, і напруга пробою збільшується. При Я Б = 0, коли накопичення розмножених носіїв мінімально, напруга пробою максимально, а при R n 00 відбувається максимальне накопичення носіїв, ток / Б - * О, напруга пробою мінімально і одно ^ ке проб-

На практиці не рекомендується використовувати режими з розімкненим (відключеною) базової ланцюгом, оскільки низька напруга пробою може привести до виходу транзистора з ладу.

Вплив температури на вихідні характеристики схеми з ОЕ сильніше, ніж в схемі з ПРО. Зняття вихідних характеристик при різних температурах проводиться при / е = const в схемі з ПРО і при / в = const в схемі з ОЕ. Тому в схемі з ПРО при а = const зростання / к при підвищенні температури пов'язаний тільки зі збільшенням / КБО . Оскільки зазвичай / КБ0 ^ а / е , то доля / КБ0 в колекторному струмі / к = а / е + / КБО вельми незначна, і його можна не враховувати. У схемі з ОЕ / в = const. Якщо допустити, що Р (Г) не залежить від температури, тоді р / Б = const, і температурна залежність / К (Т) буде визначатися складовою (р + 1) / К у "оскільки в схемі з ОЕ / к = р / Б + (р + 1Ккбо- Тепловий струм колекторного переходу, як і звичайного переходу, приблизно подвоюється при збільшенні температури на 10 ° С при використанні кремнію. Отже, при р 1 приріст колекторного струму / к за рахунок величини (р + 1) / КБО може бути значним, іноді великим вихідного колекторного струму.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >