книги из ГПНТБ / Агаханян Т.М. Основы транзисторной электроники

через эмптторпын переход поступают дырки, поток которых при­ водит к дополнительному увеличению тока коллектора. Если ток

выходное напряжение), используется сравнительно редко. В справочниках обычно приводятся графики зависимости коэффи­

Рассмотрим входную вольт-амперную характеристику тран­

эмиттерной входной характеристикой, а вторая (рис, 4-20) — базо­ вой входной характеристикой.

120

Аналитические выражения входных характеристик можно получить на основании уравнения (4-9), учитывая, что при работе

В выражении (4-20) при помощи коэффициента тэ учитываются особенности тока рекомбинации—генерации и канального тока эмиттерного перехода.

Входное напряжение транзистора складывается из напряжения на эмиттерном переходе Ua и падения напряжений на объемном

Из последнего равенства исключен ток базы [на основании уравнения1 1Э = (1в + /К ! ) ) (1 + pV)] для получения эмиттерной характеристики. Если же из (4-21) исключить ток эмиттера, то получим базовую характеристику

Рассмотрим характерные точки. При Ua — 0 в отличие от одиночного р-п перехода ток эмиттера не равняется нулю. В данном случае образование направленного потока через переход есть результат взаимодействия с соседним переходом. Действи­ тельно, как следует из уравнения (4-19), при U3 — 0 ток эмиттера

<Xj

/ э = / к о 1 - « Л а 7 '

а базовый ток изменяет свое направление и становится равным:

1 — а,

1 Это уравнение можно получпть из выражений (4-17), подставив/к —

= h — lo­

rn

Для сигналов малой амплитуды входная цепь транзистора характеризуется дифференциальным сопротивлением, определя­ емым наклоном вольт-амперной характеристики. Входное сопро­ тивление транзистора при эмиттерном управлении рассчитывается по формуле

' вх. б = (1 + PN) Гвх. э-

Как видно из представленных на рис. 4-19 и 4-20 вольт-ампер­ ных характеристик, входной ток транзистора меняется с измене­ нием выходного напряжения £ / К б или UK0. Зависимость входного тока (или входного напряжения) от выходного напряжения является результатом модуляции ширины базы [Л. 44].

Выяснпм физический смысл этого эффекта па примере диффузионного транзистора при работе с эмпттерным входом. На рис. 4-21 показано распре­ деление плотности заряда неосновных посптелей прп двух значениях выход-

при я = 0 одинаков). Прп увеличении (по абсолютной величине) напряже­ ния [/Кб коллекторный переход расширяется, а база сужается, и, чтобы под­ держать тот же ток / э , нужно меньшее количество носителей заряда. Это

122

приводит к уменьшению плотности заряда во всех точках базы, в том чпсле и у эмиттерного перехода. С уменьшением плотности заряда у эмиттерного перехода q3 уменьшается напряжение смещения С/3 = т э ф г In ?э/(?эоТаким

образом, в транзисторе действует своеобразная внутренняя обратная связь, приводящая к изменению входного напряжения с изменением выходного. Это явление известно под названием эффекта Эрли [Л. 44].

В схеме с базовым управлением наблюдается обратная картина: с увели­ чением выходного напряжения входпой ток /д уменьшается (см. рпс. 4-20), тогда как 1Э растет. Для поясиеппя этого эффекта рассмотрим графики рас­ пределения плотности заряда неосновных носителей в базе, например, дрей­

в ней уменьшается (пропорционально площади заштрихованной части на рнс. 4-22). Поскольку ток базы /д образуется главным образом за счет реком­

Влияние выходной цепи транзистора па его входную цепь принято характеризовать коэффициентом диффузиоиной обратной связи, определяемым как

^и = = ( 1 Й ) / з = consf

мах с высокоомным выходом, в которых относительное изменение выходного напряжения достигает заметной величины.

Область насыщения

В области насыщения как эмиттерный, так и коллекторный переходы смещены в прямом направлении. При этом наибольшие значения напряжений иа переходах определяются либо макси­ мально допустимыми величинами токов, либо максимально до­ пустимой мощностью. Напряжения на переходах и плотность за­

Графики распределения q (х) в базе при работе в области насы­ щения приведены иа рис. 4-23, а (для диффузионного транзистора) и рис. 4-23, б (для дрейфового транзистора).

Для этой области характерно накопление большого числа не­ основных носителей заряда в базе непосредственно у коллекторного

123

транзисторах одновременно и дрейфуют от эмиттера к коллектору. При этом независимо от режима работы транзистора ток ITN, который формируется нормально направленным потоком носите­ лей, дошедших до коллекторного перехода, равняется aNIA. От условий же работы зависит, какая часть неосновных носителей рассасывается через коллекторный переход. Так, например, в схе­ ме, приведенной на рис. 4-24, наибольшее значение тока коллектора не может превысить величину и если ток эмиттера 1Э >

>EK/(RKO,N), ТО часть носителей останется в базе. Следовательно,

если по какой-либо причине сток носителей заряда в коллекторную цепь ограничен, то пз базы в коллектор поступит лишь столько их,

фового транзистора.

сколько необходимо для поддержаппя тока коллектора /„. Часть носителей заряда останется в базе, что приведет к увеличению их концентрации, а следовательно, и плотности заряда. В частности, плотность заряда неосновных поептелей у коллекторного перехода возрастает пропорционально разности токов ITN — 1к- Наряду с накоплением носителей заряда будет происходить их рекомби­ нация, ограничивающая непрерывное нарастание заряда носите­ лей. Процесс накопления носителей заряда в базе непосредственно у коллекторного перехода установится тогда, когда увеличение заряда носителей, обусловленное разностью токов I T N — 1К, пол­ ностью компенсируется уменьшением заряда за счет рекомбина­ ции, т. е. когда

где kx — коэффициент пропорциональности; т и — среднее время жизни носителей, характеризующее процесс рекомбинации.

Накопление заряда у коллекторного перехода приводит к уве­ личению напряжения на переходе. Когда* плотность заряда qH превышает свое равновесное значение gKoi переход смещается в пря-

124

мом направлении, и транзистор попадает в область насыщения. Из уравнения (4-23) следует, что в установившемся режиме q„ может стать больше qi<0, т. е. транзистор окажется в области насы­ щения в том случае, когда поток носителей, дошедших до коллек­

При работе транзистора в области насыщения ток коллектора слабо зависит от входного тока, т. е. от тока эмиттера пли тока базы. Попадая в область насыщения, транзистор как бы лишается своих усилительных свойств из-за «насыщения» тока коллектора.

от выходного напряжения при заданном входном токе.

В схеме с общей базой выходное напряжение — напряжение между коллекторным и базовым выводами транзистора UKQ — определяется выражением

U ,<G = UK — 1„г'к + Г5гб = ии — 7 > к -Ь (1в - 1к) Гб-

Функция (4-24) представляет собой аналитическое выражение выходной характеристики при управлении по эмиттерной цепи. Эта характеристика приведена ла рис. 4-25.

125

то на границе насыщения потенциал коллектора относительно базы для транзисторов р-п-р положителен, а для п-р-п отрицателен. Этот случай характерен для диффузионных транзисторов, у ко­ торых, как правило, объемное сопротивление коллектора г„ мало по сравнению с величиной 7-б (1 — а^);

б) r 6 ( l — aN)<r'1{,

то, наоборот, насыщение наступает при отрицательном относи­ тельно базы потепцпале коллектора для р-п-р транзисторов и поло­

так как в дрейфовых транзисторах объемное сопротивление базы щ меньше, а объемное сопротивление коллектора гк больше соответ­ ствующих сопротивлений диффузионных транзисторов.

Рассмотрим выходную характеристику транзистора при управ­ лении по базовой цепи. Напряжение между коллектором и эмит­ тером сУкэ> которое в этом случае является выходным напряжением, определяется выражением

икэ = ик — иэ- 1кгк — 1эгэ = UK — U3 — I K (г'к + Гэ) — 10г'3.

Определив напряжения на переходах UK и U3 из системы уравнений (4-15), после ряда преобразований получим аналити­ ческое выражение выходной характеристики

На границе насьпцения потенциал коллектора относительно эмиттера для транзисторов типа р-п-р отрицателен, а для тран­ зисторов типа п-р-п положителен.

126

При / к = 0 согласно (4-23) выходное напряжение определяется выражением 1

Рис. 4-26. Выходнад характеристика транзистора в области насьгщв' ния прп базовом управлении.

а — для диффузионного транзистора-) б — для дрейфового транзистора.

передачи тока коллектора а/. В дрейфовых транзисторах обычно составляет 0,1—0,2, а в диффузионных 0,7—0,9. Поэтому абсо­ лютная величина выходного напряжения дрейфового транзистора больше, чем диффузионного (рис. 4-26). .

Область отсечки токов

В области отсечки токов эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении. Наибольшее значение на­ пряжения, приложенного к р-п переходу в обратном направле­ нии, не должно превышать напряжения пробоя. По техническим условиям максимальное обратное смещение на переходе ограни­ чивается предельно допустимым напряжением, соответствующим некоторому предпробойному состоянию. Следовательно, при ра­ боте в области отсечки напряжения на эмиттерном и коллектор-

127

ном переходах и соответствующие им плотности заряда неоснов­ ных носителей в базе изменяются в пределах:

На рис. 4-27 приведены графики распределения плотности заряда неосновных носителей в базах диффузионного (рис. 4-27,а)

j1<l 1к0

ного и коллекторного переходов дэ и дк невелики: их величины не превышают равновесные значения д00 и дк0. В этом режиме проис­ ходит отсос неосновных носителей из области базы. Невелик и градиент плотности заряда непосредственно у переходов, поэтому через них протекают небольшие токи. В диффузионном транзис­ торе эти токи обусловлены диффузией, и их величины определяются касательными к кривой q (х) непосредственно у переходов. В дрей­ фовом транзисторе токи через переходы складываются из диффу­ зионной и дрейфовой составляющих (величины последних пропор­ циональны у эмиттерного перехода q3, а у коллекторного перехода qK). Дрейфовые и диффузионные составляющие токов протекают в противоположных направлениях, причем у эмиттерного перехода диффузионный ток, как правило, больше, чем дрейфовый, а у кол­ лекторного перехода, наоборот, дрейфовый ток больше, чем диф­ фузионный.

При работе в области отсечки транзистор достаточно полно можно характеризовать двумя характеристиками. Первая из них — входная характеристика — представляет зависимости входного тока от входного напряжения при заданном выходном напряже­ нии, а вторая — передаточная характеристика — определяет за-

128

висимость выходного тока от входного напряжения также при за­ данном выходном напряжении. Из семейства выходных характе­ ристик, представляющих собой зависимость выходного тока от выходного напряжения, иа практике обычпо используется только одна — это зависимость выходного тока от выходного напряжения при холостом ходе на входе. Это, по сути дела, вольт-амперная характеристика коллекторного перехода.

Рассмотрим прежде всего характеристики собственно транзи­ стора, пренебрегая влиянием тока рекомбинации — генерации, канального тока и тока утечки. Эти характеристики можно полу­

При работе транзистора с эмиттерным входом эта характеристика

ными кривыми изображены характеристики диффузионного тран­

и составляет несколько единиц 1кт для диффузионных транзисто­ ров и заметно меньше / к г для дрейфовых транзисторов. Постепенно уменьшаясь, при Ua = —фг In (1 + p\v) ток эмиттера становится равным нулю, а при дальнейшем увеличении обратного смещения меняет свое направление, в пределе стремясь к величине

Р/ (1 + Pw)

Этот ток невелик. Поэтому при работе в области отсечки обрат­ ный ток коллекторного перехода почти полностью замыкается через базовый вывод.