Биполярные транзисторы (БТ). Принципы работы

1.

БИПОЛЯРНЫЕ
ТРАНЗИСТОРЫ (БТ)
BJT (Bipolar Junction Transistor)
Принципы работы.

2.

1.
Структура и УГО транзистора. Направление токов.
npn - транзистор
n++
эмиттер
(emitter)
p
n+
Б(B)
база
(base)
коллектор
(collector)
IB>0
IE<0
pnp - транзистор
p
++
эмиттер
(emitter)
IC>0
IC<0
n
p
+
Б(B)
база
(base)
коллектор
(collector)
IB<0
IE>0
n+-p: nn>pp хотя бы на порядок
n++-p: nn>pp не менее чем на 2-3порядка
К(C)
Э(E)
К(C)
Э(E)
Стрелка в УГО показывает, куда из эмиттера направлен ток.
Ток базы "переползает" в эмиттер (npn) и наоборот (pnp)

3.

2.
Области ПП-структуры транзистора
Транзистор имеет три ПП-области с внешними выводами:
• эмиттер (Э, Е) – с наибольшей концентрацией атомов
примеси NE >>NB ; из него происходит инжекция (эмиссия)
носителей в базу,
• база (Б, В) – с наименьшей концентрацией атомов
примеси NB ; по ней происходит диффузия носителей,
инжектированных из эмиттера до области коллектора,
• коллектор (К, С) – концентрация атомов примеси
NИ < NС < NE ; он собирает носители, пришедшие в
процессе диффузии от эмиттера через базу
Транзистор – это две структуры с pn-переходами:
эмиттер-база и коллектор-база, причем,
область базы – общая для обеих структур.
Транзистор с указанной структурой называется
БИПОЛЯРНЫМ далее БТ
(причина названия – в процессе анализа работы)

4.

3.
Этапы изготовления транзистора типа npn (условно)
n
Исходный кристалл n-типа
(Si с примесью атомов-доноров)
16
- коллектор (например ND=10 )
16
Компенсация (NA=10 ) +
15
инверсия типа проводимости (NA=10 )
(внедрение примеси атомов-акцепторов)
– создание общей области p-типа
базы
Еще одна компенсация + инверсия типа
17
проводимости (ND=10 )
++
– создание области n -типа
эмиттера
Контакты, корпус и т.п.
n
p
n
p n+
Э
Б
n
p n+
или так К
К

5.

Схемы включения БТ и
режимы работы.

6.

4.
Схемы включения БТ
БТ – это ППП, имеющий три электрода (вывода):
Эмиттер, База, Коллектор
Схема включения определяется ориентацией электродов (выводов)
относительно понятий "вход" и "выход"
Э(E)
IN
БT
К(C)
Б(B)
Б(B)
OUT
0
Схема с общей базой (ОБ)
IN
БТ
К(C)
Э(E)
OUT
0
Схема с общим эмиттером (ОЭ)
Понятие "схема включения" не зависит от типа транзистора npn/pnp;
поэтому на рисунке нет конкретного УГО.
Пока (!!!) общим называется вывод присутствующий на входе и выходе,
подключенный к точке с потенциалом 0В ("Земля")
В курсе "Электроника" рассматриваются только схемы с ОБ и ОЭ.

7.

5.
Режимы работы БТ
БТ - это две взаимодействующие структуры с pn-переходами
Э-Б (E-B) и К-Б (C-B)
Режим работы определяется совокупностью состояний pn-переходов:
"открыт – прямое напряжение" – "закрыт – обратное напряжение"
UCB
Э(E) Б(В) К(С)
UEB
К(С)
Б(В)
UCB
0
Схема с общей базой (ОБ)
UBE
Э(E)
0
UCE
Схема с общим эмиттером (ОЭ)
!!! В схеме с ОЭ внешним является напряжение UCE , но режим
определяется напряжением на pn-переходе UCB=UCE – UBE
Конкретный знак напряжений на pn-переходах (но не их состояние!)
определяется типом БТ – npn или pnp и схемой включения ОБ или ОЭ.
Понятие "режим" определяется только состоянием pn-переходов,
т.е. не зависит от типа БТ и схемы включения

8.

6. Соответствия в схемах для различных типов транзисторов.
Принцип работы, свойства и характеристики БТ
объясняются для npn – типа.
Чтобы на схеме перейти к аналогичному состоянию на схеме с БТ
для pnp – типа, нужно изменить
полярности напряжений и направления токов.
NPN
E
C
IE
n
n
UEB
+
IE
B
p
IB
IE
IC
ECB
IC
0
Режим БТ-npn,
соответствующий состояниям:
Э-Б открыт, К-Б закрыт
+
PNP
E
C
p
p
+
UEB
IE
IC
B
n
IB
UCB
IC
+
0
Аналогичный режим БТ-pnр,
соответствующий состояниям:
Э-Б открыт, К-Б закрыт

9.

Принцип работы БТ на
примере npn-транзистора
в схеме с ОБ.

10.

7.
Схема с ОБ в активном режиме (АР)
Условия активного режима
UEB < 0 (для npn-типа),
IE E
IC
C
pn-переход Э-Б
n
n
на n-области Э "минус"
B
на p-области Б "плюс"
U
p
+
UCB
EB
открыт
+ IE 0
должен быть (!) у любого типа
IB IC
UСB > 0 (для npn-типа),
pn-переход К-Б
на n-области К "плюс"
на p-области Б "минус"
закрыт
должен быть (!) у любого типа
По закону Кирхгофа для узла 0: IE=IC+IB
Главные особенности АР:
значение входного тока IE сильно зависит от значения
входного напряжения UEB IE(UEB) – это прямая ветвь ВАХ,
изменение выходного тока IC повторяет закон изменения
входного тока IE ; в схеме с ОБ вообще IC ≈ IE .
значение выходного тока IC практически не зависит от
значения напряжения UCB .

11.

8.
Динамика носителей в БТ (то же самое, что у диодов).
1. Образование и исчезновения носителей
генерация: атом Si электрон + дырка (в БТ почти не влияет)
рекомбинация: электрон + дырка атом Si
2. Переход между областями ПП с различным типом проводимости
А. Инжекция – переход носителей через прямо включенный
pn-переход Э-Б под влиянием grad концентрации между Э и Б
!!! После перехода ОН из Э в Б они для Б становятся НОН
В. Экстракция – выход носителей из области под влиянием
электрического поля; восстановление электронейтральности:
через обратно включенный pn-переход К-Б,
из любой области во внешнюю цепь
3. Движение по области
А. Диффузия – движение носителей по базе после инжекции
под влиянием grad концентрации в базе Э К (только НОН!)
В. Дрейф – движение основных носителей
под влиянием электрического поля (только ОН!)

12.

9.
Движение носителей в БТ-ОБ; АР – инжекция в базу
Инжекция через открытый pn-переход Э-Б.
электроны
дырки
IE < 0
Э
3
4
(n++)
1
2
Б(p)
+
К(n )
ОН-электроны в Э
стали НОН-электронами
в Б на границе с Э и
создали в Б Grad(n)
5a
UCB
UEB
+ IE < 0
только электроны
+
0
IB>0
1 – инжекция электронов – ток инжекции IE(n)
2 – инжекция дырок – ток инжекции IE(p)
3 – часть IE , равная электронной части тока инжекции
4 – часть IE , равная дырочной части тока инжекции
5а=2 – часть IB , равная дырочной части тока инжекции

13.

10. Почему в базе p-типа происходит диффузия электронов?
Равновесная концентрация носителей в базе p-типа в [см–3 ]:
2
20
p p i
p
n
n
10
Дырки – ОН, электроны – НОН.
pp≈NA – определяется исходными свойствами.
Например: pp≈NA=1016, тогда np≈104 (очень малая!)
Неравновесная концентрация электронов, инжектируемых в
базу из эмиттера, очень мала:
и по сравнению с nn≈ND в эмиттере (например ND=1018),
и по сравнению с pp≈NA в базе.
Но она очень великапо сравнению с исходной равновесной
концентрацией НОН-электронов в базе.
Поэтом, возникает градиент и начинается диифузия по базе.

14.

11
Движение носителей в БТ-ОБ; АР – диффузия по базе
Диффузия неравновесных НОН и рекомбинация в базе.
электроны
дырки
++
Э -(n
3
IE < 0
+
Б (p)
)
1
К (n )
6
7
0
2
4
5a
5b
+ IE < 0
только электроны 0
IB>0
UEB
+
UCB
6– диффузия НОН-электронов по базе под действием Grad(n)
7 – рекомбинация электронов и дырок - потеря ОН-дырок
5a=2 – часть тока базы, равная дырочной части тока инжекции
5b=7 – часть тока базы, равная току рекомбинации

15.

12.
Движение носителей в транзисторе; АР – экстракция в коллектор
Экстракция происходит через закрытый(!!!) pn-переход К-Б.
электроны
++
Э -(n
1
дырки
IE < 0
+
К – (n )
Б (p)
)
6
7
0
3
2
8
9
4
+I < 0
E
только электроны
UCB +
5b
5a
UEB
0
IB>0
IC > 0
IC > 0
только электроны
3=(8– 9)– экстракция электронов из базы через pn-переход
!!! Все НОН, прошедшие через Б, извлекаются в К
9 – дрейф электронов через коллектор во внешнюю цепь
! Токи во внешних цепях (проводниках) создаются только электронами

16.

13. Прохождение тока через закрытый pn-переход в диоде
Анод-p
I≈0
pn-переход
Si
0
UОБР
Катод-n
+
+
I≈0
При обратном включении диода внешнее поле может
переносить через pn-переход
только электроны из p в n или дырки из n в p, а их там НЕТ
Это поле может только обеспечить экстракцию носителей из pn-перехода,
которые образованы генерацией (их очень мало!).
После экстракции внешнее поле обеспечивает
дрейф основных носителей по "своим" областям.

17.

14. Прохождение тока через закрытый pn-переход K-Б в БТ
Э (n)
Б (p)
К (n)
+
UEB
+
UCB
I≈IE(n)
При обратном включении pn-перехода в БТ внешнее поле
опять может переносить электроны из р-базы в n-коллектор
Но теперь на границу Б-К подходят почти все электроны,
инжектированные из эмиттера. В p-области есть электроны
Этих носителей может быть уже достаточно много –
ток на прямой ветви ВАХ pn-перехода Б-Э.

18.

15.
Баланс заряда в эмиттере npn-БТ.
Ток эмиттера в ПП образуется двумя типами носителей:
1) инжекция электронов из эмиттера (уход) в базу IE(n)
2) инжекция дырок из базы (приход) в эмиттер IE(p)
!!! приход дырки для изменения заряда – это то же самое, что
уход электрона (реально, вообще то же самое!)
Уход электронов компенсируется их приходом из внешней
цепи, поэтому в БТ типа npn (!) IE<0
I E I E n I E p 0
I E n
I E p
N D E
N A B
1 ; I E I E n

19.

16.
Баланс заряда в базе npn-БТ.
Ток базы в ПП создается только дырками
приходящими в базу для компенсации потери дырок:
1) после инжекции (ухода) дырок в эмиттер из базы
2) после рекомбинации (потери) дырок в базе
Уход и потери дырок в базе компенсируется приходом дырок
в базу, т.е. уходом электронов атомов оболочек атомов Si
во внешнюю цепь и образованием дырок
В БТ типа pnp IB > 0
I B I E p I REC 0
IREC – это потеря части электронов,
инжектированных в базу из эмиттера.
!!! Нельзя путать ток самой базы, т.е. ПП-области и ток внешней цепи
базы, который в любом режиме и любом типе БТ создается электронами.

20.

17.
Баланс заряда в коллекторе npn-БТ.
Ток коллектора в ПП создается
только электронами, инжектированными из эмиттера в базу за
вычетом потерь в базе на рекомбинацию
I C I E n I REC
Все электроны, приходящие из базы в коллектор, уходят из
него, создавая ток коллектора во внешней цепи
I C I E I E p I REC
Непосредственно в ПП токи создаются носителями
различного знака: IE и IC – электроны, IB - дырки.
Отсюда название – биполярные транзисторы (БТ)

21.

18.
От чего зависит ток коллектора БТ в АР?
Ток коллектора во внешней цепи определяется количеством
носителей (в ед. времени!), которое внешнее поле перенесло
через закрытый pn-переход К-Б путем экстракции из базы.
Это количество, в свою очередь, равно количеству носителей,
перешедших из эмиттера в базу путем инжекции и прошедших
через базу путем диффузии минус потери на рекомбинацию.
ВЫВОДЫ по активному режиму.:
1) ток коллектора зависит от напряжения на pn-переходе Б-Э,
т.е. от UIN ,
2) ток коллектора зависит также от следующих свойств БТ:
• уровень инжекции Б-Э, т.е. отношения IE(n)/IE(p) ,
• рекомбинация в базе при диффузии НОН,
3) ток коллектора не зависит от напряжения на pn-переходе
К-Б, т.е. от UOUT
В АР БТ может работать,
как преобразователь входного сигнала в выходной

22.

19.
Независимость тока коллектора от UCB
p
p
X
0
n
+
Попасть из n-коллектора в p-базу
электрону "мешает" барьер
обратно включенного pn-перехода
0
n
+
НО!! Если электрон оказался в p-базе
на границе области с n-коллектором
ничто не мешает ему туда "упасть"
p
p
0
n
0
+
Сколько электронов подойдет в
n
+
единицу времени к границе, столько и
попадет в коллектор независимо от
величины обратного напряжения
А электронов подойдет столько, сколько их инжектируется в базу под
воздействием напряжения UEB (минус потери на рекомбинацию )

23.

20.
Коэффициент передачи тока в схеме с ОБ (1)
Вход
IE
переход Э-Б
открыт
UIN=UEB
IIN=IE
n
UEB
E
C
B
p
Выход
IC
переход К-Б
n
IB
UCB
0
IE = IC + I B
закрыт
UOUT=UСB
IOUT=IС
IС = IE – IB = ∙IE
– коэффициент передачи постоянного тока в схеме с ОБ
1 , НО 1
IB<<IE , но IB≠0
Почему режим называется активным?
I OUT I C I E I IN
Выходной сигнал зависит только от входного сигнала
и повторяет закон его изменения.

24.

21.
Коэффициент передачи тока в схеме с ОБ (2)
Значение зависит от исходных параметров ПП
и технологии изготовления
Величина имеет расчетные формулы (нам их не надо!!!)
NB
1
1
NE
IC
1
IE
Коэффициент эффективности эмиттера:
NE , NB – концентрации примеси в Э и Б.
Обычно NE>NB на 2 – 3 порядка
Коэффициент переноса НОН через базу
при диффузии
с учетом потерь на рекомбинацию.
При тонкой базе доля рекомбинации
мала (Успевают пройти почти без потерь)

25.

Уравнения статических состояний БТ
(Молла-Эберса)
для схемы с ОБ.

26.

22.
Эквивалентная схема БТ-ОБ. Модель Молла - Эберса
I∙ I2
N∙ I1
IE=I1 – I∙ I2
E
IC= N∙ I1 – I2
B
I1=f(UEB)
UEB
I2=f(UCB)
C
UCB
IB=IE – I C
I1 , I2 – токи, создаваемые в pn-переходах приложенным
напряжением, т.е. ВАХ
U EB
I 1 I E 0 e T 1
U CB
I 2 I C 0 e T 1

27.

23.
Взаимное влияние pn-переходов.
I∙ I2
IE=I1 – I∙ I2
E
N∙ I1
IC= N∙ I1 – I2
B
I1=f(UEB)
UEB
I2=f(UCB)
C
UCB
IB=IE – I C
N∙I1 , I∙I2 – токи, переносимые через базу
из другого pn-перехода
N – Normal или просто – коэффициент передачи тока при
нормальном включении: Э-Б открыт, К-Б закрыт
I – Inverse– коэффициент передачи тока при инверсном
включении: Э-Б закрыт, К-Б открыт

28.

24.
Уравнения Молла – Эберса для схемы с ОБ
I∙ I2
N ∙ I1
IE=I1 – I∙ I2
E
IC= N∙ I1 – I2
B
I1=f(UEB)
I2=f(UCB)
UEB
UCB
C
I B I E I C 1 I E
Общий вид уравнений для любого и 4-х возможных режимов
U CB
U EB
I C N I 1 I 2 N I E 0 e T 1 I C 0 e T 1
U CB
U EB
I E I 1 I I 2 I E 0 e T 1 I I C 0 e T 1

29.

25.
Реальные формулы расчета при использовании модели М-Э.
При расчете токов БТ в реальных устройствах используют
очень упрощенные уравнения Молла-Эберса с применением
следующих допущений для уравнений ВАХ I=f(U):
• при открытом pn-переходе пренебрегают единицей,
• при закрытом pn-переходе пренебрегают экспонентой.
Основания см. През. №02, №№34,35.
Значениями обратных токов IE0 , IC0 , присутствующих в общей
сумме без множителя-экспоненты, также пренебрегают.
Уравнения ВАХ для прямой ветви
I1 I E 0 e
U EB
T
I 2 IC 0 e
U CB
T
Уравнения ВАХ для обратной ветви
I 1 I E 0 0
I 2 I C 0 0

30.

26.
Токи в схеме с ОБ в активном режиме.
Переход Э-Б открыт, переход К-Б закрыт
I C N I 1 I 2 N I E 0 e
I E I 1 I I 2 I E 0 e
U EB
T
U EB
T
I C 0 N I E 0 e
IC 0 I E 0 e
U EB
T
U EB
T
В реальных схемах значение IE задается и рассчитывается по
внешним параметрам схемы; расчет по экспоненте не делают.
IC I E I E
Индекс N у параметра опускается,
т.к. параметр I больше нигде не появляется.
В активном режиме
между токами pn-переходов присутствует связь, в
которой IOUT зависит только от тока IIN.

31.

27.
Токи в схеме с ОБ в режиме отсечки .
Переход Э-Б закрыт, переход К-Б закрыт
I C N I 1 I 2 N I E 0 I C 0 0
I E I E 0 I C 0 0
В режиме отсечки БТ
связь между токами pn-переходов отсутствует

32.

28.
Режим двойной инжекции в схеме с ОБ – носители.
pn-переход Э-Б
открыт
UEB
+
Э (n)
Б (p)
Ток
Iinj2
К (n)
Iinj1
Ток
pn-переход К-Б
открыт
UCB
+
Ток инжекции – это ток через открытый pn-переход (любой)
1-я (основная в АР) инжекция – ток через pn-переход Э-Б
I EB inj 1 I E n I E 0 e
U EB
T
f U EB f U CB
2-я (отсутствующая в АР) инжекция – ток через pn-переход К-Б
I CB inj 2 I C 0 e
U CB
T
f U CB

33.

29.
Токи в схеме с ОБ в режиме двойной инжекции.
Переход Э-Б открыт, переход К-Б открыт
В уравнениях Молла-Эберса оказывают влияние ВСЕ ЧЛЕНЫ
I C N I 1 I 2 N I E 0 e
U BE
T
U CB
I C 0 e T 1
U CB
U BE
I E I 1 I I 2 I E 0 e T 1 I I C 0 e T 1
НО!!! В реальных схемах пользоваться такими "сложными" формулами
практически никогда не приходится.
Есть гораздо более простая формула определения IC в режиме двойной
инжекции по значениям параметров схемы. Она будет приведена и
использована при изучении усилительного каскада на БТ.

34.

30. Влияние обратного тока pn-перехода К-Б на общий ток IC
UСB
любое
IE
UEB
состояние
pn-перехода К-Б
n
n
состояние
pn-перехода Э-Б
UСB>0
IC
p
0
UСB
IB
закрыт
режим:
АР или отсечка
В любом случае в ток IC вносит свой вклад
обратный (собственный) ток pn-перехода К-Б IC0
AP: ICB=IC0 , IC= ∙IEB+IC0
Отсечка: IC=ICB=IC0
Для современных Si БТ в большинстве расчетов
можно принимать IC0=0

35.

31.
Реальные режимы работы БТ в аналоговых схемах.
Работа аналоговых преобразовательных устройств происходит
в основном в активном режиме, в котором IC≈ ∙IE≈IE
В определенные моменты времени работа может происходить
в режиме отсечки, в котором IC≈IE≈0.
В обоих режимах pn-переход К-Б закрыт, т.е. для npn-БТ
Напряжение питания задается > 0 и UCB получается>0
В нормальных условиях работы аналогового устройства на
основе npn-БТ переход Б-К никогда должен быть открытым
В правильной схеме напряжение питания всегда задается > 0:
инверсный режим с UBE<0, UCB<0 отсутствует в принципе
режим двойной инжекции с UBE>0, UCB<0 может возникнуть
по ряду причин, которые станут ясными при рассмотрении
реальных схем усилительных каскадов.

36.

Статические
характеристики (графики)
схемы с ОБ

37.

32.
Характеристики БТ
Основные характеристики транзистора – функция всегда ток
Входная:
Выходная:
IIN = f(UIN)
IOUT = f(UOUT)
Передаточная: IOUT = f(UIN) или IOUT = f(IIN)
У БТ передаточная характеристика –
это просто число – значение KTR
IOUT = КTR IIN (KTR – коэффициент передачи)
В схеме с ОБ коэффициент передачи тока KTR= < 1
I OUT I C
K TR
1( 1)
I IN
IE

38.

33.
Входные характеристики БТ в схеме с ОБ
Входная характеристика –
это прямая ветвь ВАХ pn-перехода Э-Б
–IE
IE
NPN
PNP
–UEB
UEB
Тип БТ определяется только по знакам IE и UEB
Знак тока определяется направлением относительно
соответствующего вывода БТ:
втекает – плюс,
вытекает – минус

39.

34. Составляющие выходной характеристики БТ в схеме с ОБ.
Режим двойной
инжекции
IC
IC I E IC 0 0
от pn-перехода Э-Б
I C i nj 2 I C 0 e
Активный режим
U CB
T
IC 0 0
~(–0.4B)
–UCB
0
Прямая ветвь ВАХ
pn-перехода Б-К
UCB
от pn-перехода К-Б
В любом
режиме
IС Iвово
внешней
цепи
равен
В любом
режиме
внешней
цепи
равен
С
алгебраической
сумме
токов
через
оба
pn-перехода
алгебраической
сумме
токов
через
оба
pn-перехода

40.

35. Одиночная выходная характеристика БТ в схеме с ОБ.
Режим двойной
инжекции: UCB<0
Активный режим: UCB>0
I C I E I CB inj 2
IC
–UCB
~(–0.4B) 0
IC IE
UCB
Одиночная ВХ не является полностью информативной,
т.к. ее значения сильно зависят от параметра IE
Поэтому ВХ обычно представляют в виде семейства (СВХ)
с параметром IE

41.

36.
СВХ с параметром IIN=IE
NPN
IC
IC3≈ IE3(UEB3)
\UEB3\>\UEB2>\UEB1\
прямая ветвь ВАХ
pn-перехода К-Б
IC2≈ IE2(UEB2)
-UCB
*IС=IС0 при IЕ =0 (UEB≥ 0)
PNP
прямая ветвь ВАХ
pn-перехода К-Б
UCB
IC1≈ IE1(UEB1)
-IC
IC3≈ IE3(UEB3)
UCB
UEB3>UEB2>UEB1
IC2≈ IE2(UEB2)
IC1≈ IE1(UEB1)
*IС=IС0 при IЕ =0 (UEB≤ 0)
-UCB
* – для IC0 в режиме отсечки масштаб не соблюден
Схема включения – начало СВХ левее оси Y
Тип транзистора – определяется по знакам величин на осях.
Крутая часть ВХ – режим двойной инжекции
Пологая часть ВХ – активный режим.

42.

Схема включения с
общим эмиттером (ОЭ)
Основная схема УК!!!

43.

37.
Общность схем включения с ОБ и с ОЭ
IE < 0
UEB
+
IC > 0
IC > 0
+
0
UCB
IB > 0
IB > 0
+
+
UBE
0
UCE
IE < 0
1) направления (знаки) токов: IE < 0, IB > 0, IC > 0,
2) состояния(!) pn-переходов в каждом режиме:
активный: Б-Э открыт, К-Б закрыт,
отсечка: Б-Э закрыт, К-Б закрыт,
двойная инжекция: Б-Э открыт, К-Б открыт,
3) носители , составляющие ток в каждой области:
Э – электроны ≥ 99% , К – электроны, Б – дырки
4) выходной ток IOUT=IC

44.

38.
Передача тока в схеме с ОБ и с ОЭ
Схема с ОБ
Схема с ОЭ
Входной ток:
Входной ток:
IIN =IE
IIN=IB<<IE
Выходной ток: IOUT = IC
Коэффициенты передачи постоянного тока
I OUT I С
K I ОБ
I IN
IE
I OUT I С
K I ОЭ
I IN
IB
В схемах с ОБ и ОЭ коэффициенты передачи имеют
различные формулы, т.к. в этих схемах один и тот же
выходной ток, но различные входные токи

45.

39. Связь между коэффициентами передачи тока в ОБ и ОЭ
Для ОЭ
Для ОБ
IС I B
IС I E
Общее для ОБ и ОЭ
IE IC IB
Связь α и β
1
1
; 1 , 1
или
;
1 , 1

46.

40.
Идентичность схем ОБ и ОЭ в АР .
При одинаковых значениях напряжений на pn-переходах
токи в выводах БТ будут иметь одинаковые значения
в любой схеме включения (Л.Р.№3).
Коэффициенты и ,
связывающих между собой значения токов IC , IE и IB ,
можно измерять в любой схеме включения.
Названия:
• – коэффициент передачи тока в схеме с ОБ,
– коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ,
отражают физический смысл, но не обязательность схемы
включения ОБ для измерения или ОЭ для измерения β
Вообще, для измерения коэффициентов передачи достаточно
измерить два любых тока в любой схеме включения,
а далее – расчет согласно №39.

47.

41.
Условие идентичности схем с ОБ и ОЭ (Л.Р.№3)
Создание идентичности условий на pn-переходах:
на входе – V1=V2, на выходе V4=V3+V2
ОБ
ОЭ
Результат:
в активном режиме токи во всех соответствующих выводах равны,
любой коэффициент передачи можно измерять в любой схеме
Измерения в схеме с ОБ
pA3
pA3
,
pA1
pA2
Измерения в схеме с ОЭ
pA3'
pA3'
,
pA1'
pA2'

48.

42. Идентичность результатов в различных схемах включения
Схема с ОБ
Схема с ОЭ
I C pA1 4.985
0.997
IE
I1
5
IC
pA1 4.986
0.997
I E pA2
5
I C pA1 4.986 mA
343
IB
I1
14.55 uA
IC
pA1 4.985 mA
343
I B pA2 14.54 uA
При равных напряжениях на pn-переходах равны токи в электродах
и их соотношения, т.е. и β
В схеме с ОБ можно сразу задать значение IE
для БТ с неизвестным (!!!) коэффициентом передачи

49.

Уравнения статических состояний БТ
(Молла-Эберса)
для схемы с ОЭ.

50.

43. Эквивалентная схема БТ-ОЭ. Модель Молла – Эберса (01)
C
UBC
IC= N∙ I1 – I2
I2=f(UBC)
U BE
T
I
I
e
1
N∙ I1 1
E0
I1=f(UBE)
U BC
I 2 I C 0 e T 1
B
IB=IE – IC
UBE
E
I ∙ I2
IE=I1 – I∙ I2
Уравнения имеют тот же вид, что и для схемы с ОБ с учетом отличий:
переход Б-Э открыт при UBE>0 (то же, что и UEB<0)
переход Б-К открыт при UBC>0, т.е. при UBE – UCE >0

51.

44. Эквивалентная схема БТ-ОЭ. Модель Молла – Эберса (02)
C
UBC
IC= N∙ I1 – I2
I2=f(UBC)
N∙ I1
UCE>0
IC>0
B
UBE>0
IB=IE – IC
IB>0
UBE
I1=f(UBE)
E
IE<0
I∙ I2
IE=I1 – I∙ I2
При UBE>0 и UCE>0, т.е. при "правильном" задании знаков U для АР
БТ все равно может оказаться в режиме двойной инжекции
Например, UBE=0.7V, UCE=0.6V, получится UBE – UCE = +0.1V
т.е. открытый pn-переход Б-К

52.

45.
Упрощенные значения для АР и отсечки в схеме с ОЭ
Допущения для ВАХ pn-переходов те же, что и для схемы с ОБ:
при открытом pn-переходе пренебрегаем единицей,
при закрытом pn-переходе пренебрегаем экспонентой.
Допущения для обратных токов:
Значениями обратных токов, если они без множителя-экспоненты
можно пренебрегать в любом режиме.
Входной ток I; cвязь между коэффициентами передачи (см. №39):
1
1
1 , 1
Активный Режим: UBE > 0, UBC = UBE – UCE < 0
IC I E I B
Режим отсечки: UBE < 0, UBC = UBE – UCE < 0
IC 0 , I E 0 , I B 0

53.

Движение носителей
в схеме с ОЭ

54.

46. Соответствие представлениям в №9, №11, №12 (для ОБ)
Структура, соответствующая схеме с ОБ
поворачивается на 90O против ч.с.
1) Со стороны входа точка 0В переносится с базы на
эмиттер, напряжение UEB <0 меняет свой знак и
получается UBE>0, при котором переход Б-Э открыт
2) Со стороны выхода внешнее напряжение
приложено между коллектором и 0В; при условии
UCE ≥UBE получится UCB > 0, т.е. переход Б-К закрыт.
ВЫВОД
При выполнении условий:
UBE≈0.7B, ≥ 0 и UCE ≥ UBE≈0.7B
в БТ-ОЭ будет обеспечен АР.

55.

47 Движение носителей в БТ-ОЭ; АР – инжекция в базу (ср. №9)
С(n+)
B(p)
IB
5a
UCE
UBE
2
E(n++)
4
0
1
3
IE
1 – инжекция электронов
– ток инжекции IE(n)
2 – инжекция дырок – ток
инжекции IE(p)
3 – часть IE , равная
электронной части тока
инжекции
4 – часть IE , равная
дырочной части тока
инжекции
5а=2– часть IB , равная
дырочной части тока
инжекции

56.

48. Движение носителей в БТ-ОЭ; АР – диффузия по базе (ср. №11)
6 – диффузия электронов по
базе
7 – рекомбинация
электронов и дырок в базе
5b=7 – часть тока базы, равная
току рекомбинации
С(n+)
B(p)
IB
5a
7
0
5b
6
UCE
7
UBE
2
E(n++)
1
4
3
0
IE

57.

49. Движение носителей в БТ-ОЭ; АР – экстракция в коллектор (ср. №12)
IC
С(n+)
9
IC
8=(6 – 7) – экстракция электронов
из базы через pn-переход Б-К
9=8 – дрейф электронов через
коллектор во внешнюю цепь
8
B(p)
IB
5a
UCE
7
0
5b
6
7
UBE
2
E(n++)
1
4
3
0
IE
Экстракция электронов из базы
через pn-переход Б-К произвоится
напряжением, приложенным к
этому pn-переходу, т.е.
UBC=UCE – UBE
В АР оно должно быть >0!!!

58.

50
Выводы по движению носителей в схеме с ОЭ
На всех этапах рассмотрения движение носителей в схеме с
ОЭ описывается так же, как и в схеме с ОБ. Это означает:
• одинаковые механизмы перехода границ областей,
• одинаковые механизмы движения по областям.
Независимо от типа БТ, схемы включения и режима работы:
движение неосновных носителей по базе – диффузия,
движение основных носителей по "своим" областям – дрейф,
движение носителей во внешней цепи – дрейф электронов,
переход носителей через открытый pn-переход – инжекция,
переход носителей через закрытый pn-переход – экстракция,
ВЫВОД
Движение носителей в обеих схемах включения
описывается одинаково!!!

59.

51.
Описание движения носителей в pnp-БТ
1. На рисунке, отражающем движение носителей, следует поменять
между собой графические обозначения электронов и дырок.
2. Направления стрелок оставить, т.к. они отражают направление
движения.
3. Изменить на противоположные направления токов во внешних
цепях.
4. В текстовом описании (ответе) взаимно заменяются слова
"электроны" и "дырки." НО!!! Во внешней цепи – только электроны
Э (p
электроны
дырки
IE > 0
3
++
)
Б(n)
1
2
+
К(p )
Пример для №9
5a
7
+
U
UCB
BE
IE
только электроны
0
IB<0
+

60.

52.
Почему нигде не рассмотрен инверсный режим?
Нормальным режимом работы БТ в аналоговых устройствах
является активный режим.
Режимы отсечки и насыщения могут возникнуть в формально
правильной схеме по причинам:
неправильный расчет значений параметров, чаще всего,
сопротивлений резисторов,
увеличение амплитуды входного сигнала в полностью
правильной схеме
Инверсный режим отсутствует в любой формально
правильной схеме, в которой коллектор при монтаже
не перепутан с эмиттером

61.

Статические
характеристики
схемы с ОЭ

62.

53.
Характеристики БТ (аналогично №32)
Основные характеристики транзистора – функция всегда ток
Входная:
Выходная:
IIN = f(UIN)
IOUT = f(UOUT)
Передаточная: IOUT = f(UIN) или IOUT = f(IIN)
У БТ передаточная характеристика –
это просто число – значение KTR
IOUT = КTR IIN (KTR – коэффициент передачи)
I OUT I C
K TR
1 ;
I IN
IB
1
В схеме с ОЭ коэффициент передачи тока >>1 (!!!)

63.

54. Входные характеристики БТ в схеме с ОЭ
Входная характеристика аналогична
прямой ветви ВАХ pn-перехода Б-Э
Но формулой
IB
I E I BE 0 e
U BE
T
описывается ток IB<< IE
–IB
NPN
PNP
UBE
–UBE
Тип БП опознается по знакам IB и UBE
Отличия от схемы с ОБ
Y-координата IB
значения токов ~ в (50 – 500) раз меньше, чем в схеме с ОБ

64.

55. Одиночная выходная характеристика для схемы с ОЭ.
При значении UCE > UBE≈0.7B возникает UCB=UCE – UBE=< 0.
Переход Б-К закрыт, БТ в АР с IC=β IB
При снижении UCE до значения UBE≈0.7B возникает UCB=UCE – UBE=0B.
При дальнейшем снижении UCE возникает UCB<0, открывающее pn-переход
Появляется ток инжекции ICB(inj2) через pn-переход К-Б.
Ток инжекции вычитается из IC; он растет с уменьшением UCE
При уменьшении UCE растет \UCB\, оставаясь UCB< 0
При UCE≈UBE общий ток IC становится =0
IC
Режим двойной
инжекции
B
A
Активный режим
0
~0.4B
~0.7B
UCE

65.

56.
Характеристики БТ в схеме с ОЭ с параметром IIN=IB
прямая ветвь ВАХ
pn-перехода К-Б
IC3= IB3
IB3
IC2= IB2
IB2
IC1= IB1
IB1
IC=IC0 при IB =0
IC
≈ 0.7B
UCE
-IC
IC3= IB3
IC2= IB2
IC1= IB1
IB3
IB2
IB1
IC=IC0 при IB =0
≈ (–0.7B)
–UCE
|IB3|>|IB2| >|IB1|
Схема включения – начало СВХ в точке начала координат
Тип транзистора – знаки величин на осях.
Крутая часть ВХ – режим двойной инжекции
Пологая часть ВХ – активный режим.

66.

Малосигнальные
параметры БТ

67.

57.
Совмещение напряжений АС и DC в УК-БТ.
UCE
DC+AC на входе
uIN
UB.OP
IB
iIN
IB.OP
uIN
iIN
t
UCE
UC.OP
t
DC+AC на выходе
uOUT
uOUT
t
IC.OP
IC
iOUT
iOUT
t
Коэффициенты, связывающие между собой значения токов и напряжений
AC (сигналов), называют малосигнальными параметрами.
Полагается, что iAC.MAX << IDC , uAC.MAX << UDC

68.

58. Общий подход к понятию"малосигнальые параметры"
iIN
iOUT
Любой объект, у
которого
IN
uIN
взаимодействуют выход OUT uOUT
и выход
Связь между АС-током и АС-напряжением, действующими
на одной стороне объекта – это динамическое сопротивление
или сопротивление переменному току, размерность [Ω]
u IN
rIN
;
i IN
u OUT
rOUT
i OUT
Связь между АС-током и АС-напряжением, действующими
на разных сторонах объекта –
это крутизна, размерность [A/B] или [Ω– 1], чаще всего [mA/V]
i OUT
S
;
u IN
i IN
SR
u OUT

69.

59.
Связь между токами и напряжениями (неструктурированная)
iIN
uIN
iOUT
IN
Биполярный транзистор
(БТ)
OUT
uOUT
1
i IN
u IN S R u OUT
r IN
i OUT S u IN
1
rOUT
u OUT
В обоих случаях 1-е слагаемое >> 2-го, т.е. влияние входа на выход
намного сильнее, чем обратное влияние.
!!! Это утверждение нельзя применить к любому объекту,
НО для БТ оно вполне справедливо.

70.

60.
Система y-параметров БТ, как 4-полюсника (01)
i1
i2
~u1
IN
БТ –
четырехполюсник OUT ~u2
При представлении БТ, как абстрактного четырехполюсника:
1. Токи и напряжения имеют цифровые индексы: 1 для IN, 2 для OUT
2. Связь между токами и напряжениями описывается некоторой
системой параметров.
3. Если в качестве независимых величин выбраны u1=uIN и u2=uOUT ,
то параметры носят названия y-параметров
Токи и напряжения в системе y-параметров
i 1 y 11 u1 y 12 u 2
i 2 y 21 u 1 y 22 u 2
Фактически это повторение уравнений в №59, только в
другом представлении.

71.

61.
Система y-параметров БТ, как 4-полюсника (02)
i1
i2
~u1
IN
БТ –
четырехполюсник OUT ~u2
i 1 y 11 u1 y 12 u 2
i 2 y 21 u 1 y 22 u 2
Все значения y11, y12, y21, y22 имеют физический смысл – проводимость:
y11 – входная проводимость, величина обратная rIN ,
y12 – обратная передаточная проводимость (обратная крутизна),
y21 – передаточная проводимость (крутизна),
y22 – выходная проводимость, величина обратная rOUT.
Значения u1, u2 – задаются. значения i1, i2 – измеряются.
Значения y рассчитываются в условиях измерений:
• y11, y21 – при u2=0, т.е. КЗ на выходе,
• Y12, y22 – при u1=0, т.е. КЗ на входе.

72.

62.
Схема для измерения y-параметров
(a)
(b)
(a) – u2=0, режим КЗ а выходе по переменному току (!!!)
i 1 pA2
y 11
u1 v 2
i 2 pA3
y 21
u1 v 2
(b) – u1=0, режим КЗ а входе по переменному току (!!!)
i1
pA2
y 12
u2
v3
i2
pA3
y 22
u2
v3

73.

63.
Проблемы при измерении y-параметров
Режим КЗ по переменному току обеспечивается применением источника
постоянного напряжения с малым внутренним сопротивлением, т.е.
вполне решаемая задача.
НО! подключение на входе источника напряжения к pn-переходу
означает, что для режима DC ток будет изменяться по закону
IE IE 0 e
U BE
N T
1<N<2 – эмпирическая величина
для каждой модели БТ
Выводы:
для модели с неизвестными параметрами значение IE может быть
только подобрано изменением VDC на входе,
даже подбор значения VDC для требуемого значения IE на одном
экземпляре модели, не гарантирует точного повтора на другом
экземпляре такой же модели,
источник DC должен иметь точность регулировки не хуже, чем 0.01V

74.

h-параметры БТ,
как 4-полюсника

75.

64.
Система h-параметров БТ, как 4-полюсника
i1
i2
~u1
IN
БТ –
четырехполюсник OUT ~u2
В качестве независимых величин выбирают
входной ток i1 выходное напряжение u2.
Коэффициенты, связывающие токи и напряжения,
называются h-параметры.
u 1 h11 i 1 h 12 u 2
i 2 h 21 i 1 h 22 u 2
Значения i1, u2 – задаются, значения i2, i1 – измеряются.
Значения h рассчитываются в условиях измерений:
• h11, h21 – при u2=0 – КЗ на выходе по переменному току (!!!)
• h12, h22 – при i1=0 – обрыв на входе по переменному току (!!!)

76.

65.
Физический смысл h-параметров по схеме включения ОБ
i1
u1
i2
IN
OUT
u2
u 1 h11b i 1 h12 b u 2
i 2 h 21 b i 1 h 22 b u 2
В условиях u2=0, т.е. КЗ на выходе
u1 u IN
h 11b
;
i 1 i IN
i 2 i OUT
h 21 b
i1
i IN
В условиях i1=0, т.е. обрыв на входе
u IN
u1
h 12 b
;
u 2 u OUT
i OUT
i2
h 22 b
u 2 u OUT

77.

66.
Определение значений h-параметров по схеме включения ОЭ
i1
u1
i2
IN
OUT
u2
u 1 h11e i 1 h12 e u 2
i 2 h 21 e i 1 h 22 e u 2
В условиях u2=0, т.е. КЗ на выходе
u1 u IN
h 11e
;
i 1 i IN
i 2 i OUT
h 21 e
i1
i IN
В условиях i1=0, т.е. обрыв на входе
u IN
u1
h 12 e
;
u 2 u OUT
i OUT
i2
h 22 e
u 2 u OUT

78.

67.
Физический смысл h-параметров
В условиях u2=0, т.е. КЗ на выходе
u 1 u IN
h 11 b , e
i 1 i IN
i 2 i OUT
h 21 b ,e
i1
i IN
Входное сопротивление rIN
Коэффициент передачи тока:
h21b, как
h21e, как β
В условиях i1=0, т.е. обрыв на входе
u IN
u1
h12 b
u 2 u OUT
i OUT
i2
h 22 b
u 2 u OUT
Коэффициент обратной
передачи напряжения
uIN/uOUT
Выходная проводимость 1/rOUT

79.

68.
Коэффициенты передачи тока в режиме АС
Определения коффициентов передачи тока в режиме AC
полностью аналогичны определениям в режиме DC.
i OUT i C
1 h 21b 1
коэффициента α h 21b
i IN
iE
для схемы с ОБ.
Аналог
Аналог
коэффициента β
для схемы с ОЭ.
i OUT i C
h 21e
1
i IN
iB
Связь между коэффициентами такая же, как между и β .
h 21e
h 21b
;
h 21e 1
h 21b
h 21e
1 h 21b

80.

69.
Измерение значений коэффициентов передачи (1)
Коффициенты передачи тока в режиме AC
не имеют формул для аналитического вычисления.
Их значения определяются только отношениями токов и могут быть
получены только экспериментально, (т.е. измерены).
!!! На практике при необходимости получения значений и β
их тоже не рассчитывают, а измеряют
Как проводить измерения коэффициентов передачи?
"Очевидный" ответ: и h21b в схеме с ОБ, а β и h21e – в схеме с ОЭ.
Такое решение вызывает определенные неудобства.
!!! Схема БТ-ОБ гораздо более удобна для любых измерений, хотя
измерять всегда требуется коэффициенты передачи для БТ-ОЭ
Коэффициенты передачи для БТ-ОБ сохраняют значение ≈1 для всех БТ и
в широком диапазоне влияющих факторов.
Напротив, коэффициенты передачи для БТ-ОЭ не только подвержены
влиянию различных факторов, но даже имеют разброс
в пределах разных экземпляров одной модели БТ

81.

Некоторые практические
аспекты измерения
h-параметров

82.

70. Почему определение коффициентов удобнее проводить в схеме с ОБ?
Значения коэффициентов зависят от частоты, температуры и режима.
За показатель режима принято считать значение IE.OP в режиме DC,
которое задается параметрами внешней цепи:
• в схеме с ОБ на входе задается непосредственно значение IE.OP ,
• в схеме с ОЭ на входе задается непосредственно значение IB.OP , а
значение IE.OP получается через неизвестный заранее коэффициент
передачи, т.е. необходим подбор для получения требуемого значения.
!!! Установка амперметра в цепи базы для схемы с ОБ формально выводит
эту схему из класса 4-полюсника, но на достоверность результатов никак
не влияет.
Идентичность результатов получается только при измерении
коэффициентов h11(b,e) и h21(b,e),
определяемых в режиме КЗ на выходе.
Но коэффициенты h12(e,b) и h22(e,b) имеют очень малые
значения. Влиянием этих факторов обычно пренебрегают

83.

71. Что такое "КЗ на выходе" и "обрыв на входе" в реальных измерениях?
Понятия "КЗ на выходе" и "обрыв на входе" относятся
только к переменным сигналам.
При одновременном действии AC- и DC-токов и напряжений:
источник DC-напряжения на выходе представляет собой КЗ для
последовательно соединенного с ним источника AC-напряжения,
источник DC-тока на входе оказывает бесконечно большое
сопротивление любой попытке изменить этот ток, т.е. представляет
собой обрыв для источника AC-тока
Конкретная реализация источника DC-тока на входе:
в Л.Р.№3 используется идеальный источник тока из программы,
позволяющий непосредственно задавать значение IE ,
в Л.Р. №4 (и вообще на практике) для создания приближения к
источнику тока используется простая схема с расчетным значением IE
независимо от модели БТ.

84.

72.
Идеальная схема для измерений при КЗ на выходе
u E pV 1
h11b
5.4
iE
i2
i C pA2
h 21b
0.997
iE
I2
u E pV 1
h11e
2k
iB
pA1
i C pA2
h 21e
364
i B pA4

85.

73.
Идеальная схема для измерений при обрыве на входе
u E pV 1
4
h12 b
2.7 10
uC
v2
iC
pA2
h 22 b
1.6 10 7 1
uC
v2
Соответствует значению
6
rOUT 6 10

86.

74.
Получение идентичности для схем ОБ и ОЭ (Л.Р.№3)
Идентичность по DC:
установить I1ОЭ=IB(ОЭ)=IB(ОБ)=pA1
установить V1ОЭ=UCB(ОБ)+UEB(ОБ)=V1ОБ+\pV1\
тогда получается: UCB(ОЭ)=UCB(ОБ)
В результате должно получиться:
для постоянных токов эмиттера в обеих схемах: I1ОБ=pA1ОЭ
для постоянных токов базы в обеих схемах: pA1ОБ=I1ОЭ
для переменных токов эмиттера в обеих схемах: i2ОБ=pA2ОЭ
для переменных токов базы в обеих схемах: pA2ОБ=i2ОЭ

87.

END-EL#04!!!