Электронный учебно-методический комплекс

1. Твердотельная электроника

Электронный учебно-методический
комплекс
Твердотельная электроника
Презентации к лекционному курсу
Биполярные транзисторы
МОСКВА
2020
НИУ «МЭИ»

2.

Дифференциальные параметры
биполярного транзистора

3. Линеаризация входных ВАХ в схеме с ОЭ pnp-транзистор, ОЭ

4. Линеаризация выходных ВАХ в схеме с ОЭ pnp-транзистор

5. Дифференциальные параметры биполярного транзистора

dU э
dI k
1
; rэ
| I k const
*
|Uk const æ M ; M
n*
dI э
dI э
1 U К U пр
1
DnЭ n p 0 Э W
DnЭ n pЭ 0 W
1
;
1
D pБ pn 0 Б LnЭ
D pБ pn LnЭ
W
æ сh
L
pБ
1
1 W
1
2 L pБ
dI K
1 dI Б
2
1
dU k
rk
| I э const
dI k
1 W
1
2 L pБ
2

6.

Зависимость коэффициентов α и β от напряжения
на коллекторе
* M
M
1
1 U К U пр
w æ
n*
dI К
|U Э const
dI Б
1

7.

Зависимость коэффициента усиления β от тока
эмиттера и напряжения на коллекторе
w

8.

Удобство физических параметров заключается в том, что они
позволяют наглядно представить влияние конструктивнотехнологических параметров тр-ра на его эксплуатационные
характеристики.
Так, например, уменьшение степени легирования базы или ее
толщины должны приводить к росту rб и, соответственно, к
увеличению обратной связи в транзисторе.
К недостаткам физических параметров следует отнести то,
что их нельзя непосредственно измерить и значения для них
получают пересчетом из других параметров.

9. Температурная зависимость параметров биполярных транзисторов

осн пр
Eg
Ea
'
0 exp
0 exp
kT
2kT
Проводимости обусловлены ионизацией атомов основного
материала и примеси, зависят от μ(Т) и концентраций НЗ, в
диапазоне от -60 до + 60 оС rб тр-ров сначала ↑, а затем ↓.
rэ
↑
I э0
Т
↑
I э I э0
q DnЭ n p 0 Э
LnЭ
↑
Т
kT q
q D pБ p n 0 Б
W

10.

Коэффициент передачи α с ↑Т увеличивается, что связано с
увеличением диффузионной длины дырок.
Температурная зависимость коэффициента передачи β
связана с возрастанием времени жизни ННЗ в базе тр-ра с ↑Т.
Для большинства БТ коэффициент β ↑ по степенному закону
~ T 1... 2

11. Работа транзистора в импульсном режиме

В точке А тр-тор закрыт (режим отсечки), КП находится под
обратным, а ЭП – под прямым напряжением; в точке К тр-р
находится в открытом состоянии (режим насыщения), КП и ЭП
смещены в прямом направлении.

12.

Простейший усилительный каскад на
транзисторе, включенном по схеме ОЭ
u вых RН i К
R K rвых
u K
iК
R К rвых
Схема с ОЭ поворачивает фазу на 180 градусов. Фаза
выходного напряжения в схеме с ОБ по отношению к входному
не меняется.

13.

Иллюстрация работы усилительного каскада

14.

Малосигнальные схемы замещения
транзисторов

15. Линеаризация входных ВАХ в схеме с ОЭ

16. Линеаризация выходных ВАХ в схеме с ОЭ

17.

Параметры транзистора как четырехполюсника
а) БТ в схеме с ОБ;
б) БТ в схеме с ОЭ
U1 f ( I1 , I 2 );U 2 f ( I1 , I 2 )

18.

Если на постоянные составляющие токов и
напряжений наложены малые сигналы переменного
напряжения u или i, то их амплитуды (или действующие
значения) можно рассматривать как малые приращения
постоянных составляющих.
В зависимости от того, какие из этих параметров
выбраны в качестве входных, а какие в качестве
выходных, можно построить три системы формальных
параметров транзистора как четырехполюсника:
системы
r-параметров,
g-параметров
и
h-параметров.

19. Эквивалентная схема транзистора для системы r-параметров

20. Система r-параметров

U1
U1
dU1
dI1
dI 2
I1
I 2
u1 r11i1 r12i2
U 2
U 2
dU 2
dI 1
dI 2
I 1
I 2
u2 r21i1 r22i2

21.

Описание r-параметров
u1
r11 |i2 0
i1
– входное сопротивление тр-ра в режиме ХХ в
выходной цепи.
u1
r12 |i1 0
i2
– сопротивление обратной связи (ОС) в режиме
ХХ во входной цепи.
u2
r21
|i2 0
i1
–
сопротивление прямой передачи сигнала,
измеренное в режиме ХХ в выходной цепи.
u2
r22
|i1 0 – выходное сопротивление тр-ра,
режиме ХХ во входной цепи.
i2
измеренное в

22. Эквивалентная схема для g-параметров

23. Система g-параметров

I1 f (U1 ,U 2 )
I 2 f (U1,U 2 )
I1
I1
dI1
dU1
dU 2
U1
U 2
i1 g11u1 g12u2
I 2
I 2
dI 2
dU1
dU 2
U1
U 2
i2 g21u1 g22u2

24.

Описание g-параметров
i1
g11 |u2 0
u1
– входная проводимость тр-ра при КЗ на выходе.
i1
g12
|u1 0 – проводимость обратной передачи при КЗ на
u2
входе.
g 21
i2
|u2 0
u1
g 22
i2
|u1 0 – выходная проводимость тр-ра при КЗ на входе.
u2
– проводимость прямой передачи, которая
характеризует влияние входного напряжения
на выходной ток при КЗ на выходе.

25.

Следует особо подчеркнуть, что
1
rij
g ij
, так как r-
параметры измеряются в режиме ХХ, а g–параметры – в
режиме КЗ на входе и выходе тр-ра.
Поскольку при измерениях задаются напряжения,
необходимо осуществлять режим генератора напряжения, т.е.
сопротивление генератора на частоте сигнала должно быть
много меньше входного или выходного сопротивления тр-ра.

26. Система h-параметров

Система h-параметров используется как комбинированная
система из двух предыдущих, причем из соображений удобства
измерения параметров БТ выбирается режим КЗ на выходе
(u2=0) и режим ХХ на входе (i1=0).
Поэтому для системы h-параметров в качестве входных
параметров задаются ток i1 и напряжение u2, а в качестве
выходных параметров рассчитываются ток i2 и напряжение u1,
U1 = f1 (I1 , U2), I2 = f2 (I1 , U2).

27. Эквивалентная схема для h-параметров

U 1
U 1
dU 1
dI 1
dU 2 ,
I 1
U 2
I 2
I 2
dI 2
dI 1
dU 2
I 1
U 2
u1 h11i1 h12u 2
i2 h21i1 h22u 2

28.

Описание h-параметров
u1
h11 |u2 0
i1
– входное сопротивление при КЗ на выходе.
u1
h12 |i1 0
u2
– коэффициент ОС при ХХ во входной цепи.
i2
h21 |u 0
i1
– коэффициент прямой передачи тока при КЗ на
выходе.
i2
h22
|i1 0
u2
– выходная проводимость при ХХ во входной
цепи транзистора.
2

29. Формулы Эберса-Молла

Основной моделью БТ считается модель, справедливая для
любых токов (как малых, так и больших) и предложенная Дж. Дж.
Эберсом и Дж. Л. Моллом в 1954 г., и поэтому носящая их имя.
Эта модель построена на интерпретации работы тр-ра как
прибора на взаимодействующих pn-переходах для произвольного
сигнала. Для примера рассмотрим pnp-транзистор.

30. Схема замещения Эберса-Молла

1
2

31. Расчет модели Эберса-Молла

узел1
узел 2

32. Продолжение расчета

33.

IЭ0 и IК0 – токи насыщения эмиттерного и коллекторного p-nпереходов Iэ0 = Sэ (jэ ps+ jэ ns), Iк0 = Sк (jк ps+ jк ns).
js jsn jsp
q Dn n p
Ln
q D p pn
Lp
Dn
Dp
q n
L p
n p L p nn
2
i
.

34.

35. Окончательные формулы

IЭ
I
U
exp Э 1 I К 0
1 N I
T
1 N I
I Э0
N I Э0
IК
1 N I
U
exp К 1 ,
Т
UЭ
IK0
exp
1
T
1 N I
UК
exp
1 ,
Т
I K 0 1 I
I Э 0 1 N
UЭ
UК
IБ IЭ IК
exp
1
exp
1 ,
1 N I
T
Т
1 N I
1
DnЭ n p 0 Э L pБ
dI К
W
N
1
th
dI Э
D pБ p n 0 Б LnЭ
L pБ
ch W
L
pБ
DnК n p 0 К L pБ
W
1
th
D pБ p n 0 Б LnК
L pБ
ch W
L
pБ
I
dI Э
dI К
1
1
1
1
DnЭ N Б W
1
D
N
LnЭ
pБ
Э
,
D NБ W
1 nК
D pБ N К LnК
,
1

36.

В npn-транзисторе:
DpЭ N aБ LnБ
W W
N 1
th
ch
DnБ N dЭ L pЭ LnБ LnБ
1
D pЭ N aБ W
1
D N L
nБ
dЭ
pЭ
DpК N aБ LnБ
W
W
I 1
th
ch
DnБ N dК LpК LnБ
LnБ
1
1
DpК N aБ W
1
DnБ N dК LpК
1

37.

Строение интегрального биполярного
npn-транзистора