Физически еквивалентни схеми на биполярни транзистори

Както вече беше споменато, физическите еквивалентни схеми се изграждат на базата на едномерен теоретичен модел, който предполага, че физическите процеси в полупроводниковите структури могат да се считат за локализирани в определени области и да се вземат предвид чрез включване на определен (краен) брой елементи (резистори, кондензатори, източници на ток и др.) в еквивалентни схеми.

Физически еквивалентни схеми, както и еквивалентни схеми за линейни вериги с четири извода, могат да бъдат изградени за различни транзисторни превключващи вериги. Въпреки това, тъй като самата превключваща верига не може да повлияе на физическите характеристики на транзистора, почти всички параметри на физическите еквивалентни схеми остават същите, независимо от превключващата верига на транзистора.

На фиг. 4.13, 4.14 са два от най-простите начини за изграждане на физически еквивалентни схеми на биполярен транзистор. В диаграмата на фиг. 4.13 усилващите свойства на транзистора се моделират чрез включване на идеализиран източник на ток в колекторната верига, а във веригата на фиг. 4.14 - източник на напрежение. Освен това и в двата случая могат да се използват различни групи физически параметри за елементи на еквивалентна схема.

Фиг. 4.13. \(p\)-\(n\)-\(p\)-тип биполярен транзистор с малък сигнал физическа еквивалентна схема с източник на ток

Фиг. 4.14. \(n\)-\(p\)-\(n\)-тип биполярен транзистор с малък сигнал физическа еквивалентна схема с източник на напрежение

Всички величини, действащи като параметри на елементи на физически еквивалентни вериги, имат ясно физическо значение:

\(r_b\) - диференциално съпротивление на базовата област на транзистора, равно на сумата от разпределеното съпротивление на основата \(r_b^\) и неговата дифузиясъпротивления \(r_b^\): \(r_b \u003d r_b^ + r_b^\), типични за планарни транзистори с ниска мощност са стойностите \(r_b \приблизително \);
\ (r_e \) - диференциално съпротивление на емитера, на практика често се наблюдава:

\ (r_k \) - диференциално съпротивление на колектора във веригата с OB, обикновено това съпротивление е много по-голямо от \ (r_e \) и \ (r_b \) и възлиза на десетки или стотици килоома;
\(C_k\) е капацитетът на колекторния преход във веригата с OB;
\(\alpha\) е диференциалният коефициент на пренос на ток на емитер във веригата с ОВ;
\(\beta\) - диференциален коефициент на пренос на ток на базата във веригата с OE,

\(r_k^*\) - диференциално колекторно съпротивление във веригата с OE,

\ (C_k ^ * \) - капацитетът на колекторния преход във веригата с OE,

\( C_k^* \приблизително C_k \left( \beta + 1 \right) \);

\ (r_g \) - съпротивление, отразяващо усилващите свойства на транзистора във веригата с OB,

\(r_g^*\) - съпротивление, отразяващо усилващите свойства на транзистора във веригата с OE,

Когато изобразяват физически еквивалентни вериги, те се опитват да приемат положителните посоки на променливите токове и напрежения, за да съвпаднат с реалните постоянни токове и напрежения на съответните електроди на транзистора (пълно съвпадение обикновено не се получава).

В случай на разглеждане на конкретна схема за включване на биполярен транзистор, един от неговите електроди е общ за входа и изхода на веригата и изборът на опцията (с източник на ток или с източник на напрежение) на еквивалентната схема се прави, като се вземе предвид удобството на изчисленията и анализа на модела.

Малко по-малко очевиден е изборът на една или друга група параметри на елементи на еквивалентна схема (виж опции 1, 2на фиг. 4.13, 4.14). Тук, на първо място, е необходимо да се ръководите от веригата за свързване на транзистора към етапа на усилвателя. Ако това е схема с OE, винаги е по-добре да се използва опция 1 (съгласно фиг. 4.13, 4.14), във верига с OB - опция 2, но за верига с ОК, както първата (в повечето случаи), така и втората опция може да бъде удобна, в зависимост от това какви свойства на веригата анализираме и в какъв режим работи транзисторът (режимът тук означава целия набор от външни влияния, упражнени върху устройството).

Като цяло, разликите между параметрите на еквивалентната схема за различни начини на свързване на транзистора към усилващия етап са продиктувани преди всичко от известна неточност на изградения модел на физически процеси в транзистора. Тези. ние се опитваме да увеличим точността на този модел, като коригираме параметрите на някои елементи от еквивалентната схема, като вземем предвид особеностите на работата на транзистора при всеки конкретен начин на включване. Трябва да се разбере, че по този начин (избирайки правилната опция за параметрите, използвани на фиг. 4.13, 4.14) можем само леко да повишим точността на анализа, но не и да постигнем радикално нови резултати.

Като конкретен пример, на фиг. 4.15 показва еквивалентната схема на биполярен транзистор при включване с OB (опция с генератор на ток \(\alpha \dot_E\)), именно тази схема ще използваме в бъдеще, за да анализираме усилващите етапи на транзисторите при включване с OB.

Фиг. 4.15. Т-образна слабосигнална физическа еквивалентна схема на \(n\)-\(p\)-\(n\)-тип биполярен транзистор с източник на ток \(\alpha .I_e\), когато е включен с OB

Капацитетите, показани в еквивалентните схеми с пунктирана линия (фиг. 4.13, 4.14, 4.15), ни позволяват да симулираме проявлениетореактивност в транзистора с увеличаване на честотата на променливия сигнал. Както може да се види от еквивалентните схеми, обикновено се ограничава до разглеждане само на капацитета на колекторния преход на биполярен транзистор, който като правило е по-висок от всички останали налични капацитети и има най-голям ефект върху усилващите свойства на транзистора. Въпреки това, в общия случай, при високочестотен анализ, трябва не само да добавите капацитета на колекторния преход, но и да вземете предвид честотните зависимости на параметрите на други елементи на физическата еквивалентна схема на транзистора (предимно коефициентите на прехвърляне \(\alpha\) и \(\beta\)).

Пример за високочестотна физическа еквивалентна схема на биполярен транзистор в OB превключвател, където честотната зависимост на коефициента на пренос на ток на емитер \(\alpha(\omega)\) се моделира от допълнителна \(RC\)-верига, е показана на фиг. 4.16. В тази схема стойностите \(R\) и \(C\) се избират въз основа на отношението .

Фиг. 4.16. \(n\)-\(p\)-\(n\)-тип слабосигнална високочестотна физическа еквивалентна схема на биполярен транзистор

След поредица от последователни опростявания тази схема се редуцира до формата, показан на фиг. 4.17 (така наречената схема на Причард). Съществено предимство на такава схема е, че нейните елементи имат добре дефиниран физически смисъл.

Фиг. 4.17. Опростена слабосигнална високочестотна физическа еквивалентна схема на биполярен транзистор тип \(n\)-\(p\)-\(n\) (схема на Причард)

Параметрите на физическите еквивалентни схеми могат да бъдат изразени чрез диференциалните параметри на четиритерминалния транзистор (Таблица 4.5). Трябва само да се разбере, че такива формули са правилни само с определена точност, тъй като има някои разлики между физическите модели на транзисторите имодел на линеен проходен четириполюсник.

Раздел. 4.5. Връзка между физическите параметри на биполярен транзистор и неговите диференциални \(h\)-параметри