Фізичні еквівалентні схеми біполярних транзисторів

Як мовилося раніше, фізичні еквівалентні схеми будуються з урахуванням одномірної теоретичної моделі, що передбачає, що фізичні процеси в напівпровідникових структурах можуть розглядатися локалізованими у певних областях і враховуватися включенням в еквівалентні схеми деякого (кінцевого) числа елементів (резисторів, конденсаторів, джерел струму і джерел струму). п.).

Фізичні еквівалентні схеми, як і схеми заміщення прохідних лінійних четырехполюсников, можуть будуватися до різних схем включення транзисторів. Однак, оскільки сама по собі схема включення не може впливати на фізичні характеристики транзистора, майже всі параметри фізичних еквівалентних схем залишаються тими самими незалежно від схеми включення транзистора.

На рис. 4.13, 4.14 представлені два найпростіші способи побудови фізичних еквівалентних схем біполярного транзистора. У схемі на рис. 4.13 підсилювальні властивості транзистора моделюються включенням до колекторного ланцюга ідеалізованого джерела струму, а у схемі на рис. 4.14 - джерела напруги. Крім цього, в обох випадках можуть застосовуватись різні групи фізичних параметрів для елементів еквівалентної схеми.

Мал. 4.13. Т-подібна малосигнальна фізична еквівалентна схема біполярного транзистора \(p\)-\(n\)-\(p\)-типу з джерелом струму

Мал. 4.14. Т-подібна малосигнальна фізична еквівалентна схема біполярного транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типу з джерелом напруги

Всі величини, що виступають як параметри елементів фізичних еквівалентних схем, мають чіткий фізичний зміст:

\(r_б\) - диференціальний опір базової області транзистора, дорівнює сумі розподіленого опору бази \(r_б^\) та її дифузійногоопору \(r_б^\): \(r_б = r_б^ + r_б^\), типовими для малопотужних планарних транзисторів є значення (r_б \approx \);
\(r_е\) - диффеенціальний опір емітера, на практиці часто дотримується:

\(r_к\) - диференціальний опір колектора в схемі з ПРО, зазвичай це опір набагато більше \(r_е\) і \(r_б\) і становить десятки або сотні кілоом;
\(C_к\) - ємність колекторного переходу в схемі з ПРО;
\(\alpha\) - диференціальний коефіцієнт передачі струму емітера у схемі з ПРО;
\(\beta\) - диференціальний коефіцієнт передачі струму бази у схемі з ОЕ,

\(r_к^*\) - диференціальний опір колектора в схемі з ОЕ,

\(C_к^*\) - ємність колекторного переходу в схемі з ОЕ,

\( C_к^* \approx C_к \left( \beta + 1 \right) \);

\(r_г\) - Опір, що відображає підсилювальні властивості транзистора в схемі з ПРО,

\(r_г^*\) - Опір, що відображає підсилювальні властивості транзистора в схемі з ОЕ,

При зображенні фізичних еквівалентних схем позитивні напрями змінних струмів і напруг намагаються приймати збігаються з реальними постійними струмами та напругами на відповідних електродах транзистора (повного збігу зазвичай не виходить).

У разі розгляду будь-якої конкретної схеми включення біполярного транзистора один з його електродів є загальним для входу та виходу схеми, а вибір варіанту (з джерелом струму або джерелом напруги) еквівалентної схеми проводиться з урахуванням зручності обчислень та аналізу моделі.

Дещо менш очевидним є вибір тієї чи іншої групи параметрів елементів еквівалентної схеми (див. варіанти 1, 2на рис. 4.13, 4.14). Тут насамперед необхідно керуватися схемою включення транзистора до підсилювального каскаду. Якщо це схема з ОЕ, то завжди краще використовувати варіант 1 (за рис. 4.13, 4.14), у схемі з ПРО - варіант 2, а ось для схеми з ОК можуть виявитися зручними як перший (у більшості випадків), так і другий варіанти , залежно від цього, які характеристики схеми ми аналізуємо й у якому режимі працює транзистор (під режимом тут розуміється вся сукупність зовнішніх впливів, наданих на прилад).

Взагалі, відмінності між параметрами еквівалентної схеми різних способів включення транзистора в підсилювальний каскад продиктовані в першу чергу деякою неточністю побудованої моделі фізичних процесів в транзисторі. Тобто. ми намагаємося збільшити точність даної моделі шляхом коригування параметрів деяких елементів еквівалентної схеми з урахуванням особливостей роботи транзистора кожного конкретного способу його включення. Слід розуміти, що таким чином (правильним вибором варіанта параметрів, що використовуються за рис. 4.13, 4.14) ми можемо лише трохи збільшити точність аналізу, але не домогтися якихось радикально нових результатів.

Як конкретний приклад на рис. 4.15 представлена еквівалентна схема біполярного транзистора у включенні з ПРО (варіант з генератором струму \(\alpha \dot_Е\)), саме таку схему ми надалі використовуватимемо для аналізу підсилювальних каскадів на транзисторах у включенні з ОБ.

Мал. 4.15. Т-подібна малосигнальна фізична еквівалентна схема біполярного транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типу з джерелом струму \(\alpha .I_е\) при включенні з ПРО

Показані на еквівалентних схемах пунктиром ємності (рис. 4.13, 4.14, 4.15) дозволяють моделювати проявреактивностей у транзисторі зі збільшенням частоти змінного сигналу. Як видно з еквівалентних схем, зазвичай обмежуються розглядом тільки ємності колекторного переходу біполярного транзистора, яка, як правило, вища за всі інші наявні ємності і надає найбільший вплив на підсилювальні властивості транзистора. Однак у загальному випадку при високочастотному аналізі слід не просто додавати ємність колекторного переходу, а й враховувати частотні залежності параметрів інших елементів фізичної еквівалентної схеми транзистора (насамперед коефіцієнтів передачі \(\alpha\) і \(\beta\)).

Приклад високочастотної фізичної еквівалентної схеми біполярного транзистора у включенні з ПРО, де частотна залежність коефіцієнта передачі струму емітера \(\alpha(\omega)\) моделюється додатковою \(RC\)-ланцюжком, наведений на рис. 4.16. У цій схемі значення (R) і (C) вибираються виходячи із співвідношення .

Мал. 4.16. Малосигнальна високочастотна фізична еквівалентна схема біполярного транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типу

Після ряду послідовних спрощень дана схема наводиться до виду, наведеному на рис. 4.17 (так звана схема Прітчарда). Істотна перевага такої схеми полягає в тому, що її елементи мають певний фізичний зміст.

Мал. 4.17. Спрощена малосигнальна високочастотна фізична еквівалентна схема біполярного транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типу (схема Прітчарда)

Параметри фізичних еквівалентних схем можуть бути виражені через диференціальні параметри транзистора-чотириполюсника (табл. 4.5). Слід лише розуміти, що такі формули вірні лише з певною точністю, оскільки є деякі відмінності між фізичними моделями транзисторів тамоделлю лінійного прохідного чотириполюсника.

Таб. 4.5. Зв'язок фізичних параметрів біполярного транзистора з його диференціальними \(h\)-параметрами