Представление транзистора схемой замещения (эквивалентной схемой) необходимо для проведения расчетов цепей с транзисторами. В настоящее время широко используются машинные методы расчета (анализа) электронных цепей. Методы расчета электрических (электронных) цепей универсальны и известны из курса ТОЭ (метод контурных токов, метод узловых потенциалов и др.). Общим требованием для использования этих методов является представление элементов цепей в виде линейных или нелинейных двухполюсников. Тогда к цепям любой сложности можно будет применить формальные методы составления системы уравнений по выбранному методу анализа и решения ее с помощью матричного исчисления.
Различают схемы замещения большого и малого сигналов. Схемы замещения большого сигнала достоверно моделируют работу транзистора во всем диапазоне изменения напряжений и их полярностей на электродах транзистора. Однако некоторые их элементы нелинейны, и поэтому они относительно сложны. Схемы замещения малого сигнала относительно просты, но верно моделируют работу транзистора лишь на линейных участках ВАХ. Поэтому область их применения ограничена усилительным режимом работы транзистора.
Рассмотрим T-образную схему замещения транзистора на большом сигнале (модель Эберса-Молла) (рис. 4.15). Каждый p—n-переход представлен в виде диода, а их взаимодействие отражено генераторами токов. Если эмиттерный p—n-переход открыт, то в цепи коллектора будет протекать ток, несколько меньший эмиттерного (из-за процесса рекомбинации в базе). Он обеспечивается генератором тока (
). Индекс «N» означает нормальное включение.
Так как в общем случае возможно и инверсное включение транзистора, при котором коллекторный p—n-переход открыт, а эмиттерный смещен в обратном направлении и прямому коллекторному току I2 соответствует эмиттерный ток , в эквивалентную схему введен второй генератор тока
, где
– коэффициент передачи коллекторного тока в инверсном активном режиме.
Таким образом, токи эмиттера и коллектора в общем случае содержат две составляющие: инжектируемую (I1 или I2) и собираемую ( или
):
;
. (4.17)
Эмиттерный и коллекторный p—n-переходы транзистора аналогичны р-п-переходу диода. При раздельном подключении напряжения к каждому переходу их ВАХ определяется так же, как и в случае диода. Однако если к одному из p—n-переходов приложить напряжение, а выводы другого p—n-перехода замкнуть между собой накоротко, то ток, протекающий через p—n-переход, к которому приложено напряжение, увеличится из-за изменения распределения неосновных носителей заряда в базе. Выражения ВАХ эмиттерного и коллекторного переходов примут вид:
;
, (4.18)
где – тепловой ток эмиттерного p—n-перехода, измеренный при замкнутых накоротко выводах базы и коллектора;
— тепловой ток коллекторного р-n-перехода, измеренный при замкнутых накоротко выводах базы и эмиттера.
Связь между тепловыми токами p—n –переходов ,
включенных раздельно, и тепловыми токами
,
=30 height=26 src=https://electrono.ru/wp-content/image_post/tverdolob_electr/pic88_2.gif> получим из выражений (4.17) и (4.18). Пусть IЭ = 0, тогда
. При
. Подставив выражения для I1 иI2 в выражение (4.17), для тока коллектора получим:
.
Соответственно для имеем:
Токи коллектора и эмиттера с учетом выражения (4.18) примут вид:
; (4.19)
На основании закона Кирхгофа ток базы равен:
. (4.20)
При использовании выражений (4.17) – (4.20) следует помнить, что в полупроводниковых транзисторах в самом общем случае справедливо равенство
. (4.21)
Решив уравнения (4.19) относительно , получим:
. (4.22)
Уравнение (4.22) описывает выходные характеристики транзистора.
Уравнения (4.19), решенные относительно , дают выражение, характеризующее идеализированные входные характеристики транзистора:
. (4.23)
В реальном транзисторе, кроме тепловых токов через переходы. протекают токи генерации-рекомбинации, канальные токи и токи утечки. Поэтому ,
,
,
, как правило, неизвестны. В технических условиях на транзисторы обычно приводят значения обратных токов p—n-переходов (
,
). Их определяют как ток соответствующего перехода при неподключенном выводе другого перехода.
Если p—n-переход смещен в обратном направлении, то вместо теплового тока можно подставлять значение обратного тока, т.е. считать, что и
. В первом приближении это можно делать и при прямом смещении p—n-перехода. При этом для кремниевых транзисторов вместо
следует подставлять
, где коэффициент т учитывает влияние токов реального перехода (т = 2 – 4). С учетом этого уравнения (4.19), (4.21) часто записывают в другом виде, который более удобен для расчета цепей с реальными транзисторами:
; (4.24)
; (4.25)
, (4.26)
где .
Различают три основных режима работы биполярного транзистора: активный, отсечки, насыщения.
В активном режиме один из переходов биполярного транзистора смещен в прямом направлении приложенным к нему внешним напряжением, а другой – в обратном направлении. Соответственно в нормальном активном режиме в прямом направлении смещен эмиттерный переход, и в уравнениях (4.19), (4.24) напряжение имеет знак «+». Коллекторный переход смещен в обратном направлении, и напряжение
в уравнении (4.19) имеет знак «–». При инверсном включении в уравнения (4.19), (4.24) следует подставлять противоположные полярности напряжений
tent/image_post/tverdolob_electr/pic89_4.gif>,
. При этом различия между инверсным и активным режимами носят только количественный характер.
В режиме отсечки оба перехода транзистора смещены в обратном направлении с помощью внешних напряжений. При этом ток коллектора имеет минимальное значение, равное току единичного p—n-перехода, смещенного в обратном направлении. Режим отсечки характеризует запертое состояние транзистора, в котором его сопротивление максимально, а токи электродов минимальны. Он широко используется в импульсных устройствах, где биполярный транзистор выполняет функции электронного ключа.
В режиме насыщения оба p—n-перехода транзистора с помощью приложенных внешних напряжений смещены в прямом направлении. При этом падение напряжения на транзисторе () минимально и оценивается десятками милливольт. Режим насыщения возникает тогда, когда ток коллектора транзистора ограничен параметрами внешнего источника энергии и при данной схеме включения не может превысить какое-то значение
. В то же время параметры источника внешнего сигнала взяты такими, что ток эмиттера существенно больше максимального значения тока в коллекторной цепи:
.
Тогда коллекторный переход оказывается открытым, падение напряжения на транзисторе – минимальным и не зависящим от тока эмиттера.
Для того чтобы транзистор из активного режима перешел в режим насыщения, необходимо увеличить ток эмиттера так, чтобы начало выполняться условие . Значение тока
, при котором начинается этот режим, зависит от тока
, определяемого параметрами внешней цепи, в которую включен транзистор.