что такое модуляция толщины базы коллекторным напряжением

Модуляция толщины базы (эффект Эрли)

Толщина р-п перехода зависит от величины и знака напряжения смещения.

При наличии прямого смещения (U_np) толщина р-п перехода мала, поэтому при изменении U_э.п.. изменения толщины эмиттерного перехода также малы и их можно не учитывать.

К коллекторному переходу приложено обратное напряжение U_к.п.. Толщина перехода сравнительно большая. Коллекторный переход расположен почти целиком в области базы. Поэтому изменения толщины коллекторного перехода при изменениях напряжения на коллекторе приводят к заметному изменению толщины базы.

С ростом U_к.п. ширина перехода увеличивается, а толщина базы уменьшается.

Изменение толщины базы транзистора в результате изменения ширины слоев пространственных зарядов р-п переходов при изменении напряжения на них называется модуляцией толщины базы или эффектом Эрли.

Уменьшение толщины базы снижает число рекомбинаций дырок при их диффузии через базу и увеличивает коэффициент переноса дырок χ и ток коллектора I_к.

Увеличение толщины базы (при U_э.п.=const) приводит к уменьшению тока эмиттера.

Изменение ширины базы существенно влияет на физические процессы в ней. Изменяется соотношение между током коллектора и базы, плотность диффузионного дырочного тока тоже изменяется.

изменяется время диффузии дырок, что сказывается на частотных свойствах транзистора.

Способы включения биполярных транзисторов

Источник

Полупроводник. Удельное электрическое сопротивление полупроводников. Собственный полупроводник

Страницы работы

Фрагмент текста работы

области коллектора, так как в этой области значительная концентрация примесей;

2) в области базы, так как здесь концентрация примесей меньше, а удельное сопротивление больше;

3) одинаково в области базы и коллектора.

Токи эмиттера и коллектора от толщины базы

2) зависят, причем токи возрастают с уменьшением толщины базы;

3) зависят, причем токи уменьшаются с ростом толщины базы;

4) зависят, причем токи увеличиваются с ростом толщины базы.

Модуляция толщины базы коллекторным напряжением – это

1) изменение толщины базы при изменении коллекторного напряжения вследствие изменения ширины коллекторного перехода;

2) влияние коллекторного напряжения на толщину базы в области вывода базы;

3) изменение толщины базы из-за влияния коллекторного напряжения на ширину эмиттерного перехода;

4) правильного ответа нет.

Электрическое поле в области базы бездрейфового биполярного транзистора

3) правильного ответа нет.

Режим отсечки биполярного транзистора – это состояние, когда

1) коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном;

2) коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттерный – в прямом;

3) коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении;

4) коллекторный и эмиттерный переходы смещены в обратном направлении.

Входное сопротивление усилительного каскада на биполярном транзисторе меньше

1) при включении с общей базой;

2) при включении с общим эмиттером;

3) при включении с нагрузкой по схеме с общим коллектором;

4) при любом включении сопротивление одинаково.

Получить усиление тока при включении транзистора по схеме с общей базой

3) можно при большом сопротивлении в цепи коллектора;

4) можно при малом сопротивлении в цепи коллектора.

Наибольшее усиление мощности обеспечивает

1) схема с общей базой;

2) схема с общим эмиттером;

3) схема с общим коллектором;

4) во всех схемах усиление мощности одинаково.

Активный режим работы транзистора – это

1) эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении;

2) эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении;

3) эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный – в обратном;

4) эмиттерный переход смещен в обратном направлении, коллекторный – в прямом.

Усилительный каскад имеет минимальное выходное сопротивление

Усиление тока можно получить

1) в схеме с общей базой;

2) в схемах с общим эмиттером и общим коллектором;

3) в схемах с общим эмиттером и общей базой;

4) в схемах с общим коллектором и общей базой.

Режим насыщения транзистора – это состояние, когда

1) эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении;

2) эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный – в обратном;

3) эмиттерный переход смещен в обратном направлении, коллекторный – в прямом;

4) оба перехода смещены в прямом направлении.

Типичные значения коэффициента передачи тока h_21Б транзистора в схеме с ОБ составляют

Входными характеристиками транзистора называются зависимости

Выходными характеристиками транзистора называются зависимости

Основными семействами характеристик транзистора являются

1) семейства характеристик входных и передачи тока;

2) семейства характеристик выходных и обратной связи;

3) семейства характеристик передачи тока и обратной связи;

4) семейства характеристик входных и выходных.

В эмиттерном переходе транзистора происходят процессы

1) диффузионное перемещение носителей заряда из области базы4

2) инжекция носителей заряда из эмиттера в базу;

3) дрейфовое перемещение основных носителей заряда из эмиттера в базу;

4) дрейфовое перемещение носителей заряда из базы в эмиттер.

В области базы транзистора происходит

1) рекомбинация неосновных носителей с основными носителями области

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Модуляция толщины базы при этом уменьшается и воздействие коллекторного тока на эмиттер ослабевает. [1]

Модуляции толщины базы напряжением эмиттера практически не происходит, так как из-за малого сопротивления отпертого перехода переменная составляющая напряжения эмиттерного перехода много меньше, чем коллекторного. [2]

Модуляция толщины базы объясняет некоторый подъем выходных характеристик при увеличении отрицательного напряжения коллектор-база. Коллекторный ток при этом увеличивается, так как меньшая часть дырок теряется в базе на пути от эмиттера к коллектору вследствие рекомбинации с электронами. [4]

Модуляция толщины базы изменяет количество дырок, реком-бинирующих при передвижении от эмиттера к коллектору. Это приводит к зависимости коэффициента переноса Р, а следовательно, и коэффициента передачи тока эмиттера а от напряжения на коллекторном переходе. [5]

В-третьих, модуляция толщины базы меняет время диффузии дырок через базу; тем самым коллекторное напряжение влияет на частотные свойства транзистора. [8]

В фототранзисторах модуляция толщины базы приводит к модуляции фототока коллекторного перехода гфк. Следовательно, в фототранзисторах при засветке возникает добавочная проводимость коллектора. [9]

Таким образом, учет модуляции толщины базы позволяет получить правильное значение для дифференциального сопротивления коллектора, хорошо согласующееся с опытом. [12]

В реальных триодах за счет модуляции толщины базы значения / С редко превышают 104, поэтому все указанные выше изменения в эквивалентной схеме можно считать связанными только с этим эффектом. [13]

Внутренняя обратная связь в транзисторе вследствие модуляции толщины базы определяется изменениями напряжения на коллекторе, равными по абсолютной величине приращениям напряжения на нагрузке. [15]

Источник

5.2.3. Модуляция ширины базы. Эффект Эрли

При нормальном включении биполярного транзистора на эмиттерный переход подается прямое смещение U_эп, а на коллекторный переход – обратное,U_кп.

Рассмотрим, как такое включение влияет на изменение ширины базы биполярного транзистора (рис. 5.21).

В эмиттерном переходе, включенном в прямом направлении, ширина запирающего слоя распространяется в область базы и равна

≈0,1 мкм.

К коллекторному переходу приложено обратное напряжение и ширина запирающего слоя, распространяющегося в область менее легированной базы, значительно больше:

≈1…5 мкм.

Увеличение абсолютного значения обратного напряженияU_кпведет к уменьшению ширины базы на величинуW_Б′= W_Б— Δl_кп (рис 5.21). Этот эффект называютмодуляцией ширины базы.

Рассмотрим, как модуляция ширины базы влияет на коэффициент передачи . Проанализируем возможность зависимости коэффициента передачиот напряжения на коллектореU_к. Эта зависимость может проявиться через следующие цепочки: увеличение напряжения на коллектореU_кувеличит ширину запирающего слояp‑nперехода l_кп, а увеличение ширины запирающего слояp‑nперехода вызовет уменьшение («модуляцию») ширины базы.

Из-за уменьшения ширины базы W_Бпри увеличении напряженияU_кна коллекторе отношениебудет уменьшаться, гдеL– диффузионная длина инжектированных носителей является неизменной величиной. Поэтому скорость рекомбинации избыточных носителей в базе также будет уменьшаться и большее количество неосновных носителей заряда дойдет до коллектора. В результате ток коллектораI_квозрастает, а так как, то увеличивается коэффициент передачи тока эмиттера.

Зависимость  от отношения ширины базыW к диффузионной длине носителей заряда L очевидна из анализа выражения (4.61) для коэффициента передачи :

,

откуда следует, что при уменьшение отношения коэффициент передачи тока эмиттера возрастает, а при увеличениизначение уменьшается.

Изменение коэффициента передачи  биполярного транзистора вследствие модуляции ширины базы при изменении коллекторного напряжения U_к получило название “эффект Эрли”.

Как следствие, на зависимости I_к=f(U_к)_|Iэ=constпри увеличении напряженияU_кна коллекторном переходе несколько возрастает и ток коллектораI_к. Это свидетельствует о том, что значение дифференциального сопротивленияr_кобратно-смещенного коллекторного перехода имеет хотя и высокое, но конечное значение.

5.2.4. Дифференциальные сопротивления переходов биполярного транзистора

Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода r_копределяется как

. (5.26)

Подставляя параметры в выражение (5.29), получаем r_к  5,2 МОм.

На рисунке 5.22 приведены выходные характеристики I_к=f(U_к)_|Iэ=constбиполярного транзистора в схеме с ОБ, иллюстрирующие влияние конечного сопротивления коллекторного перехода, обусловленным эффектом Эрли. Заметим, что пересечения продолжений пологих частей коллекторных характеристик с осью напряжений сходятся в одной точке. Напряжение, соответствующее этой точке называетсянапряжением Эрлии приводится в качестве справочных данных на транзистор.

С учетом дифференциального сопротивления коллекторного перехода выражение (5.21) для коллекторного тока в схеме с ОБ приобретает вид

, (5.30)

где U_кб– обратное напряжение коллектор-база.

Для расчета дифференциального сопротивленияе эмиттерного перехода используется выражение (4.15) для прямосмещенного p—nперехода:

,

где I_э– ток через эмиттерный переход.

Источник

Биполярные транзисторы. For dummies

Предисловие

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Источник