Зарядовая модель биполярного транзистора

Эта удобная для анализа времезависимых процессов модель основана на том, что при анализе работы БТ рассматриваются не напряжения, падающие на отдельных его участках, и не токи, протекающие в нем, а заряды, накапливаемые в отдельных его областях.

Напряжение смещения, приложенное к эмиттерному переходу, изменяет не только избыточный заряд электронов в квазинейтральной области базы , но и заряд дырок , инжектируемый в эмиттер, а также заряды, накопленные в барьерных емкостях эмиттерного и коллекторного переходов.

В активном нормальном режиме сумма величин зарядов с ростом напряжения смещения увеличивается по соотношению

,

(3.37)

где – сумма избыточных зарядов неосновных носителей в квазинейтральных
областях эмиттера и базы для активного нормального режима БТ, зависит от примесных профилей и конфигурации транзистора.

Заряд определяет величину коллекторного тока :

,

(3.38)

где – характеристическое время, близкое по смысловому значению ко времени пролета носителей через базу и несколько больше по величине.

Если полагать, что , то и для случая равномерно легированной базы величина равна среднему времени диффузии неосновных носителей через базу

.

Ток базы пропорционален скорости рекомбинации заряда дырок в эмиттере.

где - время жизни неосновных носителей в базе в активном нормальном режиме работы транзистора. Если считать, что , то и эффективность эмиттера стремится к единице, тогда и в случае равномерного легирования базы

.

(3.39)

Зарядовая модель учитывает токи, текущие при временных изменениях накопленных зарядов, инжектированных в базу и эммитер, а также при изменениях зарядов, накопленных в обедненных областях эмиттерного и коллекторного переходов.

Зарядовая модель удобна в том случае, когда транзистор, переключаясь, проходит все возможные режимы работы: от режима отсечки до режима насыщения, так как во всех режимах присутствуют эффекты инжекции в р-n-переходах эмиттера и коллектора. По аналогии с величиной (3.37) накопленный заряд неосновных носителей в квазинейтральных областях базы и коллектора в инверсном активном режиме работы транзистора можно записать как

.

Для интегральных транзисторов концентрация примесных атомов в базе около коллектора примерно равна, а может быть и меньше концентрации примеси в коллекторе . Следовательно, при инверсном включенном транзисторе коэффициент инжекции намного меньше, чем при прямом, и эффект накопления неосновных носителей в квазинейтральной области коллектора необходимо учитывать (рис.3.17).

Рисунок 3.17– Накопление зарядов в режиме насыщения в типовом интегральном транзисторе

Полная система уравнений для n-p-n-транзиcтора, учитывающая как прямое, так и инверсное включение транзистора, имеет вид

(3.40)

Схема зарядовой модели, соответствующая системе уравнений (3.40), представлена на рис.3.18.

Рисунок 3.18– Зарядовая модель биполярного транзистора для больших сигналов

Уравнением (3.43) и рис.3.18можно воспользоваться для анализа работы транзистора в активном нормальном режиме (для малых сигналов), убрав из них заряды и их изменение во времени, характерные для инверсного включения транзистора.