Что такое семейство выходных вольтамперных характеристик транзистора

Вольт-амперные характеристики транзистора

Наиболее полно свойства биполярного транзистора описываются с помощью вольт-амперных (ВАХ) характеристик. При этом различают входные и выходные ВАХ транзистора. Поскольку все три тока (базовый, коллекторный и эмиттерный) в транзисторе тесно взаимосвязаны, при анализе работы транзистора необходимо пользоваться одновременно входными и выходными ВАХ.

Каждой схеме включения транзистора соответствуют свои вольт-амперные характеристики, представляющие собой функциональную зависимость токов через транзистор от приложенных напряжений. Из-за нелинейного характера указанных зависимостей их представляют обычно в графической форме.

Транзистор как четырехполюсник характеризуется входной и выходной статическими ВАХ, показывающими соответственно зависимость входного тока от входного напряжения (при постоянном значении выходного напряжения транзистора) и выходного тока от выходного напряжения (при постоянном входном токе транзистора). Статические выходные и входные ВАХ биполярного транзистора п-р-п -типа для схемы включения с ОБ приведены на рисунке 5, а и 5, б соответственно.

Рисунок 5

На рисунке 5, а можно выделить две области, соответствующие двум режимам работы транзистора: активный режим (U _КБ < 0 и коллекторный переход смещен в обратном направ­лении); режим насыщения (U _КБ > 0 и коллекторный переход смещен в прямом направлении).

На рисунке 6 показаны ВАХ р-п-р -транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

Входная ВАХ (рисунок 6, б) подобна прямой ветви ВАХ диода. Для выходной цепи транзистора, включенного по схеме с ОЭ (как и по схеме с ОБ), строится семейство выходных ВАХ (рисунок 6, а). Это обусловлено тем, что коллекторный ток транзистора зависит не только от напряжения, приложенного к коллекторному переходу, но и от тока базы. Каждая из выходных ВАХ биполярного транзистора характеризуется в начале резким возрастанием выходного тока I _К при возрастании выходного напряжения U _КЭ, а затем, по мере дальнейшего увеличения напряжения, незначительным изменением тока.

Рисунок 6

На выходной ВАХ транзистора можно выделить три области, соответствующие различным режимам работы транзистора: насыщения, отсечки и усиления, соответствующая активному состоянию транзистора, когда ½ U _БЭ ½ > 0; ½ U _КЭ½> 0.

Входные и выходные ВАХ транзисторов используются при графо-аналитическом расчете каскадов, содержащих транзисторы.

Характеристики биполярного транзистора.

Характеристики биполярного транзистора в основном нелинейные и выражаются сложными формулами, неудобными на практике. Поэтому проще и нагляднее использовать графики зависимости параметров транзистора между собой. Так же удобнее изображать измеренные показания параметров конкретного транзистора графическим способом.

Статические характеристики биполярного транзистора c ОЭ

Статические характеристики биполярного транзистора отражают зависимость между напряжениями и токами на его входе и выходе при отсутствии нагрузки, и будут разные в зависимости от выбранного способа включения транзистора. В основном применяются характеристики транзистора со схемами включения с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ).

Для снятия на входе и выходе характеристик биполярного транзистора с ОЭ можно использовать схему как на рис.1 . В ней при помощи потенциометров R1 и R2 подаются нужные напряжения в базовую и коллекторную цепи с определенным током.

Входные характеристики биполярного транзистора

На рис.2 , для сравнения, показаны входные характеристики биполярного транзистора с ОЭ германиевого и кремневого транзисторов. Они выражают (при определенном напряжении между коллектором и эмиттером Uкэ ) зависимость базового тока Iб от приложенного между базой и эмиттером напряжением Uбэ . По форме они нелинейны и похожи на графики диодов, т.к. эмиттерный переход транзистора можно представить в виде диода включенным в прямом направлении.
Для каждого типа биполярных транзисторов при увеличении коллекторного напряжения характеристики немного смещаются в сторону увеличения базового напряжения, но на практике это увеличение не учитывается.
Из графиков еще видно , что в схеме с ОЭ базо-эмиттерное Uбэ в германиевых транзисторах не превышает 0,4В, а в кремниевых — 0,8В. При превышении этих входных напряжений токи могут стать недопустимо большими, которые приведут к его пробою.

Так как входная характеристика биполярного транзистора нелинейна, значит и входное сопротивление, зависящее от напряжения на входе и тока, тоже нелинейно.
Для примера определим Iб и Iк транзистора МП42Б с коэффициентом усиления β=50 ( рис.3 ) в разных точках графика.
В точке А базовый Iб=0,02mA и тогда Iк равен
Iк=β•Iб=50•0.02=1mA.
Можно наоборот определить на графике по известному Iк=13mA базовое напряжение Uэб . Iб при таком Iк равен:
Iб=Iк/β=13/50=0,26mA.
Значит Uэб=0,25В ( точка В ).
На этой же характеристике так же можно найти сопротивление на входе транзистора для постоянного (Iпост) переменного (Iпер) (дифференциально динамического) токов.
Сопротивление по Iпост относится к постоянной составляющей сигнала, а по переменному Iпер — к переменной составляющей сигнала. Входное сопротивление по Iпост имеет существенное значение для согласования между собой транзисторных каскадов и определяется по закону Ома:
R_=U/I .
В точке А на графике оно будет равно:
Rвх_= Uбэ/Iб = 0,1/ 0,02•10ˉ³ = 5 кОм.
Таким же образом находим сопротивление в точке Б — Rвх_= 1,6 кОм, и в точке В — Rвх_= 1 кОм.
Сопротивление по Iпер находим тоже по закону Ома, но в только в дифференциальной форме:
Rвх

= ∆U/∆I ,
где ∆U и ∆I — приращения напряжения и тока возле выбранной точки.
Для примера определим сопротивление по Iпер в точке Б ) ( рис.4 ). Задаем приращения (желтый треугольник на рисунке):
∆Uбэ = 0,225-0,175 = 0,05 В,
∆Iэ = 0,16-0,06 = 0,1 mA.
Тогда сопротивление равно:
Rвх

=0,05/0,1•10ˉ³ = 500 Ом
Аналогично вычислим Rвх

= 4кОм, а в точке В — 400 Ом. Обычно в схеме с ОЭ это сопротивление бывает в пределах от 500 Ом до 5 кОм.

Выходные характеристики биполярного транзистора

Выходные характеристики биполярного транзистора показывают зависимость коллекторного Iк от выходного напряжения Uэк при определенном базовом Iб .

На рис.5 приведено семейство выходных характеристик биполярного транзистора.
На графике видно, что выходные характеристики нелинейны, и что при увеличении Uэк от нуля до 0,4÷0,8 вольт Iк увеличивается быстро, а затем приращение уже мало и почти не зависит от величины Uэк , а зависит от Iб . Отсюда можно сделать вывод: в основном базовый Iб управляет коллекторным Iк.

По выходной характеристике биполярного транзистора МП42Б ( рис.6 ) определим в точке Б коллекторный ток при Uкэ = 5,7 В и Iб = 40 μA. Он будет равен Iк = 4,5 mA.
А для точки А ток базы при Uкэ = 5,7 В и Iк = 8 mA будет Iб = 80 μA.

Так же по выходной характеристике можно найти выходные сопротивления для Iпост и Iпер.
Сопротивление по Iпост в точке Б будет равно:
Rвых_= Uкэ/Iк = 5,7/4,5•10ˉ³ = 1,3 кОм.
Сопротивление по Iпер при приращении:
∆U = 8-3 = 5 В; ∆I = 4,5-4 = 0,5 mA
равно:
Rвых

= ∆U/∆I = 5/0,5•10ˉ³ = 10 кОм.
Оно может достигать 50 кОм.

Статические характеристики биполярного транзистора с ОБ.

Для снятия входных и выходных характеристик биполярного транзистора с ОБ используют схему как на рис7 . В ней при помощи потенциометров R1 и R2 подаются нужные напряжения в базовую и коллекторную цепи с определенным током.

Входные характеристики биполярного транзистора

Входные характеристики биполярного транзистора с ОБ показывают, как зависит Iэ от напряжения между эмиттером и базой Uэб при выбранном Uкб ( рис.8 ) для транзисторов разной проводимости.
Сравнив с входной характеристикой биполярного транзистора с ОЭ видим, что они похожи, но и имеют различия.
Это, во-первых, при увеличении коллекторного напряжения ветви характеристик германиевых и кремниевых транзисторов смещаются влево, Во-вторых, эммитерный Iэ в этом случае намного больше чем базовый Iб при включении с ОЭ и масштаб измерения по оси ординат уже не в микроамперах, а в милиамперах.
По входным характеристикам биполярного транзистора с ОБ можно определить такие же параметры как и с ОЭ: зависимость Iэ от Uэб , входные сопротивления Rвх_ и Rвх

.
По параметрам входной характеристики ( рис.9 ) найдем сопротивления на входе в точке А :
∆Uэб= 0,225-0,175 = 0,05 В,
∆Iэ = 16- 6 = 10 mA.
Rвх_= Uбэ/Iэ = 0,2/10•10ˉ³ =20 Ом,
Rвх

= ∆Uэб/∆Iэ =0,05/10•10ˉ³ = 5 Ом.
Вывод: на входе сопротивления в схеме с ОБ на много меньше чем с ОЭ и обычно не превышают 100 Ом.

Выходные характеристики биполярного транзистора

На рис.10 показано семейство выходных характеристик биполярного МП42Б которые выражают зависимость Iк от выходного напряжения Uбк при определенном эмиттерном токе Iэ . Они чем то похожи на выходные характеристики с ОЭ, но имеют и большие различия.
Одним из отличий является то, что Iк протекает даже тогда, когда коллекторное напряжение равно нулю. Причина в наличии токового источника в цепи эмиттера.
Второе отличие — выходные характеристики в схеме с ОБ почти горизонтальны, а это значит, что выходное сопротивление больше чем при ОЭ и может достигать при Iпер до 2 МОм.

Статические характеристики прямой передачи по току биполярного транзистора

По характеристике прямой передачи транзистора по току, которая представляет собой связь между входным и выходным токами, можно определить токовые коэффициенты усиления в схеме с ОЭ и ОБ как на рис.11
Коэффициент усиления по току с ОЭ равен:
β=∆Iк/∆Iб
где ∆Iк=2,8-2=0,8 mA;
∆Iб=30-20=10 μА.
β=0,8/10•10ˉ³= 80.
Коэффициент усиления с ОБ равен:
α=∆Iк/∆Iэ
где ∆Iк=2,8-2=0,8 mA;
∆Iэ=3-2=1 mA;
α=0,8/1=0,8.
Можно сделать вывод, что при включении биполярного транзистора с ОБ усиление по току почти не происходит.

Биполярный транзистор

Биполярным транзистором называется трехэлектродный усилительный полупроводниковый прибор, имеющий трехслойную p-n-p, либо n-p-n структуру с двумя взаимодействующими (ключевое слово) p-n переходами.

Свое имя «TRANSferresISTOR» (дословно – «переходное сопротивление») этот полупроводниковый прибор получил в 1948 году от Уильяма Шокли. Термин «биполярный» подчеркивает тот факт, что принцип действия транзистора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц обоих знаков — как дырок, так и электронов.

На рис. 1 показан упрощенный вид внутренней структуры объемного маломощного биполярного p-n-p транзистора. Крайнюю слева р + область называют эмиттером. Промежуточная n область называется базой. Крайняя p область справа – коллектор. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным.

Расстояние между металлургическими границами переходов называется физической толщиной базы «L» .

Расстояние между обедненными зонами называется эффективной толщиной базы «W».

Для того, чтобы уменьшить интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе, необходимо выполнить условие , то есть физическая толщина базы должна быть меньше диффузионной длины. Это означает автоматическое выполнение условия , что обуславливает взаимодействие переходов.

Эмиттер предназначен для инжекции дырок в базу. Область эмиттера имеет небольшие размеры, но большую степень легирования – концентрация акцепторной примеси N_A в эмиттере кремниевого транзистора достигает

10 17 – 10 18 ат/см 3 (этот факт обозначен символом р + ). Область базы легирована нормально – концентрация донорной примеси N_D в ней составляет

10 13 – 10 14 ат/cм 3 . В этом случае эмиттерный переход получается резко несимметричным, поскольку обедненная зона располагается, в основном, в базе. Диффузия носителей становится односторонней, так как резко уменьшается встречный поток электронов из базы в эмиттер, что также уменьшает интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе.

Теперь выделим еще раз особенности структуры, которые обеспечивают хорошие усилительные свойства транзистора, уменьшая интенсивность процессов рекомбинации:

односторонняя диффузия (несимметичный эмиттерный переход)

Область коллектора имеет наибольшие размеры, поскольку в его функцию входит экстракция носителей, диффундировавших через базу. Кроме того, на коллекторе рассеивается большая мощность, что требует эффективного отвода тепла.

Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Биполярные транзисторы являются усилительными приборами и, поэтому, применяются для построения схем усилителей, генераторов и преобразователей электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десятков гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт). В соответствии с этим биполярные транзисторы делятся на группы по частоте:

низкочастотные­ не более 3 МГц;

средней частоты — от 3 МГц до 30МГц;

высокочастотные- от 30 МГц до 300 МГц;

сверхвысокочастотные — более 300 МГц

По мощ­ности выделяют следующем образом:

маломощные — не более 0,3 Вт;

средней мощности — от 0,3 Вт до1,5 Вт;

большой мощности — более 1,5 Вт.

В настоящее время парк биполярных транзисторов очень разнообразен. Сюда входят как обычные транзисторы, которые работают в самых различных аналоговых, импульсных и цифровых устройствах, так и специальные, например, лавинные тран­зисторы, предназначенные для формирования мощных импульсов наносе­кундного диапазона. Следует упомянуть многоэмиттерные, а также составные биполярные транзисторы (транзисторы Дарлингтона), обладающие очень высоким коэффициентом передачи тока.

2. Принцип действия

Рассмотрим активный режим работы транзистора, когда эмиттерный переход открыт прямым смещением U_эб, а коллекторный закрыт обратным смещением U_кб. Для этого воспользуемся одномерной моделью транзистора, которая показана на рис. 2. Модель характерна тем, что все физические величины зависят только от продольной координаты, поперечные же размеры бесконечны. Стрелками на рисунке обозначены положительные направления токов (от «+» к «–»), дырки обозначены открытыми, а электроны – закрытыми кружками. Сокращения: ЭП – эмиттерный переход, КП – коллекторный переход.

Предположим, что в начальный момент времени ключ «К» разомкнут. Эмиттерный переход закрыт, поскольку потенциальный барьер в обедненной области перехода запрещает диффузию носителей, несмотря на огромный градиент концентраций на переходе – дырок слева 10 17 см -3 , а справа 10 6 см -3 . Это режим отсечки. Транзистор закрыт, существует только небольшой обратный тепловой ток обратно смещенного коллекторного перехода.

Теперь замкнем ключ «К». Потенциальный барьер понижается вследствие частичной компенсации внутреннего электрического поля встречно направленным внешним электрическим полем источника U_эб. Начинается процесс диффузии, вследствие огромного градиента концентраций дырок между эмиттером и базой. Дырки диффундируют или инжектируются из эмиттера в базу, где меняют статус – становятся неосновными. Для неосновных носителей нет потенциального барьера, другими словами, диффундируя через базу в направлении коллекторного перехода, они попадают во втягивающее поле коллекторного перехода и экстрагируются в область коллектора. В цепи коллектора эти дырки создают дрейфовый ток, пропорциональный току эмиттера:

где α – доля дырок, достигших коллектора, или коэффициент передачи тока эмиттера. Поскольку небольшая часть дырок, инжектированных из эмиттера в базу, все же успевает рекомбинировать, то всегда α <1. При достаточно тонкой базе α может доходить до 0,99 и более. Уменьшение концентрации электронов в базе в результате рекомбинации восполняется потоком электронов от внешнего источника U_эб через внешний вывод базы. Таким образом внутренний ток рекомбинации, являющийся дырочным, полностью компенсируется электронным током через электрод базы:

В цепи коллектора кроме управляемого тока протекает неуправляемый дрейфовый обратный ток I_кб0, обусловленный, в основном, тепловой генерацией электронно-дырочных пар в объеме перехода. Этот ток очень мал, он не зависит от напряжения U_кб, а зависит только от температуры. Обратный ток коллектора I_кб0 измеряется при разомкнутой цепи эмиттера, о чем говорит индекс «0» (ноль).

Полный ток, протекающий во внешней цепи коллектора, имеет дырочный характер и равен

В нормальных условиях работы поэтому с хорошей точностью полагают, что ток во внешней цепи коллектора равен

а ток во внешней цепи базы имеет электронный характер и равен

Согласно первому закону Кирхгофа,

Для удобства, формально, вводят коэффициент передачи тока базы

Коэффициент связан с коэффициентом соотношением

3. Режимы работы и способы включения

Условные обозначения биполярного транзистора на схеме, показаны на рис. 3.1, а показано условное графическое обозначение биполярного транзистора по ГОСТ для формата листа А4. Стрелка на выводе эмиттера всегда направлена от «p» к «n», то есть указывает направление прямого тока открытого перехода. Кружок обозначает корпус дискретного транзистора. Для транзисторов в составе интегральных схем он не изображается. На рис. 3.1, б и в показаны структуры p-n-p и n-p-n соответственно. Принцип действия транзисторов обеих структур одинаков, а полярности напряжений между их электродами разные. Поскольку в транзисторе два перехода (эмиттерный и коллекторный) и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора.

Активный режим, когда эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Активный режим работы является основным и используется в усилительных схемах.

Режим насыщения— оба перехода открыты.

Режим отсечки— оба перехода закрыты.

Инверсный режим— эмиттерный переход закрыт, коллекторный — открыт.

В большинстве транзисторных схем транзистор рассматривается как четырехполюсник. Поэтому для такого включения один из выводов транзистора должен быть общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора, которые показаны на рис. 3.2: а) с общей базой (ОБ), б) общим эмиттером (ОЭ) и в) общим коллектором (ОК). На рисунке указаны положительные направления токов, а полярности напряжений соответствуют активному режиму работы.

В схеме ОБ входную цепь является цепь эмиттера, а выходной – цепь коллектора. Эта схема наиболее проста для анализа, поскольку напряжение U_эб прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение U_кб – к коллекторному, причем источники имеют разные знаки.

В схеме ОЭ входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь коллектора. Напряжение U_бэ> 0 прикладывается непосредственно к эмиттерному переходу и открывает его. Напряжение U_кэ той же полярности распределяется между обоими переходами: U_кэ = U_кб + U_бэ. Для того чтобы коллекторный переход был закрыт, необходимо выполнить условие U_кб = U_кэ — U_бэ> 0, что обеспечивается неравенством U_кэ> U_бэ> 0.

В схеме ОК входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь эмиттера.

4. Статические вольт-амперные характеристики

Транзистор, как любой четырехполюсник, можно охарактеризовать четырьмя величинами — входными и выходными напряжениями и токами: U_вх = U₁, U_вых = U₂, I_вх = I₁, I_вых = I₂. Функциональные зависимости между этими постоянными величинами называются статическими характеристиками транзистора. Чтобы установить функциональные связи между указанными величинами, необходимо две из них взять в качестве независимых аргументов, а две оставшиеся выразить в виде функций этих независимых аргументов. Как правило, применительно к биполярному транзистору в качестве независимых аргументов выбирают входной ток и выходное напряжение. В этом случае

Обычно соотношения (4.1) представляют в виде функций одного аргумента. Для этого второй аргумент, называемый параметром характеристики, фиксируют. В основном, используют два типа характеристик транзистора:

Следует отметить, что общепринято представление вольт-амперной характеристики как функции тока от напряжения, поэтому входная характеристика используется в виде обратной функции

Статические характеристики транзистора могут задаваться аналитическими выражениями, но в большинстве случаев их представляют графически в виде семейства характеристик, которые и приводятся в справочниках.

4.1. Статические характеристики в схеме с ОБ

В схеме с ОБ (рис. 3.2.а) входным током является ток эмиттера I_э, а выходным – ток коллектора I_к, соответственно, входным напряжением является напряжение U_эб, а выходным – напряжение U_кб.

Входная характеристика в схеме ОБ представлена зависимостью

которая, в свою очередь, является прямой ветвью вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода. Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, а. Зависимость I_э от U_кб как от параметра связана с эффектом Эрли: увеличение обратного смещения коллекторного перехода U_кб уменьшает эффективную толщину базы W, что приводит к некоторому росту I_э. Это проявляется в смещении входной характеристики в сторону меньших значений . Режиму отсечки формально соответствует обратное напряжение U_эб> 0, хотя реально эмиттерный переход остается закрытым () и при прямых напряжениях .

Выходная характеристика транзистора в схеме ОБ представляет собой зависимость

Семейство выходных характеристик n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, б. Форма кривых в активной области соответствует форме обратной ветви вольт-амперной характеристики коллекторного перехода.

Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид

Отсюда следует, что ток коллектора определяется только током эмиттера и не зависит от напряжения U_кб, т.е. характеристики в активном режиме расположены параллельно оси абсцисс. На практике же при увеличении U_кб имеет место небольшой рост I_к, связанный с эффектом Эрли, характеристики приобретают очень незначительный наклон. Кроме того, в активном режиме характеристики практически эквидистантны (расположены на одинаковом расстоянии друг от друга), и лишь при очень больших токах эмиттера из-за уменьшения α кривые несколько приближаются друг к другу.

При I_э = 0 транзистор находится в режиме отсечки и в цепи коллектора протекает только неуправляемый тепловой ток (I_к = I_кб0).

В режиме насыщения на коллекторном переходе появляется открывающее его прямое напряжение U_кб, большее порогового значения U_{кб пор}, и возникает прямой диффузионный ток навстречу нормальному управляемому току I_к. Этот ток называют инверсным. Инверсный ток резко увеличивается с ростом , в результате чего I_к очень быстро уменьшается и, затем, меняет знак.

4.2. Статические характеристики в схеме с ОЭ

В схеме с ОЭ (рис. 3.2, б) входным током является ток базы I_б, а выходным – ток коллектора I_к. Соответственно, входным напряжением является напряжение U_бэ, а выходным – U_кэ.

Входная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

что, как и в схеме с ОБ, соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода.

Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.2, а. Зависимость тока базы I_б от напряжения на коллекторе U_кэ, как и в предыдущем случае, обусловлена эффектом Эрли. Уменьшение эффективной ширины базы W с ростом U_кэ приводит к уменьшению тока рекомбинации, а, следовательно, тока базы в целом. В результате, характеристики смещаются в сторону больших значений U_бэ. Следует отметить, что I_б = 0 при некотором значении U_пор> 0, когда рекомбинационный ток (1-α)I_э становится равным тепловому току I_кэ0. При U_бэ <U_пор, I_б = — I_кэ0, что соответствует режиму отсечки.

При U_кэ <U_бэ открывается коллекторный переход, и транзистор переходит в режим насыщения. В этом режиме вследствие двойной инжекции в базе накапливается очень большой избыточный заряд электронов, интенсивность рекомбинации которых с дырками резко возрастает, и ток базы стремительно растет.

Выходная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

Семейство выходных характеристик показано на рис. 7.6б. Для получения идеализированной выходной характеристики в активном режиме из соотношения (2.2), учитывая (2.6), исключим ток эмиттера. Тогда

Ток I_кэ0 называют сквозным тепловым током транзистора, причем, как видно из (4.11),

Семейство выходных характеристик целиком расположено в первом квадранте. Данный факт обусловлен тем, что в схеме с ОЭ напряжение U_кэ распределено между обоими переходами. При U_кэ <U_бэ напряжение на коллекторном переходе меняет знак и становится прямым. В результате транзистор переходит в режим насыщения при U_кэ> 0. В режиме насыщения характеристики сливаются в одну линию, т.е. I_к становится неуправляемым и не зависит от тока базы.

Как видно из рис. 4.2 .б, в активном режиме кривые проходят под углом к оси абсцисс, причем этот угол увеличивается с ростом тока базы. Такое поведение кривых обусловлено эффектом Эрли. Однако рост I_к при увеличении U_кэ выражен значительно ярче, чем в схеме с ОБ, поскольку в активном режиме эмиттерный переход приоткрыт падением напряжения на материале базы в результате протекания коллекторного тока. Это приводит к дополнительному увеличению коллекторного тока I_к с ростом напряжения U_кэ. Этим же объясняется отсутствие эквидистантности и наличие в β раз большего, чем I_кб0, сквозного теплового тока I_кэ0 (4.11).

Основные параметры и характеристики биполярного транзистора.

Продолжаем разбирать все, что связано с транзисторами и сегодня у нас на очереди одна из наиболее часто используемых схем включения. А именно схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ). Кроме того, на базе этой схемы мы рассмотрим основные параметры и характеристики биполярного транзистора. Тема важная, так что без лишних слов переходим к делу.

Название этой схемы во многом объясняет ее основную идею. Поскольку схема с общим эмиттером, то, собственно, эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Вот как выглядит схема с ОЭ для n-p-n транзистора:

А вот так — для p-n-p:

Давайте снова разбирать все процессы для случая с использованием n-p-n транзистора. Для p-n-p суть остается той же, меняется только полярность.

Входными величинами являются напряжение база-эмиттер ( U_ <бэ>) и ток базы ( I_ <б>), а выходными — напряжение коллектор-эмиттер ( U_ <кэ>) и ток коллектора ( I_ <к>). Обратите внимание, что в этих схемах у нас отсутствует нагрузка в цепи коллектора, поэтому все характеристики, которые мы далее рассмотрим носят название статических. Другими словами статические характеристики транзистора — это зависимости между напряжениями и токами на входе и выходе при отсутствии нагрузки.

Характеристики биполярного транзистора.

Выделяют несколько основных характеристик транзистора, которые позволяют понять, как он работает, и как его использовать для решения задач. И первая на очереди — входная характеристика, которая представляет из себя зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при определенном значении напряжения коллектор-эмиттер:

В документации на конкретный транзистор обычно указывают семейство входных характеристик (для разных значений U_ <кэ>):

Входная характеристика, в целом, очень похожа на прямую ветвь ВАХ диода. При U_ <кэ>= 0 характеристика соответствует зависимости тока от напряжения для двух p-n переходов включенных параллельно (и смещенных в прямом направлении). При увеличении U_ <кэ>ветвь будет смещаться вправо.

Переходим ко второй крайне важной характеристике биполярного транзистора — выходной. Выходная характеристика — это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы.

Для нее также указывается семейство характеристик для разных значений тока базы:

Видим, что при небольших значениях U_ <кэ>коллекторный ток увеличивается очень быстро, а при дальнейшем увеличении напряжения — изменение тока очень мало и фактически не зависит от U_ <кэ>(зато пропорционально току базы). Эти участки соответствуют разным режимам работы транзистора.

Для наглядности можно изобразить эти режимы на семействе выходных характеристик:

Участок 1 соответствует активному режиму работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. Как вы помните, в данном режиме незначительный ток базы управляет током коллектора, имеющим бОльшую величину.

Для управления током базы мы увеличиваем напряжение U_ <бэ>, что в соответствии со входными характеристиками приводит к увеличению тока базы. А это уже в соответствии с выходной характеристикой в активном режиме приводит к росту тока коллектора. Все взаимосвязано.

Небольшое дополнение. На этом участке выходной характеристики ток коллектора все-таки незначительно зависит от напряжения U_ <кэ>(возрастает с увеличением напряжения). Это связано с процессами, протекающими в биполярном транзисторе. А именно — при росте напряжения на коллекторном переходе его область расширяется, а соответственно, толщина слоя базы уменьшается. Чем меньше толщина базы, тем меньше вероятность рекомбинации носителей в ней. А это, в свою очередь, приводит к тому, что коэффициент передачи тока \beta несколько увеличивается. Это и приводит к увеличению тока коллектора, ведь:

На участке 2 транзистор находится в режиме насыщения. При уменьшении U_ <кэ>уменьшается и напряжение на коллекторном переходе U_ <кб>. И при определенном значении U_ <кэ>= U_ <кэ \medspace нас>напряжение на коллекторном переходе меняет знак и переход оказывается смещенным в прямом направлении. То есть в активном режиме у нас была такая картина — эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме же насыщения оба перехода смещены в прямом направлении.

В этом режиме основные носители заряда начинают двигаться из коллектора в базу — навстречу носителям заряда, которые двигаются из эмиттера в коллектор. Поэтому при дальнейшем уменьшении U_ <кэ>ток коллектора уменьшается. Кроме того, в режиме насыщения транзистор теряет свои усилительные свойства, поскольку ток коллектора перестает зависеть от тока базы.

Режим насыщения часто используется в схемах ключей на транзисторе. В одной из следующих статей мы как раз займемся практическими расчетами реальных схем и там используем рассмотренные сегодня характеристики биполярного транзистора.

И, наконец, область 3, лежащая ниже кривой, соответствующей I_ <б>= 0 . Оба перехода смещены в обратном направлении, протекание тока через транзистор прекращается. Это так называемый режим отсечки.

Все параметры транзисторов довольно-таки сильно зависят как друг от друга, так и от температуры, поэтому в документации приводятся характеристики для разных значений. Вот, например, зависимость коэффициента усиления по току (в зарубежной документации обозначается как h_ ) от тока коллектора для биполярного транзистора BC847:

Как видите, коэффициент усиления не просто зависит от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды. Разным значениям температуры соответствуют разные кривые.

Основные параметры биполярных транзисторов.

Пробежимся по параметрам биполярных транзисторов и обозначим, какие предельные значения они могут принимать.

I_ <КБО>( I_ ) — обратный ток коллектора — ток через коллекторный переход при определенном обратном напряжении на переходе коллектор-база и разомкнутой цепи эмиттера.

I_ <ЭБО>( I_ ) — обратный ток эмиттера — ток через эмиттерный переход при определенном обратном напряжении на переходе эмиттер-база и разомкнутом выводе коллектора.

I_ <КЭО>( I_ ) — аналогично, обратный ток коллектор-эмиттер — ток в цепи коллектор-эмиттер при определенном обратном напряжении коллектор-эмиттер и разомкнутом выводе базы.

U_ <БЭ>( V_ ) — напряжение на переходе база-эмиттер при определенном напряжении коллектор-эмиттер и токе коллектора.

U_ <КБ \medspace проб>( V_ <(BR) CBO>) — напряжение пробоя перехода коллектор-база при определенном обратном токе коллектора и разомкнутой цепи эмиттера. Например, для все того же BC847:

U_ <ЭБ \medspace проб>( V_ <(BR) EBO>) — напряжение пробоя эмиттер-база при определенном обратном токе эмиттера и разомкнутой цепи коллектора.

U_ <КЭ \medspace проб>( V_ <(BR) CES>) — напряжение пробоя коллектор-эмиттер при определенном прямом токе коллектора и разомкнутой цепи базы.

Напряжения насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер — U_ <КЭ \medspace нас>( V_ ) и U_ <БЭ \medspace нас>( V_ ).

Конечно же, важнейший параметр — статический коэффициент передачи по току для схемы с общим эмиттером — h_ <21э>( h_ ). Для этого параметра обычно приводится диапазон возможных значений, то есть минимальное и максимальное значения.

f_ <гр>( f_ ) — граничная частота коэффициента передачи тока транзистора для схемы с общим эмиттером. При использовании сигнала более высокой частоты транзистор не может быть использован в качестве усилительного элемента.

И еще один параметр, который следует отнести к важнейшим — I_ <К>( I_ ) — максимально допустимый постоянный ток коллектора.

На этом и заканчиваем нашу сегодняшнюю статью, всем спасибо за внимание, подписывайтесь на обновления и не пропустите новые статьи.