5. Статические характеристики биполярного транзистора.

Схема с общей базой

В транзисторах в качестве одной из независимых переменных обыч­но выбирают ток эмиттера, легче поддающийся регулированию, чем напряжение. Из характеристик наибольшее распространение получи­ли входные и выходные характеристики транзистора.

Входные характеристики. Входные характеристики транзисторов в схеме с общей базой  при  определяются зави­симостью (5.1):

                                                             (5.1)

 При большом обратном напряжении коллектора () ток мало зависит от коллекторного напряжения. На рис. 5-1,а по­казаны реальные входные характеристики германиевого транзистора. Они соответствуют теоретической зависимости (5.1), подтверждается и вывод о слабом влиянии коллекторного напряжения на ток эмиттера.

Рис 5-1

Начальная область входных характеристик, построенная в соот­ветствии с теоретической зависимостью (5.1), показана на рис. 5-1, а крупным масштабом (в окружности). Отмечены токи I₁₁ и I₁₂, а так­же эмиттерный ток закрытого транзистора

                                                                                            (5.2)

протекающий в его цепи при обратных напряжениях эмиттера и кол­лектора. Как следует из соотношения (5.1), ток эмиттера равен нулю при напряжении эмиттера

                                                                                             (5.3)

Такое же напряжение устанавливается на эмиттере, если он изо­лирован от других электродов.

Реальные характеристики транзистора в начальной области не­сколько отличаются от теоретических. Обратный ток эмиттера при короткозамкнутом   коллекторе,   обозначаемый ,   отличается   от тока  экстракции I₁₁  наличием еще двух  составляющих:  термотока  и тока  поверхностной  проводимости  :

                                                                                        (5.4)

Обратный ток эмиттера при обратном напряжении коллектора

                                                           (5.5)

Входные характеристики кремниевого транзистора показаны на pиc. 5-1,б. Они смещены от нуля в сторону прямых напряжений; как и у кремниевого диода, смещение равно 0,6—0,7 В. По отношению к входным характеристикам германиевого транзистора смещение со­ставляет 0,4 В.

Выходные характеристики.

Теоретические выходные характеристи­ки транзистора в схеме с общей базой при I_Э=const опре­деляются зависимостью (5.6):

                                                                                 (5.6)

Они представлены на рис. 5-2,а. Вправо по горизонтальной оси принято откладывать рабочее, т. е. обратное, напряжение коллектора (отрицательное для транзисторов типа р-n-р и положительное для транзисторов типа n-р-n). Значения протекающего при этом тока коллектора откладывают по вертикальной оси вверх. Такой выбор осей координат выгоден тем, что область характеристик, соответствую­щая рабочим режимам, располагается при этом в первом квадранте, что удобно для расчетов.

Если ток эмиттера равен нулю, то зависимостьпредстав­ляет собой характеристику электронно-дырочного перехода: в цепи коллектора протекает небольшой собственный обратный ток I_Ко или с учетом равенства (5.7) ток I_КБо. При U_эб=0 собственный обратный ток коллектора

 

                                                                                       (5.7)

При прямом напряжении коллек­тора ток изменяет направление и резко возрастает — открывается кол­лекторный переход (в целях наглядности на рис. 5-2  для положитель­ных напряжений взят более крупный масштаб).

                                                                Рис 5-2

Если же в цепи эмиттера создан некоторый ток I_э, то уже при ну­левом напряжении коллектора в его цепи в соответствии с выражением (5.6) протекает ток I_к=I^’_э обусловленный инжекцией дырок из эмиттера. Поскольку этот ток вызывается градиентом концентрации дырок в базе, для его поддержания коллекторного напряжения не требуется.

При подаче на коллектор обратного напряжения ток его несколько возрастает за счет появления собственного тока коллекторного пере­хода I_КБ0 и некоторого увеличения коэффициента переноса v, вызван­ного уменьшением толщины базы.

При подаче на коллектор прямого напряжения появляется прямой ток коллекторного перехода. Так как он течет навстречу току инжекции  I_э, то результирующий ток в цепи коллектора с ростом прямого напряжения до величины U_K0 быстро уменьшается до нуля, затем при дальней­шем                 Рис 5-3             повышении прямого напряжения коллектора приобретает обратное направление и начинает быстро возрастать.

Если увеличить ток эмиттера до зна­чения , то характеристика сместится пропорционально вверх на величину и  т. д.

На рис. 5-2,б представлены реаль­ные выходные характеристики транзи­стора МП14; они имеют такой же вид, как и теоретические, с учетом поправок на термоток перехода и ток его поверхностной проводимости.

Коэффициент передачи тока эмиттера. Как показывает опыт, коэф­фициент передачи тока а зависит от величины тока эмиттера (рис. 5-3).                                                                                               

С ростом тока эмиттера увеличи­вается напряженность внутреннего поля базы, движение дырок на коллектор становится более направленным, в результате уменьшают­ся рекомбинационные потери на поверхности базы, возрастает коэф­фициент переноса , а следовательно, и . При дальнейшем увеличении тока эмиттера снижается коэффициент инжекции и растут потерн на объемную рекомбинацию, поэтому коэффициент передачи тока  на­чинает уменьшаться.

В целом зависимость коэффициента передачи тока  от тока эмит­тера в маломощных транзисторах незначительна, в чем можно убедить­ся,  обратив внимание на масштаб по вертикальной оси  рис.  5-3.

В транзисторах, работающих при высокой плотности тока, наблю­дается значительное падение напряжения вдоль базы, обусловленное током базы; в результате напряжение в точках эмиттерного перехода, удаленных от вывода базы, оказывается заметно меньшим, чем в близ­лежащих. Поэтому эмиттерный ток концентрируется по периметру эмиттера ближе к выводу базы, эффективная площадь эмиттера полу­чается меньше, чем при равномерной инжекции, и коэффициент  быст­ро надает с ростом тока эмиттера. Для ослабления указанного явления применяют электроды, имеющие высокое отношение длины периметра к площади: кольцевые и гребенчатые.

Схема с общим эмиттером

Ранее были рассмотрены статические характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой, когда общая точка входной и вы­ходной цепей находится на базовом электроде. Другой распростра­ненной схемой включения транзистора яв­ляется схема с общим эмиттером, в кото­рой общая точка входной и выходной це­пей соединена (рис. 5-4).

Входным напряжением в схеме с общим эмиттером является напряжение базы  измеряемое относительно эмиттерного элек­трода. Для того чтобы эмиттерный пере­ход был открыт, напряжение базы долж­но быть отрицательным (рассматривается транзистор   типа   р-n-р).

Выходным напряжением в схеме с об­щим эмиттером является напряжение коллектора   измеряемое относительно эмиттерного электрода. Для того чтобы коллекторный переход был закрыт, напряжение коллекто­ра должно быть большим по величине, чем прямое напряжение базы.

Отметим, что в схеме с общим эмиттером в рабочем режиме, когда транзистор открыт, полярность источников питания базы и коллектора одинакова.

Входные характеристики. Входные характеристики транзистора в схеме с общим  

                  Рис. 5-4                              эмиттером представляют собой зависимость тока базы от напряжения базы:  при  ;

Зависимость тока базы от напряжений эмиттера и коллектора най­дем из уравнений (5.8)  и  (5.9).

                                                                  (5.8)

                                                                  (5.9)

Вычтя второе уравнение из первого, введя обозначения

                                                                                             (5.10)

                                                                       (5.11)

и   использовав  соотношения  и , окончательно получим

                                                       (5.12)

 При большом обратном напряжении коллектора, когда , ток базы

                                                      (5.13)

Если  при  этом  напряжение базы также обратное (то ток базы идеального транзистора

                                                              (5.14)

В реальном транзисторе добавляются токи утечки и термотоки пе­реходов, поэтому обратный ток базы закрытого транзистора

                                                                      (5.15)

 Входные характеристики транзистора показаны на рис. 5-5. При обратном напряжении базы и коллектора, т. е. в закры­том транзисторе, согласно выражению (5.15), ток базы   является в основном собственным током коллекторного перехода . Поэтому при уменьшении обратного напряжения базы до нуля ток базы сохра­няет свою величину:   .

При подаче прямого напряжения на базу открывается эмиттерный переход и в цепи базы появляется рекомбинационная составляющая тока . Ток базы в этом режиме в соответствии с выражением ; при увеличении прямого напряжения он уменьшается вначале до нуля, а затем изменяет направление и возра­стает почти экспоненциально согласно соотношению (5.12).

                Рис 5-5                                                                                        Рис 5-6

Когда на коллектор подано большое обратное напряжение, оно ока­зывает незначительное влияние на входные характеристики транзи­стора. Как видно из рис.  5-5, при увеличении обратного напряжения коллектора входная характеристика лишь слегка смещается вниз, что объясняется увеличением тока поверхностной проводимости коллек­торного перехода и термотока.

При напряжении коллектора, равном нулю, ток во входной цепи значительно возрастает по сравнению с рабочим режимом ,потому что прямой ток базы в данном случае проходит через два па­раллельно включенных перехода— коллекторный и эмиттерный. В целом уравнение (5.12) достаточно точно описывает входные харак­теристики транзистора в схеме с общим эмиттером, но для кремниевых транзисторов лучшее совпадение получается, если  вместо и брать .

Коэффициент передачи тока базы. Найдем зависимость тока кол­лектора от тока базы с помощью выражений:

,

или                                                                         (5.16)

Величина                                                                                           (5.17)

называется коэффициентом передачи тока базы. Поскольку коэффи­циент передачи тока эмиттера  близок к единице, значение  обычно лежит в пределах от 10 до 1000 и более.

Коэффициент передачи тока базы существенно зависит и от тока эмиттера (рис. 5-6). С ростом тока эмиттера коэффициент передачи тока базы вначале повышается вследствие увеличения напряженности внутреннего поля базы, ускоряющего перенос дырок через базу к кол­лектору и этим уменьшающего рекомбинационные потери на поверх­ности базы.

При значительной величине тока эмиттера коэффициент передачи тока базы  начинает падать за счет снижения коэффициента инжекции, уменьшения эффективной площади эмиттера и увеличения рекомбинационных потерь в объеме базы.

Перечисленные причины обусловливают, как указывалось, не­большую зависимость коэффициента передачи тока эмиттера а от тока эмиттера I_э (см. рис.  5-3). Но коэффициент передачи тока базы  при изменении тока эмиттера может изменяться в несколько раз, поскольку в выражении  (5.17) в знаменателе стоит разность близких  величин .

Введя обозначение для коэффициента передачи тока базы  в вы­ражение (5.16), получим основное уравнение, определяющее связь между токами коллектора и базы в схеме с общим эмиттером:

                                                                                    (5.18)

Зависимость тока коллектора от напряжений базы и коллектора можно найти из выражения (5.48), заменив в нем U_ЭБ на -U_БЭ и U_КБ

                                                       (5.19)

Уравнения (5.18) и (5.19)  являются основ­ными для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

Выходные характеристики. Выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером  при   опреде­ляются соотношением (5.18)  и изображены на рис. 5-7. Минимально возможная величина  коллекторного тока  получается в том случае, когда закрыты оба перехода - и коллектора базы в этом случае согласно выражению (5.14)

                                                                   (5.20)

где - ток эмиттера закрытого транзистора.

Рис. 5-7

Ток коллектора закрытого транзистора в соответствии с выраже­ниями (5.18) и (5.20)

                                                                 (5.21)

Ввиду малости тока эта характеристика на рис.4,19 не видна, она совпадает с осью напряжений.

При токе базы, равном нулю, что имеет место при небольшом пря­мом напряжении базы, когда рекомбинационная составляющая тока базы  равна обратному току коллекторного перехода . коллекторный ток в соответствии с выражением (5.18)

                                                                                            (5.22)

С ростом коллекторного напряжения заметно увеличение этого то­ка вследствие увеличения коэффициента передачи тока базы .

При токе базы  выходная характеристика транзистора смещается вверх на величину . Соответственно выше идут характеристики при больших токах базы , и т. д. Ввиду зависимости коэффициента пе­редачи тока базы от тока эмиттера расстояние по вертикали между ха­рактеристиками не остается постоянным: вначале оно возрастает, а затем уменьшается.

При снижении коллекторного напряжения до величины, меньшей напряжения базы, открывается коллекторный переход, что должно было бы повлечь за собой увеличение тока базы, но по условию он должен быть постоянным. Для поддержания тока базы на заданном уровне приходится снижать напряжение базы, что сопровождается уменьшением токов эмиттера и коллектора, поэтому выходные харак­теристики при  имеют резкий спад. Транзистор перехо­дит в режим насыщения, при котором неосновные носители заряда инжектируются в базу не только эмиттерным, но и коллекторным переходом Эффективность управления коллек­торным током при этом существенно снижается, коэффициент переда­чи тока  базы  резко уменьшается.

Как показано на рис. 5-7 крупным масштабом в окружности, вы­ходная характеристика при наличии тока базы не проходит через на­чало координат: при  на коллекторе существует обратное напря­жение  порядка нескольких десятых вольта. Величину этого на­пряжения нетрудно найти из соотношения (5.19), обозначив  при :

Отсюда

                             (5.23)

где - напряжение коллектора в схеме ОБ, при котором , а -напряжение, действующее в этот момент на базе.

Из формулы (5.23) вытекает физический смысл напряжения : оно должно иметь такую величину, чтобы создаваемый им ток инжекции коллекторного перехода полностью компен­сировал поступающий з коллекторный переход ток инжекции эмиттерного перехода  поскольку, по условию, результирующий коллекторный ток .

Для расчета транзисторных схем иногда применяют выходные ха­рактеристики, снятые при постоянном напряжении базы. Они отли­чаются от рассмотренных характеристик, снимаемых при постоянном токе базы, большей неравномерностью расстояний по вертикали между соседними характеристиками, обусловленной экспоненциальной зави­симостью между напряжением и током базы.