9.3. Статические характеристики транзисторов

С точки зрения теории электрических цепей транзистор, имеющий три вывода, представляет собой трехполюсник, у которого один вывод является входным, другой – выходным, а третий вывод является общим. Поэтому трехполюсник можно представить как четырехполюсник, обозначив входной ток и входное напряжение индексом «1», а выходные ток и напряжение индексом «2» (рис. 9.3).

Рис. 9.3. Схема трехполюсника, включенного

как четырехполюсник

Одним семейством статических характеристик устанавливается связь между тремя из четырех величин. Одна из этих величин выбирается независимой переменной (аргументом), и ее величина откладывается на оси абсцисс. Вторая величина будет зависимой переменной (функцией), величина которой откладывается на оси ординат. Из оставшихся двух величин одну выбирают постоянной, другую оставляют свободной, т.е. не учитывают. Ряд кривых, полученных для различных постоянных значений третьей величины, называемой параметром, и будет представлять собой семейство статических вольт-амперных характеристик.

Наиболее распространенными системами статических вольт-амперных характеристик биполярных транзисторов являются:

для схемы с ОБ

I_э = f(U_эб) при U_б = const – входные характеристики;

I_к = f(U_кб) при I_э = const – выходные характеристики;

для схемы с ОЭ

I_б = f(U_эб) при U_кэ = const – входные характеристики;

I_к = f(U_кэ) при I_б = const – выходные характеристики.

На рис. 9.4 приведены входные и выходные характеристики р-п-р-транзистора в схеме с ОБ.

а б

Рис. 9.4. Семейство входных (а) и выходных (б) характеристик р-п-р-транзистора в схеме с ОБ

При напряжении U_кб = 0 входная вольт-амперная характеристика (рис. 9.4,а) аналогична характеристике диода при прямом включении. Увеличение напряжения коллектор – база (в абсолютном значении) и повышение температуры смещают характеристики влево.

На выходных характеристиках (рис. 9.4,б) при токе I_э = 0 через коллекторный переход течет обратный ток I_кб0, величина которого слабо зависит от U_кб. С ростом I_э растет ток коллектора, который практически не изменяется при увеличении по абсолютной величине напряжения U_кб. Это объясняется тем, что инжектируемые эмиттером носители, создающие коллекторный ток, практически не зависят от напряжения коллектор – база. Малый наклон характеристик I_к объясняется большим сопротивлением коллекторного перехода, включенного в обратном направлении.

На рис. 9.5 представлены семейства входных и выходных характеристик транзистора р-п-р-типа в схеме с ОЭ.

а б

Рис. 9.5. Семейство входных (а) и выходных (б) характеристик р-п-р-транзистора в схеме с ОЭ

Входным током транзистора при этой схеме включения является ток базы, характеристика которого (рис. 9.5,а) при напряжении U_кэ = 0 идет из начала координат и представляет собой суммарный ток эмиттерного и коллекторного переходов, соединенных параллельно и подключенных к источнику в прямом направлении. При увеличении по абсолютной величине напряжения U_кэ входные характеристики сдвигаются вправо, так как с ростом напряжения вероятность рекомбинаций неосновных носителей в области базы уменьшается, что приводит к уменьшению тока базы и росту I_к.

Коллекторные, т.е. выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ (рис. 9.5,б) выходят из начала координат, которые при малых значениях U_кэ идут более круто, чем при больших коллекторных напряжениях. С ростом базового тока коллекторные характеристики располагаются выше, так как увеличение базового тока происходит вследствие увеличения тока эмиттера. Ток I_кэ0, протекающий в цепи коллектор – эмиттер транзистора при отключенном входном (базовом) электроде (I_б = 0), намного больше обратного тока коллекторного перехода:

. (9.15)

Из (9.15) следует: неуправляемый ток в цепи коллектора в схеме с ОЭ значительно больше, чем в схеме ОБ. За счет этого выходные вольт-амперные характеристики схемы ОЭ более чувствительны к изменениям температуры. При повышении температуры выходные характеристики смещаются в сторону бóльших токов, а их наклон увеличивается.

Коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме ОБ α – интегральный (статический) параметр, поскольку представляет собой отношение постоянных токов. Существует и дифференциальный коэффициент усиления, представляющий собой отношение приращений тока в коллекторе и эмиттере: α = dI_к/dI_э. Хотя статический и дифференциальный коэффициенты несколько отличаются, для схемы ОБ их принято обозначать одинаково – α.

Коэффициент усиления В – статический параметр. Помимо него широко используется и дифференциальный коэффициент усиления по току для схемы ОЭ β = dI_к/dI_б. Для определения β тоже можно воспользоваться формулой (9.6), но в нее следует подставить уже дифференциальные коэффициенты α.

Кратко остановимся на других параметрах биполярного транзистора – сопротивлениях его переходов. Эмиттерный и коллекторный переходы представляются своими дифференциальными сопротивлениями. Поскольку эмиттерный переход смещен в прямом направлении, его дифференциальное сопротивление r_э

, (9.16)

где – тепловой потенциал, который при комнатной температуре приблизительно равен 26 мВ.

Из (9.16) следует, что сопротивление r_.э мало и обратно пропорционально току эмиттера.

Поскольку коллекторный переход в транзисторе смещен в обратном направлении, ток I_к слабо зависит от напряжения U_кб. Поэтому дифференциальное сопротивление коллекторного перехода

1 Мом. (9.17)