5.1. Характеристики

Залежність між струмами і напругами в транзисторах виражається статичними характеристиками транзисторів, знятими при постійному струмі і відсутності навантаження у вихідному колі. Характеристики необхідні для розгляду властивостей транзисторів і для практичних розрахунків транзисторних схем.

У транзисторах взаємно пов'язані завжди чотири величини: I₁, I₂, U₁, U₂ вхідні і вихідні струми і напруги. Одним сімейством характеристик цю залежність показати не можна. Необхідно два сімейства. Найбільш зручно розглядати сімейство вхідних характеристик I₁ = f(U₁) разом з сімейством вихідних характеристик I₂=f(U₂).

Для кожної з трьох схем ввімкнення транзистора існує своє сімейство характеристик. Користуючись характеристиками, треба звертати увагу на те, до якої схеми вони відносяться. Ми розглянемо основні характеристики для найбільш поширених схем із спільним емітером та із загальною базою. Ці характеристики наводяться в довідниках.

О

Рис.5.1. Вхідні характеристики транзистора при ввімкненні його в схемі з СЕ

скільки напруги і струми транзисторів типу p-n-p і n-p-n мають різні знаки, то іноді характеристики будують з урахуванням цього, тобто від’ємні значення напруги і струму відкладаються на осях ліворуч і вниз. Однак зручніше їх відкладати праворуч і вгору в будь-якому випадку. Саме так будуються характеристики, що приводяться далі. А полярність напруги на транзисторі і напрямки струмів у його колах завжди визначаються відповідно типу електропровідності транзистора незалежно від того, як зображені його характеристики.

Вхідні і вихідні характеристики транзистора аналогічні характеристикам напівпровідникового діода. Дійсно, вхідні характеристики відносяться до емітерного переходу, який працює при прямій напрузі. Тому вони аналогічні характеристиці для прямого струму діода. Вихідні характеристики подібні характеристиці для зворотного струму діода, оскільки вони відображають властивості колекторного переходу, працюючого при зворотній напрузі.

Розглянемо передусім характеристики транзистора, ввімкненні його в схемі з спільним емітером (СЕ).

На рис.5.1 зображені вхідні характеристики I_б=f(U_б-е) при постійних вихідних напругах (U_к-е=const). Характеристика при U_к-е = 0 йде з початку координат, оскільки, якщо всі напруги рівні нулю, немає ніякого струму.

З схеми рис.5.1.б) видно, що при U_к-е = 0, тобто коли колектор і емітер закорочені, то до обох переходів прикладена пряма напруга U_б-е = E₁. Струм бази при цьому є сумою прямих струмів емітерного і колекторного переходів, але виходить невеликим, оскільки пряма напруга емітерного переходу складає всього лише десяті долі вольта (сотні мілівольт), а поперечний опір бази r_б0 складає сотні Ом.

У транзисторах невеликої потужності струм бази складає десятки або сотні мікроампер. Характеристика, що розглядається подібна звичайній характеристиці для прямого струму напівпровідникового діода. При U_к-е > 0 характеристика зсувається праворуч, струм бази зменшується і при малих U_бе стає від’ємним. Це пояснює рис.5.1.в) на якому показана схема заміщення транзистора з СЕ при U_б-е = 0, тобто при відсутності джерела E₁ В цьому випадку джерело Е₂ крім початкового струму емітера i створює ще в колі бази струм i_б.зв зворотного в порівнянні із звичайним струмом бази напрямком. Обидва ці струми, додаючись, утворять початковий струм колектора I_к.п. = I_е + I_б.зв. Потрібно зазначити, що струм r_б.зв створює на опорі бази r_б0 невелике падіння напруги, яке є прямим для емітерного переходу і дещо збільшує початковий струм емітера I_еп. Якщо тепер ввімкнути джерело E₁ і поступово збільшувати його напругу то воно буде діяти в колі бази назустріч джерелу Е₂. Струм I_б.зв зменшується і при деякому значенні U_б0 (коли дія джерел Е₁ і E₂ в колі бази урівноважиться) стане рівним нулю. При подальшому збільшенні U_б-е буде зростати додатний струм бази, що складає, як звичайно, частина струму емітера.

З

Рис.5.2. Вихідні характеристики транзистора при ввімкненні його в схемі з СЕ

меншення струму бази при підвищенні U_к-е відбувається ще і внаслідок явища модуляції товщини бази. Чим вище U_к-е, тим більша напруга на колекторному переході U_к.б. Товщина цього переходу збільшується, а товщина бази зменшується, і тоді в базі рекомбінує менше носіїв, які рухаються від емітера до колектору. Отже, дещо зростає струм I_к і зменшується струм r_б. Однак зміна U_к-е (наприклад, з 1 до 10 В, як показано на рис.5.1. а) мало впливає на струм бази. Вхідні характеристики при різних значеннях u_к-е розташовані дуже близько одна до одної. У довідниках звичайно наводиться лише одна вхідна характеристика для значення, що рекомендується при U_к-е. Іноді дається і характеристика при U_к-е = 0.

С

Рис.5.3. Вихідні характеристики транзистора при сталій напрузі база-емітер

імейство вихідних характеристик I=f(U_к-е) показане на рис.5.2.а). Як правило, ці характеристики наводяться при різних сталих значеннях струму бази. Це пояснюється тим, що внаслідок порівняно малого вхідного опору транзистора джерело вхідної змінної напруги, що має часто великий внутрішній опір, працює в режимі генератора струму. Таким чином, звичайно буває заданий вхідний струм транзистора і зручно вести розрахунки за допомогою сімейства вихідних характеристик, які зв'язують вихідний струм і напругу з вхідним струмом.

Перша характеристика при I_б =0 виходить з початку координат і дуже нагадує звичайну характеристику для зворотного струму напівпровідникового діода. Умова I_б = 0 відповідає розімкненому колу бази. При цьому через весь транзистор від емітера до колектора проходить відомий нам крізний струм I_(к-е)0 (рис. 5.2. б).

Якщо, I_б > 0, то вихідна характеристика розташована вище, ніж при I_б = 0, і тим вище, чим більший струм I_б. Збільшення струму бази означає, що за рахунок підвищення напруги U_6е відповідно збільшився струм емітера, частиною якого є струм I_б. Отже, пропорційно зростає і струм колектора. Завдяки лінійній залежності між струмами пологі ділянки сусідніх вихідних характеристик розташовані приблизно на однакових відстанях одна від одної. Однак в деяких транзисторах ця лінійність дещо порушується.

Вихідні характеристики показують, що при збільшенні U_ке, від нуля до невеликих значень (десяті долі вольта) струм колектора різко зростає, а при подальшому збільшенні U_ке характеристики йдуть з невеликим підйомом, що означає порівняно малий вплив напруги U_ке на струм колектора. Дійсно, щоб збільшити I_к, треба збільшити струм емітера, але при підвищенні U_ке відбувається наступне. Внаслідок зменшення товщини бази меншає струм бази, а оскільки характеристики знімаються при умові I_б = const, то для підтримки колишнього значення струму бази доводиться збільшувати напругу U_бе. За рахунок цього дещо зростає I_е а отже, і струм колектора. При збільшенні напруги U_ке збільшується і та його частина, яка прикладена у вигляді прямої напруга до емітерного переходу. Внаслідок цього також зростають струми I_е і I_к .

Характеристики на рис.5.2.а) показують, що чим більший струми I_к, тим раніше, тобто при менших значеннях U_ке наступає електричний пробій. Область пробою, як правило, неробоча область транзистора, за винятком деяких спеціальних типів.

І

Рис.5.4. Характеристики керування при ввімкненні транзистора в схемі з СЕ

ноді застосовуються вихідні характеристики I_к = f(U_ке), зняті при різних постійних напругах u_б.-е. Ці характеристики зручні в тому випадку, якщо на вході задана напруга, тобто якщо джерело коливань, що підсилюються має малий внутрішній опір (у багато разів менший вхідного опору транзистора) і, отже, працює в режимі генератора напруга. Сімейство таких характеристик показане на рис.5.3. Їх особливість в тому, що відстань між сусідніми характеристиками різна. При малих U_бе характеристики розташовані ближче одна до одної. Це наслідок нелінійної залежності між струмом I_к і напругою U_бе. Як ми знаємо, струм I_к приблизно пропорційний струму I_б, але струм I_б залежить нелінійно від U_бе що добре видно з вхідної характеристики на (рис.5.1.а). Якщо U_бе = 0, то в колі колектора протікає невеликий початковий струм I_кп, про що вже згадувалося раніше. Значне підвищення U_ке викликає електричний пробій.

Хоч для розрахунку схем з транзисторами досить мати вхідні і вихідні характеристики, іноді користуються ще характеристиками керування залежністю I_к = f(I_б) при U_ке = const (рис.5.4. а) або I_к=f(U_бе) при U_ке = const (рис.5.4.б). Ці характеристики наочно показують, що між струмами I_к і I_б існує залежність, яка близька до лінійної, а залежність I_к від вхідного напруга нелінійна.

Зміна напруга U_ке мало впливає на I_к, і характеристики управління для різних U_ке розташовані дуже близько один до одного. У довідниках наводиться звичайно лише одна крива для деякого середнього значення U_ке. При I_б = 0 протікає невеликий струм колектора, який є відомий нам як наскрізний струм I_(к-е)0, а при U_бе = 0 протікає невеликий початковий струм колектора I_кп.

Між струмами I_к і I_б існує встановлена раніше залежність

I_к =βI_б + I_(к-е)0

Якщо приблизно вважати, що β=const, то вираз (5.1) є рівняння прямої лінії, яка є характеристикою управління на рис.5.4.а). Насправді β не має сталого значення, то ця характеристика має деяку нелінійність.

Крім розглянутих характеристик існують ще характеристики зворотного зв'язку U_бе= f(U_ке) при I_б = const, які показують зміну напруга на вході транзистора під впливом зміни вихідного напруги при сталому значенні вхідного струму.

У транзисторах завжди існує внутрішній зворотний зв'язок. Це пояснюється впливом поперечного опору бази, явищем модуляції товщини бази, а також тим, що вихідний і вхідний кола електрично з’єднані. Тому частина вихідного напруга завжди прикладена до входу транзистора. Характеристики зворотного зв'язку не застосовують для розрахунків, і ми не будемо їх розглядати. Останнім часом вони навіть не наводяться в довідниках.

Перейдемо до характеристик транзистора, ввімкненого в схемі з СБ.

Вхідні характеристики I_е = f(U_бе) при U_кб = const (рис.5.5) аналогічні характеристиці для прямого струму діода, оскільки струм емітера є саме таким струмом. При U_кб = 0 характеристика йде з початку координат, оскільки струм рівний нулю. А якщо U_кб>0, то характеристика проходить ненабагато вище, тобто виникає струм емітера, і при U_бе = 0 протікає невеликий початковий струм емітера I_еп,. Умова U_бе = 0 відповідає короткому замиканню емітера і бази. Характеристики для різних U_кб розташовані дуже близько одна до одної, і в довідниках звичайно наводиться тільки одна характеристика для деякого значення U_кб. Малий вплив напруга U_кб на струм емітера пояснюється тим, що поле, що створюється напругою U_к.б зосереджено в колекторному переході. Але все ж з збільшенням I_кб струм I_е, дещо зростає, що пояснюється впливом поперечного опору бази r_б0.

З

Рис.5.5. Вхідні характеристики транзистора при ввімкненні його в схемі з СБ

схеми на рис. 5.1, у видно, що при Е₁ = U_бе = 0 зворотний струм бази I_б.зв створює на опорі r_б0 деяку напругу, яка є прямою для емітерного переходу. Тому виникає струм I_еп, і тоді I_еп + I_б.зв = I_{к п}. Із збільшенням U_к.б дещо збільшується струм r_б.зв, отже, зростає напруга на r_б0 і струм I_еп. Якщо ж від джерела Е₁ подана така напруга U_бе, що струм I_б змінить свій напрям, то він буде, як звичайний, становити частину струму емітера (див. рис.5.1. б). У цьому випадку на опорі r_б0 струм I_б створює напругу, яка діє назустріч напрузі Е₁ тобто зменшує U_бе. Із збільшенням u_кб зменшується товщина бази, а внаслідок цього зменшується струм I_б і напруга на опорі r_бо. У результаті зростає напруга U_бе і струм емітера.

Н

Рис.5.6. Вихідні характеристики транзистора при ввімкненні його в схемі з СБ

а рис.5.6.а) показане сімейство вихідних характеристик I_к = f (U_кб) при U_е = const. Вони наведені для сталих значень струму І_е, тому що вхідний опір транзистора малий і джерело коливань, що підсилюються звичайно працює як генератор струму, тобто в режимі, близькому до короткого замикання. При I_е = 0 характеристика проходить через початок координат, оскільки без струму I_е і при U_к.б = 0 не може бути і колекторного струму. Це є звичайна характеристика зворотного струму n-р-переходу. Умова I_е = 0 відповідає розімкненому колу емітера, а це означає, що ввімкнений тільки колекторний перехід, до якого прикладена зворотна напруга. У цьому випадку протікає відомий нам початковий струм колектора. При деякому значенні U_к.б починається електричний пробій колекторного переходу і струм колектора різко зростає.

Робочі ділянки вихідних характеристик для різних I_е є практично прямі лінії, що йдуть з дуже невеликим нахилом, що означає малий вплив напруга U_кб на струм колектора. Дійсно, для збільшення струму I_к треба збільшувати струм емітера, щоб з емітера в базу інжектувалося більше носіїв. Але якщо I_е = const, то колекторний струм при зростанні U_кб збільшується головним чином тільки за рахунок зменшення товщини бази, внаслідок чого в базі знижується рекомбінація інжектованих носіїв з основними носіями бази. Отже, більше інжектованих носіїв досягає колектора, струм I_к збільшується, а струм бази зменшується.

Особливість вихідних характеристик в тому, що при U_кб = 0 і I_е > 0 струм колектора досить великий майже. такий же, як і при U_к.б > 0. Це пояснюється тим, що завдяки опору бази r_б0 в даному режимі на колекторному переході є деяка напруга. Вона являє собою напругу, створену на r_б0 струмом бази (рис.5.6.б). У багатьох транзисторів вихідні характеристики мають вигляд прямих ліній починаючи від U_к.б = 0. Залежність між струмами I_к і I_е, майже лінійна. Тому вихідні характеристики при однаковій зміні струму I_е розташовуються майже на одній і тій же відстані одна від одної. Чим більший струми, тим швидше і при менших значеннях U_к.б, відбувається перехід в режим електричного пробою.

На рис.5.6.а) штриховими лініями показано, що при зміні знаку напруга U_кб вже при невеликих її значеннях струм колектора різко зменшується, а потім змінює свій напрям і швидко зростає. Це пояснюється тим, що напруга U_кб іншого знаку в порівнянні із звичайним є для колекторного переходу прямою. При збільшенні її на десяті долі вольта спочатку компенсується та невелика напруга, яка (як було пояснено) виникла на колекторнім переході за рахунок спаду напругу від струму I_б на опорі бази. Потім напруга на колекторнім переході стає прямою і струм I_к різко зростає в зворотному напрямі.