3.5. Статические характеристики биполярного транзистора

Как уже отмечалось в п. 3.1, транзистор в электрических схемах используется в качестве четырехполюсника, характеризующегося четырьмя величинами: входным и выходным напряжениями и входным и выходным токами ( u_ВХ, u_ВЫХ, i_ВХ, i_ВЫХ). Функциональные зависимости между этими величинами называются статическими характеристиками транзистора, Чтобы установить функциональные связи между указанными величинами, необходимо две из них взять в качестве независимых переменных, а две оставшиеся выразить в виде функций этих независимых переменных. Как правило, применительно к биполярному транзистору в качестве независимых переменных выбирают входной ток и выходное напряжение. В этом случае входное напряжение и выходной ток выражаются следующим образом:

 

На практике удобнее использовать функции одной переменой. Для перехода к таким функциям необходимо вторую переменную, называемую в этом случае параметром характеристики, поддерживать постоянной. В результате получаются четыре типа характеристик транзистора:

• входная характеристика:

 ; (3.31)

• характеристика обратной передачи ( связи) по напряжению:

 ; (3.32)

• характеристика (прямой) передачи тока, называемая также управляющей или передаточной характеристикой:

 ; (3.33)

• выходная характеристика:

. (3.34)

Статические характеристики транзистора могут задаваться соответствующими аналитическим выражениями, а могут быть представлены графически. Несколько характеристик одного типа, полученные при различных значениях параметра, образуют семейство характеристик. Семейства входных и выходных характеристик транзистора считаются основными и приводятся в справочниках, с их помощью легко могут быть получены два других семейства характеристик. В различных схемах включения транзистора в качестве входных и выходных токов и напряжений выступают токи, протекающие в цепях различных электродов, и напряжения, приложенные между различными электродами. Поэтому конкретный вид статических характеристик зависит от схемы включения транзистора. Рассмотрим статические характеристики транзистора в наиболее распространенных схемах ОБ и ОЭ.

Статические характеристики в схеме ОБ

В схеме с ОБ (см. рис. 3.3,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 представляет собой зависимость

.

Однако, реально в справочниках приводится обратная зависимость

.

Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n-транзистора приведено на рис. 3.20. Выражение для идеализированной входной характеристики транзистора в активном режиме имеет вид:

С ледует отметить, что в выражении (3.35) отсутствует зависимость тока i_Э от напряжения на коллекторном переходе u_КБ. Реально такая зависимость существует и связана она с эффектом Эрли. Как показано в п. 3.3, при увеличении обратного напряжения u_КБ. сужается база транзистора , в результате чего несколько увеличивается ток эмиттера i_Э. Увеличение тока i_Э с ростом u_КБ. отражается небольшим смещением входной характеристики в сторону меньших напряжений | u_ЭБ. | - см. рис. 3.20. Режиму отсечки формально соответствует обратное напряжение u_ЭБ.>0 , хотя реально эмиттерный переход остается закрытым ( i_Э » 0) и при прямых напряжениях | u_ЭБ| меньших порогового напряжения.

Выходная характеристика транзистора в схеме ОБ представляет собой зависимость

.

Семейство выходных характеристик n-p-n-транзистора приведена на рис. 3.21. Выражение дляидеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид: i_К =a · i_Э+ I_КБ0. (3.36)

В соответствие с этим выражением ток коллектора определяется только током эмиттера и не зависит от напряжения u_КЭ. Реально (см. рис. 3.21) имеет место очень небольшой рост i_К при увеличении обратного напряжения u_КБ, связанный с эффектом Эрли. В активном режиме характеристики практически эквидистантны (расположены на одинаковом расстоянии друг от друга), лишь при очень больших токах эмиттера из-за уменьшения коэффициента передачи тока эмиттера a эта эквидистантность нарушается, и характеристики несколько приближаются друг к другу. При i_Э= 0 в цепи коллектора протекает тепловой ток ( i_К= I_КБ0). В режиме насыщения на коллекторный переход подается прямое напряжение u_КБ, большее порогового значения, открывающее коллекторный переход. В структуре транзистора появляется инверсный сквозной поток электронов, движущийся из коллектора в эмиттер навстречу нормальному сквозному потоку, движущемуся из эмиттера в коллектор. Инверсный поток очень резко увеличивается с ростом Ѕ u_КБ.Ѕ , в результате чего коллекторный ток уменьшается и очень быстро спадает до нуля - см. рис. 3.21.

Статические характеристики в схеме ОЭ

В схеме с общим эмиттером (см. рис. 3.3,б) входным током является ток базы i_Б, а выходным - ток коллектора i_К, соответственно, входным напряжением является напряжение u_БЭ, а выходным - напряжение u_КЭ.

Входная характеристика в схеме ОЭ представляет собой зависимость

.

Однако, реально в справочниках приводится обратная зависимость

.

Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n-транзистора приведено на рис. 3.22. Выражение для идеализированной входной характеристики в активном режиме имеет вид:

 , (3.37)

где u_БЭ - прямое напряжение на эмиттерном переходе. Так же, как и в схеме ОБ, входная характеристика имеет вид, характерный для прямой ветви ВАХ p-n-перехода (см. рис. 3.22). однако, входной ток i_Б здесь в ( b + 1) раз меньше, чем в схеме ОБ. Экспоненциальный рост тока базы при увеличении u_БЭ связан с увеличением инжекции электронов в базу и соответствующим усилением их рекомбинации с дырками. В выражении (3.37) отсутствует зависимость тока i_Б от напряжения u_КЭ. Реально эта зависимость имеет место, она связана с эффектом Эрли. Как показано в гл. 3, с ростом обратного напряжения на коллекторном переходе сужается база транзистора, в результате чего уменьшается рекомбинация носителей в базе и, соответственно, уменьшается ток базы. Снижение тока базы с ростом u_КЭ отражается небольшим смещением характеристик в область больших напряжений u_БЭ - см. рис. 3.22.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, их рекомбинация с дырками усиливается, и ток базы резко возрастает - см. рис. 3.22.

Выходная характеристика в схеме ОЭ представляет собой зависимость

.

Семейство выходных характеристик n-p-n-транзистора приведено на рис. 3.23. Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид:

 . (3.38)

Особенностью выходной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером по сравнению с характеристикой в схеме с общей базой, является то, что она целиком лежит в первом квадранте. Это связано с тем, что в схеме ОЭ напряжение u_КЭ распределяется между обоими переходами, и 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 (cм. рис. 3.23). В режиме насыщения характеристики сливаются в одну линию, то есть ток коллектора не зависит от тока базы. Так же, как и в схеме ОБ, идеализированная характеристика в активном режиме не зависит от напряжения u_КЭ. Реально имеет место заметный рост тока i_К с ростом u_КЭ (см. рис. 3.23), связанный с эффектом Эрли. Этот рост выражен значительно сильнее, чем в схеме ОБ в связи с более резкой зависимостью от напряжения на коллекторном переходе коэффициента передачи тока базы b по сравнению с коэффицентом передачи тока эмиттера a . Также более резкой зависимостью b от тока эмиттера и, соответственно, от тока базы объясняется практическое отсутствие эквидистантности характеристик. При i_Б=0 в цепи коллектора протекает ток i_КЭ0= b i_БЭ0. Увеличение тока в b раз по сравнению со схемой ОБ объясняется тем, что в схеме ОЭ при i_Б=0 и u_КЭ >0 эмиттерный переход оказывается несколько приоткрыт напряжением u_КЭ, и инжектируемые в базу электроны существенно увеличивают ток коллектора.