<<
>>

Лекция 13. Статические вольт-амперные характеристики биполярного транзистора

При использовании транзисторов в различных схемах представляют практический интерес зависимости напряжения и тока входной цепи (входные вольт-амперные характеристики) и выходной цепи (выходные или коллекторные вольт-амперные характеристики).

Эти характеристики могут быть записаны аналитически или построены графически. Последний способ наиболее прост и нагляден, поэтому он нашел преобладающее применение. Вольт-амперные характеристики снимают при относительно медленных изменениях тока и напряжения (по постоянному току), в связи с чем их называют статическими. Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.

Рис. 4.5. Схема включения транзистора с общей базой (схема ОБ)

Существуют три способа включения транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). О способе включения с общей базой говорилось при рассмотрении принципа действия транзистора. Различие в способах включения зависит оттого, какой из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепей. В схеме ОБ общей точкой входной и выходной цепей является база, в схеме ОЭ — эмиттер, в схеме ОК — коллектор.

В силу того, что статические характеристики транзистора в схемах ОЭ или ОК примерно одинаковы, далее рассматриваются характеристики только для двух способов включения: ОБ и ОЭ.

Схема ОБ (рис. 4.5). Выходные характеристики транзистора в схеме ОБ отражают зависимость тока коллектора Iк от напряжения на коллекторе относительно базы Uкб при фиксированном токе эмиттера Iэ : Iк = F(Uкб)Iэ = const (рис. 4.6, а). Здесь, как и ранее, рассматривается транзистор типа р-п-р, поэтому напряжение Uкб отрицательное.

Вольт-амперные характеристики имеют три характерные области: I — сильная зависимость Iк от Uкб (нелинейная начальная область), II — слабая зависимость Iк от Uкб (линейная область), III — пробой коллекторного перехода.

Для схемы ОБ характерно расположение начальной области I левее оси ординат. Это обусловлено тем, что напряжение на коллекторном переходе транзистора в схеме ОБ определяется суммой внутренней разности потенциалов φ0 и внешнего напряжения Uкб. При Uкб = 0 и заданном токе эмиттера дырки перебрасываются в коллектор из базы под действием внутренней разности потенциалов φ0; при Uкб = 0 ток Iк ≠ 0. Чтобы уменьшить ток Iк, нужно создать встречный поток дырок через переход, т.е. перевести коллекторный переход путем изменения полярности напряжения Uкб в режим инжекции носителей заряда (в режим эмиттера). При подаче некоторого напряжения положительной полярности Uкб потоки дырок через коллекторный переход будут взаимно скомпенсированы и ток Iэ = 0. Естественно, что с увеличением тока Iэ для этого необходимо подать напряжение Uкб большей величины. Этим объясняется смещение влево начальных участков характеристик при большем токе Iэ.

Рис. 4.6. Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ (а); иллюстрация эффекта модуляции базы в транзисторе (б); зависимость коэффициента передачи тока α от тока эмиттера Iэ (в)

Особенностью характеристик в области II является их небольшой подъем при увеличении напряжения Uкб.

Некоторое увеличение тока Iк обусловливается увеличением коэффициента передачи тока α транзистора вследствие возникающего эффекта модуляции толщины базового слоя (эффекта модуляции базы), а также роста тока Iк0 = F(Uкб).

Эффект модуляции базы связан с расширением коллекторного перехода lк за счет увеличения объемного заряда в нем, вызванного повышением напряжения Uкб (рис. 4.6, б). Поскольку расширение перехода происходит главным образом за счет базового слоя, как более высокоомного, повышение напряжения Uкб приводит к уменьшению толщины базового слоя lб, а следовательно, к уменьшению числа актов рекомбинаций дырок с электронами в ней, увеличению коэффициента α и тока Iк.

Эффект модуляции базы иллюстрируется рис. 4.6, б, на котором обозначения с индексом 1 относятся к напряжению Uкб1, а с индексом 2 — к напряжению Uкб2 (Uкб2 > Uкб1).

Постоянство задаваемого тока Iэ при снятии коллекторных характеристик обусловливает постоянство градиента концентрации дырок dp / dx на границе перехода П1 с базой. В связи с этим кривые распределения концентраций в базе рп2(х) и рп1(х) идут параллельно друг другу. Из рис. 4.6, б следует, что начальные уровни концентраций дырок на границе эмиттерного перехода с базой получаются неодинаковыми, в частности рn1(0) > рn2(0). Это может быть только в случае уменьшения напряжения на переходе П1. Таким образом, изменение тока Iк с изменением напряжения Uк6 при Iэ = const, связанное с изменением коэффициента α из-за эффекта модуляции базы, сопровождается также изменением напряжения на эмиттерном переходе. Иными словами, модуляция базы создает внутреннюю обратную связь по напряжению в транзисторе.

Если предположить, что для транзистора задается не ток Iэ, а напряжение Uэб, определяющее напряжение на эмиттерном переходе, то при подаче напряжения Uкб2 > Uкбl концентрация дырок не изменится (рn1(0)= рn2(0)) и кривая рп2(х) примет вид, показанный на рис. 4.6, б пунктирной линией. Больший наклон пунктирной кривой отражает увеличение эмиттерного тока Iэ2 по сравнению с Iэ1, а следовательно, и коллекторного тока. В данном случае изменение тока коллектора при проявлении эффекта модуляции базы наблюдается не только за счет изменения коэффициента α, но и за счет обратной связи, влияющей на ток эмиттера.

Некоторое возрастание тока Iк на выходных характеристиках при повышении напряжения Uкб вследствие увеличения коэффициента α за счет эффекта модуляции базы (рис. 4.6, а) характеризуется дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода rк(б) = dUкб / dIк│Iэ = const, которое может быть найдено из коллекторных характеристик как отношение приращений напряжения и тока. Для маломощных транзисторов величина rк(б) составляет 0,5—1 МОм.

При Iэ = 0 зависимость Iк = F(Uкб) представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики коллекторного р-п-перехода. Обратный ток коллекторного перехода определяет составляющую Iк0 в коллекторном токе транзистора.

В области II выходные характеристики практически линейны и сопротивление rк(б) можно принять неизменным. Тогда для этой области зависимость Iк = F(Uкб) можно представить в аналитической форме:

Iк = αIэ + Uкб / rк(б) + Iк0 (4.11)

и тем самым уточнить соотношение (4.10), полученное без учета эффекта модуляции базы.

Наличие составляющей Iк0 в выражении (4.11) является одной из главных причин температурной зависимости выходных (коллекторных) характеристик транзистора. Влияние температуры приводит к изменению тока Iк0 и смещению характеристик вверх при повышении температуры (пунктирные кривые на рис. 4.6, а) и вниз при ее снижении. Такое же воздействие на коллекторные характеристики (в меньшей степени) оказывает и зависимость от температуры коэффициента α. Это обусловлено тем, что в рабочем диапазоне температур наблюдается некоторое увеличение коэффициента α с ростом температуры.

Коллекторные характеристики можно считать эквидистантными в небольшой области изменения тока Iэ. При этом равным приращениям тока Iэ соответствуют примерно равные приращения тока Iк (рис. 4.6, а). В большом диапазоне изменения эмиттерного тока характеристики нельзя считать эквидистантными в силу их более густого расположения при малых и больших токах Iэ и более редкого — при промежуточных значениях. Причиной этого является зависимость коэффициента α от тока эмиттера в виде кривой с максимумом при некотором токе Iэ (рис. 4.6, в). Увеличение коэффициента α и достижение им максимального значения с возрастанием эмиттерного тока объясняется относительным уменьшением числа актов рекомбинаций дырок в базе с ростом количества входящих в нее дырок, т.е. повышением коэффициента переноса δ при увеличении тока Iэ. После достижения максимума последующее уменьшение коэффициента передачи тока α обусловливается уменьшением коэффициента инжекции γ с ростом тока Iэ. Для маломощных транзисторов максимуму коэффициента α соответствует ток эмиттера, равный 0,8—3 мА.

Для транзистора существует предел повышения коллекторного напряжения ввиду возможного электрического пробоя коллекторного перехода (область III на рис. 4.6, а), который может перейти в тепловой пробой. Величина допустимого напряжения Uкб указывается в справочниках.

Входные характеристики транзистора в схеме ОБ (рис. 4.7) представляют собой зависимость Iэ = F(Uэб)uкб = const и по виду близки к прямой ветви вольт-амперной характеристики р-п-перехода (диода).

Рис. 4.7. Входные характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ

Входная характеристика, снятая при большем напряжении Uкб, располагается левее и выше. Это обусловливается эффектом модуляции базы, приводящим к повышению градиента концентрации дырок в базе и увеличению тока Iэ. Указанное явление было рассмотрено ранее.

Схема ОЭ (рис. 4.8). В схеме ОЭ вывод эмиттера является общим для входной и выходной цепей транзистора. Напряжения питания Uбэ, Uкэ подаются соответственно между базой и эмиттером, а также между коллектором и эмиттером транзистора. Без учета падения напряжения в базовом слое напряжение Uбэ определяет напряжение на эмиттерном переходе. Напряжение на коллекторном переходе находят как разность Uкэ – Uбэ.

Рис. 4.8. Схема включения транзистора с общим эммитером (схема ОЭ)

Выходные характеристики транзистора в схеме ОЭ определяют зависимость коллекторного тока Iк = F(Uкэ) при Iб = const (рис. 4.9, а). Как и для схемы ОБ, здесь можно выделить три характерные области: I — начальная область, II — относительно слабая зависимость Iк от Uкэ, III — пробой коллекторного перехода.

Рис. 4.9. Выходные (а) и входные (б) характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ

Коллекторные характеристики транзистора в схеме ОЭ отличаются от соответствующих характеристик в схеме ОБ. В частности, они начинаются из начала координат и участок I располагается в первом квадранте. При Uкэ = 0 напряжение на коллекторном переходе равно Uбэ, коллекторный переход открыт и инжектирует дырки в базу. Потоки дырок через коллекторный переход (от коллектора и базу и от эмиттера в коллектор) взаимно уравновешиваются и ток Iк ≈ 0. По мере повышения напряжения Uкэ в области I прямое напряжение на коллекторном переходе снижается, его инжекция уменьшается и ток Iк возрастает. На границе с областью II прямое напряжение снимается с коллекторного перехода и в области II на переходе действует обратное напряжение. Точке перехода от области I к области II соответствует напряжение Uкэ порядка 0,5—1,5 В.

Отличие характеристик для схемы ОЭ в области II покажем, выразив в (4.11) ток Iэ через Iб и ток Iк в соответствии с формулой (4.8). После замены Uкб на Uкэ получаем коллекторные характеристики транзистора в схеме ОЭ, записанные в аналитической форме:

, (4.12)

где β = Iк / Iб = α / (1 – α) — коэффициент передачи тока в схеме ОЭ.

Коэффициент β показывает связь тока коллектора с входным током Iб. Если для транзисторов коэффициент α = 0,9÷0,99, то коэффициент β = 9÷99. Иными словами, транзистор в схеме ОЭ дает усиление по току. Это является важнейшим преимуществом включения транзистора по схеме ОЭ, чем, в частности, определяется более широкое практическое применение этой схемы включения по сравнению со схемой ОБ.

Выражение (4.12) можно переписать в виде

Iк = βIб + Uкэ / rк(э)+ Iк0(э), (4.12 а),

где rк(э) = rк(б) / (1 + β), Iк0(э) = (1 + β)Iк0(э).

Так же как и в схеме ОБ, коллекторные характеристики имеют некоторый наклон к оси абсцисс (рис. 4.9, а), вызванный эффектом модуляции базы. Однако этот наклон в схеме ОЭ больше, чем в схеме ОБ, так как малые изменения коэффициента α под действием изменения напряжения на коллекторном переходе дают значительные изменения коэффициента β = α / (1 – α). Указанное явление учитывается вторым слагаемым в правой части уравнения (4.12 а). Дифференциальное сопротивление rк(э) коллекторного перехода в схеме ОЭ в 1 + β раз меньше дифференциального сопротивления кк(б) в схеме ОБ и составляет 30—40 кОм.

Из принципа действия транзистора известно, что через вывод базы протекают во встречном направлении две составляющие тока (см. рис. 4.8): обратный ток коллекторного перехода Iк0 и часть тока эмиттера (1 – α)Iэ. В связи с этим нулевое значение тока базы (Iб = 0) определяется равенством указанных составляющих токов, т.е. (1 – α)Iэ = Iко. Нулевому входному току соответствуют ток эмиттера Iэ = Iк0/(1 – α) = (1 + β)Iк0 и ток коллектора Iк = αIэ + Iк0 = αIк0/(1 – α) + Iк0 = (1 + β)Iк0. Иными словами, при нулевом токе базы через транзистор в схеме ОЭ протекает ток, называемый начальным или сквозным током Iк0(э) и равным (1 + β)Iк0.

Этим обусловливается наличие третьей составляющей тока Iк в выражениях (4.12) и (4.12 а). Таким образом, ток коллектора при входном токе, равном нулю, в схеме ОЭ в 1 + β раз больше, чем в схеме ОБ.

Если же эмиттерный переход перевести в непроводящее состояние, т.е. подать напряжение Uбэ ≥ 0, то ток коллектора снизится до Iк0 (рис. 4.9, а) и будет определяться обратным (тепловым) током коллекторного перехода, протекающим по цепи база — коллектор. Область характеристик, лежащая ниже характеристики, соответствующей Iб = 0, называют областью отсечки.

Коллекторные характеристики в схеме ОЭ, так же как и в схеме ОБ, подвержены температурным смещениям. Однако температурные воздействия здесь проявляются сильнее, чем в схеме ОБ. Это обусловлено, во-первых, наличием множителя 1 + β перед Iк0 в формуле (4.12) и, во-вторых, более сильными температурными изменениями коэффициента β = α / (1 – α) при относительно малых температурных изменениях коэффициента α.

Более резко здесь выражена и неэквидистантность характеристик, так как зависимость коэффициента α от тока эмиттера (коллектора) сильно сказывается на зависимости коэффициента β от тока Iэ(Iк).

Необходимо указать и на тот факт, что в схеме ОЭ пробой коллекторного перехода наступает при коллекторном напряжении в 1,5—2 раза меньшем, чем в схеме ОБ.

Входные (базовые) характеристики транзистора отражают зависимость тока базы от напряжения база — эмиттер при фиксированном напряжении коллектор — эмиттер: Iб = F(Uбэ)Uкэ = const (рис. 4.9, б).

При Uкэ = 0 входная характеристика соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики двух p-n-переходов (эмиттерного и коллекторного), включенных параллельно. Ток базы при этом равен сумме токов эмиттера и коллектора, работающего в режиме эмиттера.

При Uкэ < 0 ток базы составляет малую часть тока эмиттера. При определенной величине Uбэ подача напряжения Uкэ < 0 вызывает уменьшение тока Iб, т.е. смещение вниз характеристик относительно кривой со значением Uкэ = 0. Дальнейшее увеличение абсолютной величины Uкэ также смещает характеристики к оси абсцисс вследствие уменьшения тока Iб из-за эффекта модуляции базы.

В токе Iб присутствует составляющая Iк0. Поэтому при Uкэ < 0 входные характеристики исходят из точки с отрицательным значением тока базы, равным Iк0.

<< | >>
Источник: Руденкова В.И.. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ. Лекция. 2006

Еще по теме Лекция 13. Статические вольт-амперные характеристики биполярного транзистора:

  1. СОДЕРЖАНИЕ
  2. Лекция 13. Статические вольт-амперные характеристики биполярного транзистора