Характеристики и параметры биполярных транзисторов.

 

Для использования транзисторов необходимо представление сведений о них в виде характеристик и параметров, которые позволяют правильно выбрать транзистор и определить режимы его работы. Транзистор по схеме с ОЭ описывается семействами выходных и входных характеристик.

Выходной или коллекторной вольтамперной характеристикой транзистора называется зависимость коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером І_k = f (U_кэ), снятая при неизменном токе базы І_Б = const. для снятии этой характеристики можно воспользоваться схемой рис. 4.1.3 при поддержании постоянства тока базы. Семейство выходных ВАХ транзистора приведено на рис. 4.2.1, б. Зависимость, І_k = (U_кэ), является нелинейной и может быть разбита на ряд участков.

На большей части характеристик при U_КЭ ≥ U_КЭ,Н (участок II) ток коллектора почти не зависит от напряжения U_КЭ (пологий участок характеристики). На этом участке транзистор работает в режиме рассмотренном выше, когда на эмиттерном переходе действует прямое напряжение на коллекторном — обратное. Ток коллектора выражается зависимостью 4.1.4. На пологом участке выходных характеристик транзистор может характеризоваться как прибор со свойствами управляемого источника тока, т. е. источника тока I_К значение которого можно изменять путем изменения тока I_Б. Для изменения входного тока базы, например для его увеличения, увеличивают напряжение источника Е_Б, при этом растут прямое напряжение на эмиттерном переходе и инжекция носителей из эмиттера в базу и ток эмиттера увеличивается на значение ΔІ_Б. Увеличение тока базы обусловлено увеличением рекомбинации части дырок в тонкой базе ΔІ_Б = ΔІ_рек = ΔІ_э (1 - a). Основная часть приращения эмиттерного тока, ΔІ_э вызывает приращение тока коллектора. Величина в различных типах транзисторов лежит в диапазоне от 10 до 100

 

 

а) б)

 

 

Рисунок 4.2.1: а) – входные характеристики транзистора, б) – выходные характеристики транзистора.

 

 

Небольшой наклон пологого участка выходной характеристики обусловлен тем, что при увеличении напряжения Uкэ увеличивается напряжение на коллекторном переходе и расширяется двойной электрический слой коллекторного перехода, что приводит к уменьшению толщины базы. В более тонкой базе меньше вероятность рекомбинаций, поэтому значения коэффициентов передачи тока и несколько увеличиваются.

Перейдем к рассмотрению крутого участка выходных характеристик транзистора (участок I). При уменьшении U_кэ уменьшается напряжение на коллекторном переходе U_кби при U_кэ = U_{кэ н} = U_БЭнапряжение U_кэ = U_{кэ и} - U_БЭ изменяет свой знак. При дальнейшем уменьшении U_кэ до нуля коллекторному переходу приложено прямое напряжение. Навстречу току дырок из эмиттера в коллектор начинается противоположное движение основных носителей (дырок) из коллектора в базу. В результате коллекторный ток при таком уменьшении U_кэ резко падает. Крутой участок выходных характеристик транзистора характеризуется потерей транзистором свойств усилительного элемента, эта часть характеристик используется в импульсной технике при реализации ключевого режима транзистора. Напряжение, отсекающее крутой участок на выходных характеристиках транзистора составляет значение U_{кэ, н} = 0,2÷1 В.

Резкое увеличение тока І_к в транзисторах при значительных напряжениях U_КЭ вызвано, как в диодах, лавинным размножениём носитёлей в коллекторном переходе, т. е. явлениём электрического пробоя этого перехода (участок III). Для предотвращения необратимого пробоя транзистора ограничиваются напряжение на коллекторе и мощность, рассеиваемую на коллекторном переходе (на рис. 1.7 показаны ограничения рабочего участка характеристик). Предельные значения тока коллектора приводятся в справочниках.

Входной характеристикой транзистора называется зависимостей тока базы от напряжения между базой и эмиттером I_б=f(U_бэ), снятая при постоянном напряжении U_кэ. При U_кэ= 0 оба перехода в транзисторе работают при прямом напряжении, токи коллектора и эмиттера суммируют в базе. Входная характеристика в этом режиме представляет собой ВАХ двух р-n- переходов включенных параллельно (рис. 4.2. 1. б).

При U_кэ > U_кэ,н на коллекторном переходе появляется обратное напряжение, на эмиттером — сохраняется прямое. Ток базы в этом режиме, обусловленный процессом рекомбинации не основных носителей в базе, равен разности эмиттерного и коллекторного токов. Входная характеристика транзистора рис. 4.2.1, а. В этот режиме строится по прямой ветви ВАХ эмиттерного перехода, но значения тока уменьшаются на коэффициент (1-α), показывающий, что ток базы — это лишь рекомбинационная составляющая эмиттерного тока.

Токи в транзисторе сильно зависят от температуры окружающей среды, что является общим недостатком полупроводниковых приборов. Рассмотрим зависимость тока коллектора от температуры при постоянном входном токе базы. С ростом температуры растет ток І_КБО значение которого удваивается через каждые 8—10 °С), так как увеличивается концентрация не основных носителей в слоях. Коэффициент передачи тока базы βпри увеличении температуры также увеличивается. Это объясняется тем, что при повышении температуры центры рекомбинации кристаллической решетки постепенно заполняются и вероятность рекомбинации носителей в базе падает. При этом увеличиваются коэффициенты передачи токов в транзисторе и, следовательно, коэффициент β. При нагреве на 20—З0°С Iк может изменяться на десятки процентов.

Коэффициенты передачи токов транзистора и зависят от ча­стоты. Это связано с инерционно­стью процессов, происходящих в транзисторе при прохождении носителей заряда через базовый слой, и изменением концентрации носителей в базе при диффузии неосновных носителей к коллек­тору. За счет инерционности этих процессов приращения вы­ходного тока запаздывают по фазе относительно приращений входного тока. При высокой частоте следования импуль­сов за время импульса ток коллектора не успевает дорасти до максимального значения и с ростом частоты амплитуда импульсов убывает. Для математического описания этих явлений коэффициент представляют в виде комплексной величины, зависящей от частоты (рис. 1.8);

 

 

Рисунок 4.2.2. Зависимость модуля коэффициента переда­чи | | от частоты.

(4.2.1)

где — значение коэффициента в области низких и сред­них частот; f — частота, на которой модуль коэффициента

В справочниках приводится граничная частота коэффи­циента передачи тока f_гр, на которой = 1. Подставим f = f_гр в (4.2.1) и найдем модуль | |, учитывая, что f_гр /f 1. Получим:

f_гр=β₀f_h21э (4.2.2)

 

По величине f -можно приближенно судить о рабочей области частот усилителя, выполненного на транзисторах. В современных транзисторах f составляет 10⁶—10⁷ Гц. Если нужно усиливать сигналы при f > f , применяется включение транзистора с общей базой, усиление при этом возможно до частоты f_гр