Работа биполярного транзистора.

При изготовлении транзистора в слоях делают различную концентрацию основных носителей, причем в крайних слоях, т.е. в эмиттере и коллекторе концентрация значительно выше, чем в среднем слое (базе). Учитывая указанную особенность построения транзистора, рассмотрим его работу при включении с общей базой.

К переходу база-эмиттер подключим источник напряжения смещающий его в обратном направлении, а коллектор оставим не подключенным (рис.21).

Рис. 24. Обратное смещение базово-эмиттерного перехода.

При этом получим, что ток эмиттера равен току базы и равен тепловому току обратносмещенного p-n перехода. Величина этого тока очень мала. Так как коллектор никуда не подключен, то в базово-коллекторной цепи ток тоже будет отсутствовать.

Если же к базово-эмиттерному переходу подключить прямосмещающее напряжение, т.е. изменить полярность источника напряжения в базово-эмиттерной цепи, то по указанному контуру будет протекать ток, определяемый этим напряжением и концентрацией основных носителей в базе. Однако концентрация основных носителей в эмиттере значительно выше, а такое включение источника напряжения создает условия инжектирования основных носителей (электронов) из эмиттера в базу, то в базе накапливается заряд неосновных носителей, определяемый инжектированными из эмиттера электронами. Величина этого заряда в основном определяется концентрацией основных носителей в эмиттере.

Совершенно другая картина при подключении источника напряжения к коллекторно-базовому переходу, как показано на рис.25.

Рис.25. Нормальное включение транзистора.

Такое включение приводит к обратному смещению базово-коллекторного перехода, но неосновные носители, инжектированные в базу, получают возможность свободного прохождения в коллектор транзистора. Поэтому после накопления определенного заряда неосновных носителей в базе избыточные электроны свободно втягиваются в коллектор и формируют ток коллектора. Большая разница в концентрациях основных носителей приводит к тому, что и . Учитывая, что транзистор можно представить точкой соединения, в которой должен выполняться первый закон Кирхгофа получаем , т.е. ток эмиттера отличается от тока коллектора на величину тока базы. Зависимость тока эмиттера от тока коллектора определяется соотношением , где — коэффициент передачи эмиттерного тока в цепь коллектора при нормальном включении, — тепловой ток обратно смещенного базово-коллекторного перехода.

Если транзистор работает, как описано, то такой режим называют нормальным линейным (усилительным) режимом.

Если к обоим переходам подводятся обратные напряжения, то по переходам протекают незначительные обратные токи и такой режим называют режимом отсечки.

Если к эмиттерному переходу подводится обратное напряжение, а к коллекторному — прямое, то эмиттер и коллектор меняются местами и такой режим называют инверсным.

Лекция 5

Характеристики биполярных транзисторов.

Для правильного использования транзисторов помимо знания принципов их работы необходимо знание их характеристик. Полностью охарактеризовать биполярный транзистор можно двумя видами характеристик: статическими и динамическими (частотными).

Статические характеристики.

Под статическими характеристиками будем понимать зависимости между переменными и параметрами биполярного транзистора на постоянном токе. Такими зависимостями являются: Iэ=f(Uбэ, Uкб), Iк=f(Uкб, Iэ) — для схемы включения с общей базой и Iб=f(Uбэ, Uкэ), Iк=f(Uкэ, Iб) — для схемы включения с общим эмиттером. Функции Iэ и Iб называют входными, а Iк — выходными характеристиками.

 

Рис. 27. Входная характеристика в схеме с общим эмиттером.

Рис.26.Входная характеристика в схеме с общей базой.

При снятии входной характеристики в схеме с общей базой для получения истинной зависимости вывод коллектора транзистора нужно оставить не подключенным. Это связано с тем, что миллиамперметр необходимо включать в цепь эмиттера, так как ток эмиттера почти равен току коллектора. При подключении к коллекторному выводу источника напряжения будет сформирован ток коллектора, значительно превышающий входной ток и миллиамперметр покажет именно его. При отключенном коллекторе снимаем вольтамперную характеристику базово-эмиттерного перехода и она имеет такой же вид, как и ВАХ перехода диода.

Существенное отличие ВАХ базово - эмиттерного перехода от ВАХ диода состоит в том, что из-за малой толщины слоя базы обратное напряжение перехода значительно ниже и составляет единицы вольт.

При снятии входной характеристики в схеме с общим эмиттером миллиамперметр нужно включать в цепь базы, и он будет показывать входной ток даже при подключении источника напряжения к выводу коллектора.

На полученных характеристиках видно одно из проявлений эффекта Эрли, состоящее в том, зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер изменяется в зависимости от напряжения на коллекторе. Увеличение напряжения на коллекторе приводит к уменьшению тока базы при сохранения неизменным напряжения база-эмиттер.

Другой важной статической характеристикой является зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-база (в схеме включения с общей базой) или от напряжения коллектор-эмиттер (в схеме с общим эмиттером). На рисунке 28 представлено семейство выходных характеристик в схеме включения с общей базой.

Особенностью данной характеристики является то, что при постоянном приращении тока эмиттера она становится регулярной, правая полуплоскость соответствует линейному режиму, загиб характеристик в правой части характеристик соответствует режиму пробоя (резкое возрастание тока коллектора при очень малом изменении напряжения коллектор-база).

Особенная точка характеристики Uкэ = 0, что соответствует соединению выводов коллектора и эмиттера. Левая полуплоскость соответствует режиму насыщения, так как напряжение коллектор-база становится отрицательным и смещает p-n в прямом направлении, т.е. в этом режиме и базово-эмиттерный и базово - коллекторный переходы смещены в прямом направлении, а ток коллектора определяется внешней цепью.

Рис. 28. Выходные характеристики при включении с общей базой.

Если выполняется условие Uкб=Uбэ источники питания взаимно компенсируются и Iб =Iэ =Iк = 0.

Проявление эффекта Эрли состоит в наклоне характеристик на линейном активном участке.

Наибольшее распространение в схемотехнике функциональных устройств получила основная схема включения с общим эмиттером и поэтому существенно знание основных характеристик для этого включения.

Следует напомнить основную особенность этого включения, общей точкой соединения источников питания является эмиттер. Поэтому входным током в этом случае является ток базы — Iб, а выходным — ток коллектора — Iк.

Указанные особенности приводят к изменению вида характеристик, что особенно заметно на выходных характеристиках — выходные характеристики располагаются только в положительной полуплоскости аргумента.

Рис. 29. Выходные характеристики в схеме включения с общим эмиттером.

На рис.29 показаны выходные характеристики в схеме включения с общим эмиттером. Все характеристики обычно разбивают на три области: 1 — режим насыщения, 2 — линейный усилительный режим, 3 — режим пробоя.

В линейной электронике наибольшее применение находит второй режим, для которого характерна зависимость . В этом выражении b — коэффициент передачи тока базы в цепь коллектора, — дифференциальное сопротивление коллектора. Причем третье слагаемое отображает влияние эффекта Эрли.

Каждая из характеристик получена при определенном значении тока базы Iб1 < Iб2 < Iб3 < Iб4. Если Iб(i+1) - Iбi = DIб — const, то семейство характеристик получается регулярным.

В режиме насыщения выполняется соотношение , т.е. нарушена линейная зависимость тока коллектора от тока базы, а величина тока коллектора определяется внешней цепью (сопротивлением в цепи коллектора транзистора).

Третья область характерна наступлением либо электрического пробоя переходящего в тепловой, либо теплового пробоя связанного с рассеиванием на коллекторе большой электрической мощности.

ВАХ дают полное описание транзистора, но использование их достаточно сложное, позтому на основе ВАХ вводят статические параметры биполярных транзисторов. К ним относятся: дифференциальное сопротивление базы — , коэффициент передачи базового тока в цепь коллектора — b, дифференциальное сопротивление коллектора — . Указанные параметры могут быть определены либо экспериментально, либо из статических характеристик.

Рассмотрим определение параметров по статическим характеристикам.

Для определения дифференциального сопротивления базы необходимо в рабочей точке к характеристике провести касательную, к которой линиями параллельными осям координат достроить прямоугольный треугольник. Катет параллельный оси тока дает приращение тока базы —dIб, а катет параллельный оси напряжения дает приращение напряжения база-эмиттер —dUбэ. Параметр — дифференциальное сопротивление базы определяется соотношением . Построения, связанные с определением показаны на рисунке 30.

Рис.30. Построения графика для определения .

Для нахождения остальных параметров необходимы выходные характеристики (смотри рис. 28).

Нахождение дифференциального сопротивления коллектора состоит в том, что в рабочей точке выходной ВАХ проводится касательная (на рисунке касательная совпадает с характеристикой) к которой достраивается прямоугольный треугольник с катетами dIк и dUкэ, и искомый параметр определяют по выражению .

Для нахождения основного параметра — коэффициента передачи базового тока в цепь коллектора — b необходимо выполнить следующее (см. рис. 31). Произвольно на втором участке ВАХ провести вертикальную линию — П. По точкам пересечения проведенной линии с двумя линиями ВАХ, построенных соответственно с токами базы Iб1 и Iб2, определить значения токов коллектора Iк1 и Iк2.

Параметр определиться соотношением b = dIк/dIб,

где dIк = Iк2 - Iк2, dIб = Iб2 - Iб1.

Рис.31. Определение параметров транзистора по выходным характеристикам.

Замечание. Обычно выходные характеристики строятся при выполнении условия dIб = Iб(i+1) - Iбi — постоянная величина. Поэтому семейство выходных характеристик является регулярным, а это дает возможность оценить влияние тока базы на коэффициент передачи базового тока. Эта зависимость получается если определить b для всех соседних значений тока базы, и на основе полученных данных построить зависимость b = f(Iб).

Для простейших расчетов усилительных каскадов на биполярных транзисторах во многих случаях достаточно знание рассмотренных параметров.

В электротехнике для описания характеристик (параметров) неизвестных электрических и электронных устройств широко используется метод четырехполюсника. Под четырехполюсником понимается электрическая схема или часть схемы, которая отображается прямоугольником и имеет четыре вывода, два входных и два выходных. На рис. 32 показано изображение четырехполюсника с вписанным в него транзистором.

Рис.32. Четырехполюсник.

Обозначим: u1, i1 — напряжение и ток на входе четырехполюсника; u2, i2 — напряжение и ток на выходе четырехполюсника.

Из указанных переменных две являются не зависимыми, а другие две -- функциями. Если в качестве независимых переменных выберем i1, u2, то четырехполюсник описывается уравнениями

 

u1 = A*i1 + B*u2

i2 = C*i1 + D*u2.

Коэффициенты A,B,C,D являются параметрами четырехполюсника и соответственно параметрами транзистора. В зависимости от того, в каких единицах измерения представлены параметры они получают общее название: если они измеряются в омах, то — Z - параметры, если в 1/ом, то — Y - параметры. Однако в полупроводниковой электронике повсеместно распространены h - параметры (гибридные). При использовании h - параметров уравнения четырехполюсника будут иметь вид

 

.

Рассмотрим, как могут быть определены параметры четырехполюсника, и каков их физический смысл.

При переходе от мгновенных значений к приращениям переменных будем иметь:

* , при u2 = 0, т.е. при коротком замыкании на выходе четырехполюсника, но с другой стороны при включении с общим эмиттером . Таким образом, параметр четырехполюсника h11 является дифференциальным сопротивлением базы.

* , при u2 = 0, но , следовательно, в схеме включения с общим эмиттером параметр h21 является коэффициентом передачи базового тока в цепь коллектора — b.

* , при i1 = 0, т.е. при холостом ходе на входе схемы. Но и, следовательно .

* , при i1=0 — характеризует степень влияния выходного напряжения на режим входной цепи, поэтому он называется коэффициентом обратной связи.

В справочниках по транзисторам в качестве параметров даются h - параметры. Помимо гибридных параметров среди справочных данных публикуют производный параметр , при Uкэ = const, который называют “крутизна” и который характеризует изменение тока коллектора при изменении напряжения база-эмиттер на единицу. Этот параметр можно выразить через другие параметры . Помимо этого показано .