Статичні характеристики біполярних транзисторів

Звичайно аналізують вхідні і вихідні характеристики БТ в схемах із загальною базою і загальним емітером. Для визначеності і спадкоємності викладу розглядатимемо p-n-p-транзистор.

 

Схема із загальною базою

 

Сімейство вхідних характеристик схеми з Про є залежністю IЭ = f(UЭБ) при фіксованих значеннях параметра UКБ - напруги на колекторному переході (рисунок 3.5,а).

а)	б)
Рисунок 3.5 Вхідні (а) і вихідні (б) характеристики БТ в схемі включення з Про

 

При UКБ = 0 характеристика подібна ВАХ p-n-переходу. Із зростанням зворотної напруги UКБ (UКБ < 0 для p-n-p-транзистора) унаслідок зменшення ширини базової області (ефект Эрли) відбувається зсув характеристики вгору: IЭ росте при вибраному значенні UЭБ. Якщо підтримується постійним струм емітера (IЭ = const), тобто градієнт концентрації дірок в базовій області залишається тим самим, то необхідно знизити напругу UЭБ (характеристика зрушується вліво). Слід відмітити, що при UКБ < 0 і UЭБ = 0 існує невеликий струм емітера I_Э0, який стає рівним нулю тільки при деякій зворотній напрузі U_ЭБ0.

Сімейство вихідних характеристик схеми з Про є залежності IК = f(UКБ) при заданих значеннях параметра IЭ (рисунок 3.5,б).

Вихідна характеристика p-n-p-транзистора при IЭ = 0 і зворотній напрузі |UКБ < 0| подібна зворотній гілці p-n-переходу (діода). При цьому відповідно до (3.11) IК = IКБО, тобто характеристика є зворотним струмом колекторного переходу, протікаючий в ланцюзі колектор - база.

При IЭ > 0 основна частина инжектированных в базу носіїв (дірок в p-n-p транзисторі) доходить до межі колекторного переходу і створює колекторний струм при UКБ = 0 в результаті прискорюючого дії контактної різниці потенціалів. Струм можна зменшити до нуля шляхом подачі на колекторний перехід прямої напруги певної величини. Цей випадок відповідає режиму насичення, коли існують стрічні потоки инжектированных дірок з емітера в базу і з колектора в базу. Результуючий струм стане рівний нулю, коли обидва струми однакові по величині (наприклад, крапка А' на рисунок 3.5,б). Чим більший заданий струм IЭ, тим більша пряма напруга UКБ потрібна для отримання IК = 0.

Область в першому квадранті на рис. 3.5,б, де UКБ < 0 (зворотне) і параметр IЭ > 0 (що означає пряму напругу UЭБ) відповідає нормальному активному режиму (НАР). Значення колекторного струму в НАР визначається формулою (3.11) IК = aIЭ + IКБО. Вихідні характеристики зміщуються вгору при збільшенні параметра IЭ. У транзисторі, що ідеалізується, не враховується ефект Эрли, тому інтегральний коефіцієнт передачі струму можна вважати постійним, не залежним від значення |UКБ|. Отже, в тому, що ідеалізується БТ вихідні характеристики опиняються горизонтальними (IК = const). Реально ж ефект Эрли при зростанні |UКБ| приводить до зменшення втрат на рекомбінацію і зростанню. Оскільки значення a близько до одиниці, те відносне збільшення а дуже мало і може бути виявлено тільки вимірюваннями. Тому відхилення вихідних характеристик від горизонтальних ліній вгору “на око” не помітно (на рисунку 3.5,б не дотриманий масштаб).

 

Схема із загальним емітером

 

Сімейство вхідних характеристик схеми з ОЭ є залежності IБ = f(UБЭ), причому параметром є напруга UКЭ (рисунок 3.6,а). Для p-n-p транзистора негативна напруга UБЭ (UБЭ < 0) означає

а)	б)
Рисунок 3.6 Рисунок 3.5 Вхідні (а) і вихідні (б) характеристики БТ в схемі включення з ОЭ

 

пряме включення емітерного переходу, оскільки UЭБ = -UБЭ > 0. Якщо при цьому UКЭ = 0 (потенціали колектора і емітера однакові), то і колекторний перехід буде включений в прямому напрямі: UКБ = UКЭ + UЭБ = UЭБ > 0. Тому вхідна характеристика при UКЭ = 0 відповідатиме режиму насичення (РН), а струм бази рівним сумі базових струмів із-за одночасної інжекції дірок з емітера і колектора. Цей струм, природно, збільшується із зростанням прямої напруги UЭБ, оскільки воно приводить до посилення інжекції в обох переходах (UКБ = UЭБ) і відповідному зростанню втрат на рекомбінацію, що визначають базовий струм.

Друга характеристика на рисунку 3.6,а (UКЭ á0) відноситься до нормального активного режиму, для отримання якого напруга UКЭ повинна бути в p-n-p транзисторі негативним і по модулю перевищувати напругу UЭБ. В цьому випадку (UКБ = UКЭ + UЭБ = UКЭ - UБЭ < 0. Формально хід вхідної характеристики в НАР можна пояснити за допомогою виразу (3.14) або (3.17): IБ =(1 - a)IЭ - IКБО. При малій напрузі UБЭ інжекція носіїв практично відсутній (IЭ = 0) і струм IБ = -IКБО, тобто негативний. Збільшення прямої напруги на емітерному переході UЭБ = -UБЭ викликає зростання IЭ і величини (1 -) IЭ. Коли (1 - a) IЭ = IКБО, струм IБ = 0. При подальшому риєте UБЭ (1 - a) IЭ > IКБО і IБ міняє напрям і стає позитивним (IБ > 0) і сильно залежним від напруги переходу.

Вплив UКЭ на IБ в НАР можна пояснити тим, що зростання |U_КЭ| означає зростання |UКБ| і, отже, зменшення ширини базової області (ефект Эрли). Останнє супроводжуватиметься зниженням втрат на рекомбінацію, тобто зменшенням струму бази (зсув характеристики трохи вниз).

Сімейство вихідних характеристик схеми з ОЭ є залежності IК = f(UКЭ) при заданому параметрі IБ (рисунок 3.6,б).

Круті початкові ділянки характеристик відносяться до режиму насичення, а ділянки з малим нахилом - до нормального активного режиму. Перехід від першого режиму до другого, як вже наголошувалося, відбувається при значеннях |UК_Э|, що перевищують |UБ_Э|. На характеристиках як параметр береться не напруга UБЭ_, а вхідний струм IБ. Тому про включення емітерного переходу доводиться судити по значенню струму IБ, який пов'язаний з вхідною характеристикою на рисунку 3.6,а. Для збільшення IБ необхідно збільшувати |UБ_Э|, отже, і межа між режимом насичення і нормальним активним режимом повинна зрушуватися у бік великих значень.

Якщо параметр IБ = 0 (“обрив” бази), то відповідно до (3.22) IК = IКЭО = (b + 1) IКБО. У схемі з ОЭ можна одержати (як і в схемі з Про) I = IКБО, якщо задати негативний струм IБ = -IКБО. Вихідна характеристика з параметром IБ = -IКБО може бути прийнята за межу між НАР і режимом відсічення (РО). Проте часто за цю межу умовно приймають характеристику з параметром IБ = 0.

Нахил вихідних характеристик в нормальному активному режимі в схемі із загальним емітером у багато разів більше, ніж в схемі із загальною базою (h2_2Э »hb2_2Б) Пояснюється це різним проявом ефекту Эрли. У схемі із загальним емітером збільшення UКЭ, а отже і UКБ супроводжується зменшенням струму бази, а він за визначенням вихідної характеристики повинен бути незмінним. Для відновлення струму бази доводиться регулюванням напруги UБЭ збільшувати струм емітера, а це викликає приріст струму колектора IКD, тобто збільшення вихідної провідності (у схемі з Об струм IЭ _при знятті вихідної характеристики підтримується незмінним).