Статические вольт-амперные характеристики транзистора

При использовании транзисторов в различных схемах практический интерес представляют 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.

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 от того, 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 с общей базой (рисунок 2.12). Выходные характеристики транзистора в схеме ОБ отражают зависимость тока коллектора I_к от напряжения на коллекторе относительно базы U_кб при фиксированном токе эмиттера I_э: I_к = F (U_кб) _Iэ=сопst (рисунок 2.13, а). Здесь, как и ранее, рассматривается транзистор типа р-п-р, поэтому напряжение U_кб отрицательное.

Рисунок 2.12 - Схема включения транзистора с общей базой

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

Для схемы ОБ характерно расположение начальной области I левее оси ординат. Это обусловлено тем, что напряжение на коллектор-

ном переходе транзистора в схеме ОБ определяется суммой внутренней разности потенциалов φ₀ и внешнего напряжения U_кб. При U_кб = 0 и заданном токе эмиттера дырки перебрасываются в коллектор из базы под действием внутренней разности потенциалов φ₀; при U_кб = 0 ток I_к ≠ 0. Чтобы уменьшить ток I_к, нужно создать встречный поток дырок через переход, т. е. перевести коллекторный переход путем изменения полярности напряжения U_кб в режим инжекции носителей заряда (в режим эмиттера).

При подаче некоторого напряжения положительной полярности U_кб (на рисунке 2.13, а откладывается влево от точки "0") потоки дырок через коллекторный переход будут взаимно скомпенсированы и ток I_э = 0. Естественно, что для компенсации большего значения тока I_э требуется подать напряжение U_кб большей величины. Этим объясняется смещение влево начальных участков характеристик при большем токе I_э.

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

Некоторое увеличение тока I_к обусловливается увеличением коэффициента передачи тока α транзистора вследствие возникающего эффекта модуляции толщины базового слоя (эффекта модуляции базы), а также роста тока I_к0 = F (U_кб).

Рисунок 2.13 - Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ; иллюстрация эффекта модуляции базы в транзисторе и зависимость коэффициента передачи тока α от тока эмиттера I_э

Эффект модуляции базы связан с расширением коллекторного перехода l_k за счет увеличения объемного заряда в нем (см. формулу 1.2), вызванного повышением напряжения U_кб (рисунок 2.13, б). Поскольку расширение перехода происходит главным образом за счет базового слоя, как более высокоомного, повышение напряжения U_кб приводит к уменьшению толщины базового слоя l_б, а следовательно, к уменьшению числа актов рекомбинаций дырок с электронами в ней, увеличению коэффициента α и тока I_к.

Эффект модуляции базы иллюстрируется рисунке 2.13, б, на котором обозначения с индексом 1 относятся к напряжению U_кб1, а с индексом 2 - к напряжению U_кб2 (U_кб2 > U_кб1).

Постоянство задаваемого тока I_э при снятии коллекторных характеристик обусловливает постоянство градиента концентрации дырок dp/dx на границе перехода n ₁ с базой. В связи с этим кривые распределения концентраций в базе p_п2(x) и p_п1(x) идут параллельно друг другу. Из рисунка 2.13, б следует, что начальные уровни концентраций дырок на границе эмиттерного перехода с базой получаются неодинаковыми, в частности, p_п1(0) > p_п2(0). Это может быть, как следует из выражения (2.1), только в случае уменьшения напряжения на переходе n ₁. Таким образом, изменение тока I_к с изменением напряжения U_кб при I_э = 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 I_э, а напряжение U_эб, определяющее напряжение на эмиттерном переходе, то при подаче напряжения U_кб2 > U_кб1 концентрация дырок не изменится (p_п2(0) = p_п1(0)), и кривая p_п2(х) примет вид, показанный на рисунке 2.13, б пунктирной линией. Больший наклон пунктирной кривой отражает увеличение эмиттерного тока I_э2 по сравнению с I_э1, 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 I_к на выходных характеристиках при повышении напряжения U_кб вследствие увеличения коэффициента α за счет эффекта модуляции базы (см. рисунок 2.13, а) характеризуется дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода

которое может быть найдено из коллекторных характеристик как отношение приращений напряжения и тока. Для маломощных транзисторов величина r_к(б) составляет 0,5…1 МОм.

При I_э = 0 зависимость I_к = F (U_кб) представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики коллекторного р-п -перехода. Обратный ток коллекторного перехода определяет составляющую I_к0 в коллекторном токе транзистора.

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

Iк = Iλ+ Uкб/ rк(б) + Iк0

(2.5)

и тем самым уточнить соотношение (2.4), полученное без учета эффекта модуляции базы.

Наличие составляющей I_к0 в выражении (2.5) является одной из главных причин температурной зависимости выходных (коллекторных) характеристик транзистора. Влияние температуры приводит к изменению тока I_к0 и смещению характеристик вверх при повышении температуры (пунктирные кривые на рисунке 2.13, 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 I_э. При этом равным приращениям тока I_э соответствуют примерно равные приращения тока I_к (см. рисунок 2.13, а). В большом диапазоне изменения эмиттерного тока характеристики нельзя считать эквидистантными в силу их более густого расположения при малых и больших токах I_э и более редкого — при промежуточных значениях. Причиной этого является зависимость коэффициента α от тока эмиттера в виде кривой с максимумом при некотором токе I_э (см. рисунок 2.13, 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 I_э. После достижения максимума последующее уменьшение коэффициента передачи тока α обусловливается уменьшением коэффициента инжекции γ с ростом тока I_э. 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 рисунке 2.13, а), который может перейти в тепловой пробой. Величина допустимого напряжения U_кб указывается в справочниках.

Входные характеристики транзистора в схеме ОБ (рисунок 2.14) представляют собой зависимость I_э= F (U_эб) при U_кб= const и по виду близки к прямой ветви вольт-амперной характеристик р-п -

Рисунок 2.14 - Входные характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой

перехода (диода).

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

Схема с общим эмиттером (рисунок 2.15). В схеме ОЭ вывод эмиттера является общим для входной и выходной цепей транзистора. Напряжения питания U_бэ, U_кэ подаются соответственно между базой и эмиттером, а также между коллектором и эмиттером транзистора. Без учета падения напряжения в базовом слое напряжение U_бэ определяет напряжение на эмиттерном переходе.

Рисунок 2.15 - Схема включения транзистора с общим эмиттером

Напряжение на коллекторном переходе находят как разность U_кэ - U_бэ. Выходные характеристики транзистора в схеме ОЭ определяют зависимость коллекторного тока I_к=F(U_кэ) при
I_б = const (рисунок 2.16, а). Как и для схемы ОБ, здесь можно выделить три характерные области: I - начальная область, II - относительно слабая зависимость I_к от U_кэ, III - пробой коллекторного перехода.

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 U_кэ = 0 напряжение на коллекторном переходе равно U_бэ, коллекторный переход открыт и инжектирует дырки в базу. Потоки дырок через коллекторный переход (от коллектора в базу и от эмиттера в коллектор) взаимно уравновешиваются и ток I_к ≈ 0. По мере повышения напряжения U_кэ в области I прямое напряжение на коллекторном переходе снижается, его инжекция уменьшается, и ток I_к 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 U_кэ порядка 0,5…1,5 В.

Отличие характеристик для схемы ОЭ в области II покажем, выразив в (2.5) ток I_э через I_б и ток I_к в соответствии с формулой (2.3).

После замены U_кб на U_кэ получаем коллекторные характеристики транзистора в схеме ОЭ, записанные в аналитической форме:

,

(2.6)

где β = I_к / I_б = α/(1 - α) - коэффициент передачи тока в схеме ОЭ.

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

Выражение (2.6) можно переписать в виде:

,

(2.7)

где r_к(э)= r_к(б) /(1 + β), I_к0(э)= (1 + β) I_к0.

Рисунок 2.16 - Выходные и входные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ

Так же как и в схеме ОБ, коллекторные характеристики имеют некоторый наклон к оси абсцисс (см. рисунок 2.16, а), вызванный эффектом модуляции базы. Однако этот наклон в схеме ОЭ больше, 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 (2.7). Дифференциальное сопротивление r_к(э) коллекторного перехода в схеме ОЭ в 1 + β раз меньше дифференциального сопротивления r_к(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. рисунок 2.15): обратный ток коллекторного перехода I_к0 и часть тока эмиттера
(1 - α) I_э. В связи с этим нулевое значение тока базы (I_б = 0) определяется равенством указанных составляющих токов, т. е. (1 – α) I_э = I_к0. Нулевому входному току соответствуют ток эмиттера I_э= I_к0 /(1 - α) = (1 + β) I_к0 и ток коллектора I_к = α I_э + I_к0 = α I_к0 /(1 – α) + I_к0 = (1 + β) I_к0. Иными словами, при нулевом токе базы через транзистор в схеме ОЭ протекает ток, называемый начальным или сквозным током I_к0(э) и равный (1 + β) I_к0. Этим обусловливается наличие третьей составляющей тока I_к в выражениях (2.6) и (2.7). 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 U_бэ ≥ 0, то ток коллектора снизится до I_к0 (см. рисунок 2.16, а) и будет определяться обратным (тепловым) током коллекторного перехода, протекающим по цепи база - коллектор. Область характеристик, лежащую ниже характеристики, соответствующей I_б = 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 I_к0 в формуле (2.6) и, во-вторых, более сильными температурными изменениями коэффициента β 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 I_э (I_к). Кроме того, 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: I_б = F (U_бэ) _{Uкэ = const} (рисунок 2.16, б).

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

В токе I_б присутствует составляющая I_к0. Поэтому при U_кэ < 0 входные характеристики исходят из точки с отрицательным значением тока базы, равным I_к0.