Статические характеристики транзистора

Статические характеристики представляют собой графики экспериментально полученных зависимостей между токами, протекающими в транзисторе, и напряжениями на его p-n переходах при .

Как уже говорилось, зависимость постоянных токов, протекающих в транзисторе, от приложенных напряжений нелинейна, т.е. статические вольтамперные характеристики нелинейны.

Как следует из 3.3, входные и выходные токи и напряжения различны для различных схем включения транзистора. Каждая из схем включения может быть охарактеризована четырьмя семействами статических характеристик. Практически обычно пользуются входными и выходными характеристиками для схем с ОБ и ОЭ.

Рассмотрим статические характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ, для которой входной цепью является цепь эмиттера, т.е. , а выходной цепью - цепь коллектора, т.е. .

Входная характеристика описывается соотношением:

В этом случае они имеют вид, показанный на рис.3.6. Вид характеристики, снятой при , соответствует прямой ветви вольтамперной характеристики одиночного p-n перехода.

При входные характеристики сдвигаются влево относительно начала координат. Это объясняется тем, что если на КП подано обратное напряжение, то между эмиттерным и коллекторным переходами возникает обратная связь по напряжению, т.е. изменения обратного напряжения на КП приводят к изменению прямого напряжения на ЭП, и напряжение, фактически приложенное к ЭП, () не равно напряжению, подаваемому от эмиттерной батареи (). Элементом связи, т.е. элементом, который является общим для цепи Э-Б и цепи К-Б, служит объемное сопротивление базы , по которому протекает ток базы. Протекая по объемному сопротивлению базы, базовый ток создает падение напряжения и напряжение, фактически приложенное к эмиттерному переходу, оказывается меньше, чем напряжение эмиттерной батареи на величину , т.е.

.

Если на КП подается обратное напряжение, то он расширяется, причем преимущественно в сторону базы (т.к. концентрация примесей в базе мала), и ширина базы W уменьшается. Уменьшение W вызывает уменьшение процесса рекомбинации неосновных носителей в толще базы, т.е. уменьшение рекомбинационной составляющей тока базы и - возрастает.

Таким образом, изменение обратного напряжения коллекторного перехода влечет за собой изменение , а значит изменение тока эмиттера. В результате характеристики, снятые при , идут левее, и диффузионная составляющая тока через ЭП протекает даже при . в том случае, если на ЭП подано обратное напряжение , т.е., если фактическое напряжение на переходе .

Следует отметить, что влияние увеличения обратного коллекторного напряжения вызывает существенное смещение входных характеристик только при небольших значениях . При характеристики практически сливаются, т.к. расширение коллекторного перехода приводит не только к уменьшению тока базы, но и к увеличению сопротивления базы.

Рассмотрим ход статических выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОБ, ход которых показан на рис.3.7.

Вид характеристики, снятой при , соответствует обратной ветви вольтамперной характеристики одиночного p-n перехода. В этом случае , где - нулевой коллекторный ток.

Если , то значения тока коллектора увеличиваются за счет носителей заряда, инжектированных из эмиттера в базу. В этом случае коллекторный ток протекает и при . Для того, чтобы уменьшить значение коллекторного тока до нуля, необходимо подать на коллекторный переход прямое напряжение, при этом потенциальный барьер перехода снизится, и навстречу потоку неосновных носителей заряда потечет поток основных носителей заряда; при равенстве этих потоков коллекторный ток равен нулю.

При увеличении обратного напряжения на коллекторе характеристики, снятые при , имеют небольшой подъем, т.е. ток коллектора возрастает при увеличении напряжения на коллекторе. Это объясняется тем, что с увеличением обратного коллекторного напряжения растет ширина коллекторного перехода (в основном в сторону базы), уменьшается рекомбинация неосновных носителей в толще базы, уменьшается рекомбинационная составляющая тока базы, и ток коллектора при несколько растет. Характеристики, снятые через равные интервалы изменения тока эмиттера, располагаются неравномерно: чем больше значения эмиттерного тока, тем ближе друг к другу располагаются характеристики. Это объясняется тем, что возрастание эмиттерного тока приводит к увеличению рекомбинации, а значит к уменьшению коллекторного тока.

При больших значениях коллекторного напряжения возрастает за счет лавинного умножения носителей заряда в коллекторном переходе.

Большую роль в работе транзистора играет обратный неуправляемый ток коллекторного перехода , который является частью коллекторного тока при любом значении тока эмиттера. Т.к. представляет собой ток неосновных носителей заряда, число которых непосредственно зависит от температуры, то его существование предопределяет температурную нестабильность работы транзистора.

Рассмотрим ход статических входных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОЭ . В этом случае они имеют вид, показанный на рис. 3.8.

Рассмотрим ход характеристики, снятой при . Если на коллекторную p- область подан нулевой, а на базовую n -область - отрицательный потенциал (т.е. ), то коллекторный переход находится под прямым напряжением, и через него протекает диффузионная составляющая тока (ток основных носителей заряда), которая замыкается через базу.

Через эмиттерный переход, на который от батареи подается прямое напряжение, также протекает диффузионная составляющая тока, причем, т.к. подача для схемы с ОЭ означает короткое замыкание между коллектором и эмиттером, ток эмиттера тоже замыкается через базу. При изменении - каждый из этих токов изменяется в соответствии с ходом прямой ветви вольтамперной характеристики p-n перехода. В базовом выводе эмиттерный и коллекторные токи протекают в одном направлении, т.е. и входная характеристика, снятая при , представляет собой прямую ветвь в/а характеристики двух параллельно включенных p-n переходов.

Если входная характеристика снимается при каком-то значении обратного коллекторного напряжения , то коллекторный переход подается обратное напряжение. В этом случае ток коллектора меняет свое направление, ток эмиттера замыкается через цепь коллектора, и ток базы является суммой двух противоположно направленных составляющих, рекомбинационной и тока .

При рекомбинационная составляющая тока базы и в цепи базы протекает только ток . После того, как на эмиттерный переход подано прямое напряжение , появляются эмиттерный ток и рекомбинационная составляющая тока базы по величине меньшая, чем ток . В цепи базы протекает разностный ток . При увеличении рекомбинационная составляющая растет, разностный ток уменьшается, и при ток базы равен нулю. При дальнейшем увеличении ток базы меняет свое направление, и в цепи базы протекает разностный ток уменьшается и при .

При увеличении обратного напряжения коллекторного перехода входные характеристики сдвигаются от начала координат вправо и вниз.

Сдвиг характеристик вниз объясняется тем, что значения растут при увеличении обратного напряжения коллекторного перехода т.к. расширение перехода в сторону базы уменьшает рекомбинацию, в результате чего, увеличивается коэффициент передачи эмиттерного тока , и значения растут.

Сдвиг характеристик вправо объясняется тем, что уменьшение рекомбинационной составляющей тока, базы и равенство достигается при больших значениях .

Обычно в справочниках приводятся семейства входных характеристик, снятых при , причем область отрицательных значений тока базы часто не изображаются.

Рассмотрим статические выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ

ход которых показан на рис.3.9.

Характеристика, снятая при представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики коллекторного перехода, снятую при открытом эмиттерном переходе для случая, когда .

Характеристика, снятая при . соответствует точкам характеристики, снятой при . Ее ход практически определяет границу области отсечки. Область между областью отсечки и активной областью; в ней значения тока коллектора меняются от I_ко до I`_ко. Характеристики, снятые при I_б > 0, не проходят через начало координат, т.к. для того, чтобы при U_кэ =0 получить данное значение I_б = const надо подать на базу какое-то отрицательное напряжение U_бэ. В этом случае , коллекторный переход открывается и через него проходит некоторый отрицательный ток, являющийся разностью I_диф - I_пров. Т.к. этот ток очень мал, то практически считают выходные характеристики для схемы с ОЭ выходящими из нуля.

Если на коллекторный переход подается обратное напряжение по величине меньшее, чем напряжение U_бэ, то коллекторный переход продолжает оставаться открытым и навстречу потоку неосновных носителей заряда движется поток основных носителей заряда (диффузионная составляющая тока), который уменьшается при увеличении обратного напряжения U_кэ (т.е. при уменьшении прямого падения напряжения на КП). В результате ток через коллекторный переход (I_диф - I_пров.) растет. При каком-то значении U_кэ осуществляется равенство:

,

после чего при увеличении U_кэ на коллекторный переход фактически подается обратное напряжение и через него проходит только поток неосновных носителей заряда, величина которого в основном зависит от U_бэ.

Возрастание тока коллектора при дальнейшем увеличении обратного напряжения U_кэ объясняется тем, что при расширении коллекторного перехода уменьшается рекомбинация в базе, в результате чего уменьшается ток базы. Уменьшение тока базы увеличивает значения тока коллектора, т.к. I_к = I_э + I_б и, кроме того, для поддержания I_б=const необходимо увеличивать U_бэ, что приводит к росту тока эмиттера, а значит и тока коллектора.

Увеличение обратного напряжения на коллекторном переходе приводит в конце концов к резкому увеличению тока коллектора - пробою КП.

Так же, как и для схемы с ОБ, семейства входных и выходных характеристик, снятые для схемы с ОЭ, являются основными. Характеристики обратной связи по напряжению и прямой передачи по току могут быть графически построены по семейству входных или семейству выходных характеристик соответственно.

Статические характеристики транзистора включенного по схеме с ОК незначительно отличаются от характеристик для схемы с ОЭ, что позволяет производить расчет рабочих режимов для схемы с ОК по характеристикам для схемы с ОЭ.

Кроме того, характеристики, снятые для схемы с ОЭ, позволяют более точно получить путем пересчета значения всех токов и напряжений, т.к. они дают точные значения I_б и U_бэ, тогда как для схем с ОБ и ОК эти маленькие величины пришлось бы определять как разность больших величин, причем неизбежно вносилась бы большая погрешность.

Таким образом, характеристики для схемы с ОЭ дают более точные данные о работе транзистора.

В силу этих причин семейства характеристик, снятые для схемы с ОЭ, считаются основными и наиболее часто приводятся в справочниках.