Идеализированные статические характеристики

Уравнения идеализированных характе­ристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, можно получить на основании выражений (4.18) и (4.20), если сделать за­мену переменных: и .

Тогда получаем:

(4.24)

и

. (4.25)

В уравнение (4.25) подставим . После приведенных подобных членов и деления на будем иметь:

(4.26)

Обозначим

(4.27)

и

.

С учетом этого уравнение (4.26) запишем в виде

(4.28)

Входящий в (4.28) коэффициент получил название коэффициента передачи базового тока. Как следует из (4.27), , если близко к единице (значение обычно лежит в пределах 10¸300). Ток является током в цепи коллектор-эмиттер при нулевом базовом токе.

Его величина в раз больше тока .

Уравнение (4.24) описывает семейство входных, а уравнение (4.28) - семейство выходных характеристик транзистора. Следует иметь в виду, что в эти уравнения напряжения и входят со своим знаком. Поэтому, например, активному режиму работы p-n-p транзистора будет соответствовать и . Семейство идеализированных характеристик транзистора показано на рис.4.13.

Входные характеристики в схеме с ОЭ по сравнению с аналогич­ными характеристиками в схеме с ОБ имеют ряд особенностей. Во-пер­вых, кривая при представляет собой вольтам­перную характеристику двух включенных параллельно p-n перехо­дов (эмиттерного и коллекторного), находящихся под напряжением . При этом ток представляет сумму токов этих переходов (см.4.24) и может достигать достаточно больших значений, если . При обратном напряжении и условии коллекторный переход закрывается, и ток базы резко уменьшается. Во-вторых, увеличение обратного напряжения смещает харак­теристики вправо и вниз. Ток базы обращается в нуль при таком прямом напряжении (рис.4.13,а), при котором наступает компенсация

обеих составляющих базового тока, входящих в (4.24), т.е. если

.

В-третьих, при обратном напряжении и постоянном коллекторном напряжении переход база-эмиттер закрывается и в ба­зовой цепи протекает ток . Так как , то .

Основная особенность выходного семейства (уравнение 4.28) заклю­чается в том, что участки характеристик, соответствующие режиму насыщения, располагаются в первом квадранте (а не во втором, как это было в схеме с ОБ на рис.4.10,б). Это легко понять, если учесть, что напряжение на переходе коллектор-база складывается из двух напряжений: . Поэтому при прямом напряжении и изменении обратного напряжения будет из­меняться не только величина напряжения , а и его знак. Действительно, если , напряжение становится прямым и транзистор работает в режиме насыщения. Другая особенность состоит, в том, что кривая соответствующая нулевому ба­зовому тику, не является границей режима отсечки в схеме с 0Э, так как в этом случае, эмиттерный переход открыт. Границей режима от­сечки является кривая , построенная для (эмиттерный переход закрыт).

Реальные статические характеристи­ки.

На рис.4.14 приведены реальные статические характеристики транзистора, включенного с ОЭ.

Их можно экспериментально снять с помощью схемы, показанной на рис.1.2. Относительно входных характеристик можно сделать сле­дующие замечания. В реальных транзисторах при постоянном напряже­нии изменение тока базы, вызванное изменением коллекторного напряжения, происходит по двум причинам. Во-первых, увеличение обратного напряжения на коллекторе приводит к дополнительному увеличению прямого напряжения на эмиттерном переходе. За счет это­го ток базы возрастает. Во-вторых, с увеличением обратного напря­жения уменьшается ширина базы и, как следствие этого, умень­шается ток базы. Преобладающим является влияние второго фактора, и поэтому с ростом кривые входного семейства сдвигаются вправо и вниз.

Из сравнения рис.4.13 и 4.14 видно резкое отличие реальных выходных характеристик от идеальных. А именно: реальные характе­ристики в активном режиме имеют значительный наклон, т.е. проявля­ется существенное влияние коллекторного напряжения на ток . Причем это влияние гораздо более сильное, чем в схеме с ОБ. Физи­ческая сторона этого заключается в следующем. С увеличением отри­цательного напряжения ширина базы уменьшается, что приводит к росту тока коллектора и уменьшению тока базы. Но поскольку ток базы должен оставаться постоянным, необходимо для этого увели­чить напряжение на эмиттерном переходе величины, при которой ток базы примет прежнее зна­чение. Но с увеличением напряжения возрастает ток , что и ве­дет к дополнительному росту тока кол­лектора. Наклон характеристик оказы­вается достаточно большим.

Учет влияния эффекта модуляции ширины базы в схеме с ОЭ для активно­го режима работы транзистора может быть сделан на основе выражения (4.23). Из него легко получается

(4.29)

где

(4.30)

дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме с 0Э. Это сопротивление, как видно из (4.30), значительно меньше дифференциального сопротивления коллекторного перехода в схеме с ОБ.

Кроме того, кривые выходного семейства значительно сгущаются при больших токах базы. Это связано с тем, что с ростом тока коэффициент передачи начинает несколько уменьшаться (рис.4.12) Последнее вызывает резкое уменьшение коэффициента передачи базо­вого тока (рис.4.16).

Дальнейшее, увеличение обратного напряжения на коллекторе так же, как и в схеме с ОБ, приводит к резкому увеличению тока , т.е. к пробою. Рассмотрим работу транзистора в схеме с ОЭ при отключен­ной базе (рис.4.17). В первый момент после подключения обратного напряжения ток в цепи равен обратному току отдельно взя­того коллекторного перехода . Он образован током дырок из базы в коллектор и током электронов из коллектора в базу, Уход из базы дырок и приток в нее электронов приводят к образованию отри­цательного заряда в базе. Вследствие этого потенциальный барьер эмиттерного перехода снижается и из эмиттера в базу входят дырки. Большая их часть прохо­дит через базу к коллектору, а дру­гая, меньшая, составляющая часть тока эмиттера, участвует в компенсации отрицательного заряда в базе. Из условия электронейт­ральности вытекает, что ток, обра­зующий заряд, должен быть равен току, его компенсирующему, т.е.

.

Поскольку постоянный ток в после­довательной цепи всюду одинаков, то

. (4.31)

Отсюда видно, что небольшое уве­личение тока , например за счет лавинного умножения, приво­дит к значительному увеличению тока , а следовательно, к увеличению тока . Вследст­вие этого напряжение пробоя транзистора в схе­ме с ОЭ оказывается меньше, чем .

Напряжение можно оценить, если в 14.31) учесть лавин­ное размножение носителей в коллекторном переходе и записать

. (4.32)

Тогда из условия пробоя следует, что учетом выражения , получаем

(напомним, что ) Экспериментальные измерения показывают, что для транзисторов .

В схеме с ОЭ в цепь базы в большинстве случаев включается резистор с сопротивлением . При работе транзистора в режиме отсечки в предпробойном состояния через него протекает ток , который создает на этом сопротивлении падение напряжения . За счёт этого эмиттерный переход получает допол­нительное прямое смещение и коллекторный ток возрастает. Напряжение пробоя становится меньше, чем . Его обозначают симво­лом . На рис.4.18 показан характер зависимости от напряжения в цепи базы.

В схеме с ОЭ наблюдает­ся еще специфический пробой, вызванный так называемым эффектом смыкания переходов: при достаточно большом об­ратном напряжении кол­лекторный переход, расширя­ясь, занимает всю базовую область. Ширина базы делает­ся равной нулю, а коэффициент перехода . Так же коэффициент передачи резко возрастает, а практически имеет место пробой транзистора.