Отличия статических характеристик транзисторов в схеме с ОБ от статических характеристик транзисторов в схеме с ОЭ

1. Характеристики в активной области идут с большим наклоном, чем в схеме с общей базой. Больший наклон объясняется тем, что при постоянном токе базы и напряжении на коллекторе происходит увеличение тока эмиттера, а соответственно и тока коллектора.

2. Характеристики в активной области идут более неравномерно, чем в схеме с общей базой. Это связано с сильной зависимостью коэффициента усиления от тока базы.

> .

3. Характеристика передачи тока: = | .

'' > '.

По сравнению с ОБ эта характеристика имеет большую неравномерность. Эти характеристики более чувствительны к изменению коллекторного напряжения.

4. Характеристика обратной связи: = .

''' > '' > '.

3.4 Пробой в транзисторе

Пробой в транзисторе отличается от пробоя в обычном полупроводниковом приборе. Это объясняется следующим образом:

1. При увеличении меняется толщина базы. База может быть полностью поглощена коллекторным переходом – смыкание базы.

2. В коллекторном переходе могут происходить лавинные пробои, которые могут протекать по-разному.

3. В транзисторе возможен вторичный пробой, приводящий к резкому увеличению тока через транзистор при резком падении напряжения между коллектором и эмиттером.

1. Смыкание переходов.

При достаточно больших область объёмного заряда коллекторного перехода может достигнуть эмиттерного перехода. Происходит смыкание p-n-перехода. Потенциальный барьер уменьшается, возрастает ток эмиттера и ток коллектора.

Чем меньше толщина базы, тем вероятнее пробой. Чем больше, тем меньше напряжение пробоя. По этой причине транзисторы имеют малый коэффициент .

2. Лавинный пробой коллекторного перехода.

Протекание этого пробоя зависит от сопротивления в цепи базы.

Если ток в цепи базы неограничен, например, как в схеме с ОБ, то в таком случае пробой протекает так же, как в обычном диоде.

Если ток в цепи базы ограничен, как в цепи с ОЭ, то образующиеся за счёт лавинного пробоя (размножения) носители заряда будут попадать в область базы. Основные носители (для базы) будут уходить в область базы, неосновные – в область коллектора.

В области базы происходит избыточное накопление основных носителей заряда. Т. к. R большое, то это изменение основных носителей не может быть скомпенсировано через входной источник . В результате потенциал базы будет увеличиваться. А увеличение потенциала базы приводит к дальнейшему открыванию эмиттерного перехода. Происходит увеличение тока эмиттера и тока коллектора. Через транзистор протечёт большой неуправляемый ток. Вероятность такого пробоя будет тем выше, чем выше сопротивление базы R.

! Впаивают вначале и выпаивают в последнюю очередь вывод базы.

0 < < .

3. Вторичный пробой.

Под вторичным пробоем понимают внезапный переход транзистора в состояние с большим прямым током и малым падением напряжения. При вторичном пробое ток локализуется в небольшой области. Возникает шнур проводимости. Возникновение такого шнура связано с наличием дефектов транзистора. Шнур приводит к следующим последствиям:

Происходит тепловая генерация носителей заряда в перегретом месте, что приводит к большой плотности тока, а соответственно к большому перегреву этой области. В результате зона объёмного заряда может полностью исчезнуть. Увеличение плотности тока может привести к уменьшению толщины p-n-перехода, → увеличению напряжённости электрического поля, → увеличению лавинного пробоя, → дальнейшему увеличению количества носителей заряда. Происходит резкое падение напряжения на переходе. Эта зависимость видна на выходных характеристиках КЭ:

Разогревается только локальная область, а не весь транзистор. Процесс происходит очень быстро. Эмиттерная область соединяется с коллекторной.

В транзисторе возможен и тепловой пробой за счёт перегрева структуры. В результате кристалл плавится.

3.5 Зависимость коэффициента усиления от режима работы транзистора

− коэффициент усиления в схеме с ОБ ( ≈ 1);

− коэффициент усиления в схеме с ОЭ.

Зависимость от напряжения на коллекторном переходе.

За счёт уменьшения тока базы происходит увеличение коэффициента . При приближении к зоне лавинного пробоя концентрация носителей заряда в базе увеличивается за счёт подтока их из коллекторного перехода. В результате ток базы может уменьшаться вплоть до нуля. Коэффициент в области, близкой к лавинному пробою коллекторного перехода, будет стремиться к бесконечности.

В зоне лавинного пробоя может произойти явление инверсии тока базы. Т. е. ток из базовой цепи поменяет своё направление.

Зависимость от тока эмиттера:

В области малых токов наиболее заметно явление рекомбинации носителей заряда при прямом включении. По мере увеличения тока эмиттера роль рекомбинации в p-n-переходе снижается. За счёт этого увеличивается коэффициент . Кроме того, при увеличении тока через эмиттерный переход увеличивается концентрация в базе неосновных носителей заряда. Возникает дополнительное поле, облегчающее переход носителей из эмиттера в коллектор.

3.6 Малосигнальные параметры транзисторов (система “h-параметров”)

В большинстве случаев транзистор работает в схемах, в которых на большом постоянном напряжении наложены небольшие переменные напряжения. Переменные составляющие малы по сравнению с постоянными составляющими. Транзистор можно рассматривать как линейный четырёхполюсник, имеющий входные и выходные цепи.

За положительное направление тока принимают направление втекающего тока. Можно составить системы из двух уравнений.

Система “z-параметров”:

(3.5)

В качестве параметров рассматривают z, имеющие размерность сопротивления.

(3.6)

В качестве параметров рассматривают y, имеющие размерность проводимости.

“z-параметры”:

Режим холостого хода (ХХ) тяжело “организовать” для выходной цепи, и легко – для входной.

“y-параметры”:

Чтобы найти эти параметры, необходимо обеспечить режим короткого замыкания (КЗ). В соответствующую цепь нужно зашунтировать сопротивление. Сделать это тяжело для входной цепи, и легко – для выходной.

Для биполярных транзисторов используется совмещённая система параметров – система “h-параметров”.

Режим ХХ по входной цепи.

Режим КЗ по выходной цепи.

(3.7)

где − входное сопротивление: = при = 0 (при КЗ выходной цепи);

− коэффициент обратной связи по входной цепи, который показывает, как влияет выходная цепь на входную: = при = 0;

= при = 0;

− выходная проводимость при режиме ХХ по входной цепи: = при = 0.

Различают системы “h-параметров” для схем ОБ и ОЭ.

Малосигнальные параметры относятся к дифференциальным параметрам, показывают малое приращение какой-то величины.

; .

3.7 Частотные характеристики

Важной характеристикой является возможность усиливать переменное напряжение заданной частоты. Для транзистора этой зависимостью является: = или =

Коэффициент передачи тока зависит от структуры и параметров транзистора. На него влияют ёмкость эмиттера, время пролёта носителей через базу, через область объёмного заряда, постоянная времени в цепи коллектора.

1) Влияние ёмкости в цепи эмиттера.

Чем больше ток эмиттера, тем больше задержка.

= ; (3.8)

= , (3.9)

где = const.

Модуль будет показывать изменение величины, а угол (аргумент) – изменение угла вектора данной величины.

= . (3.10)

Граничная частота – частота, на которой коэффициент передачи тока эмиттера падает в раз.

− зависит от частоты.

= ;

= ; (3.11)

= ; (3.12)

= ; (3.13)

= ;

= .

- предельная частота, на которой может работать транзистор. = 1.

Частотные свойства схемы с ОБ существенно лучше, чем схемы с ОЭ. Это связано с тем, что с увеличением частоты между током эмиттера и током коллектора возникает фазовый сдвиг.

будет меняться незначительно;

− значительно.

< < .

Наиболее полно частотные свойства транзистора характеризуются максимальной частотой генерации – той частотой, на которой возможна работа транзистора при автоколебаниях.

Коэффициент по мощности больше 1. При дальнейшем увеличении частоты коэффициент усиления меньше 1.

Частота связана с другими параметрами транзистора:

= , (3.14)

где − постоянная цепи коллектора;

− барьерная ёмкость коллекторного перехода;

− граничный коэффициент усиления в схеме ОБ.

3.8 Работа транзистора на импульс

При работе на импульс транзистор находится в двух устойчивых состояниях:

1) режим отсечки;

2) режим насыщения.

В активной области транзистор находится лишь во время переключения.

Рассмотрим схему с ОБ.

Пусть на эмиттер нашего транзистора мы подаём импульс тока. Вначале положительный, а после выключения – отрицательный.

В момент времени на эмиттер транзистора подаётся импульс тока. Ток коллектора появляется не сразу, а с некоторой задержкой. Эта задержка объясняется перезарядкой ёмкости эмиттерного перехода, а также временем пролёта носителей через область базы. Начинает формироваться прямой фронт. Происходит накопление носителей в области базы. Концентрация в области базы достигает предельного значения. При этом в цепи устанавливается ток насыщения:

≈ . (3.15)

Дальнейшее увеличение количества носителей в базе транзистора приводит к небольшому уменьшению его сопротивления. Чем больше избыточная концентрация неосновных носителей в базе по сравнению с необходимым количеством для насыщения, тем в более насыщенном режиме будет работать транзистор. Это характеризует коэффициент насыщения.

Начиная с 4-го режима, транзистор находится в режиме насыщения.

В момент времени на эмиттер транзистора подаётся отрицательный импульс тока. Ток будет вначале в режиме насыщения. Длительность времени зависит от накопленных в базе носителей. Скачок тока при переходе от включенного режима определяется падением напряжения на объёмном сопротивлении базы транзистора:

= ; (3.16)

' = . (3.17)

После окончания времени рассасывания идёт формирование фронта импульса.

Выходной фронт определяется ёмкостью перехода.

Величины и можно уменьшить за счёт увеличения соответствующих амплитуд фронта. Время зависит только от степени насыщения транзистора. Контролировать степень насыщения транзистора достаточно сложно.

Другой способ уменьшения времени рассасывания – создание присадок (создание ловушек). При этом полупроводник легируется золотом.

Включение параллельно к коллекторному переходу диода с малым прямым падением напряжения.

При изготовлении специальных импульсных транзисторов диод Шотки формируется в структуре в процессе производства. Получается транзистор с барьером Шотки.

3.9 Работа на импульс по схеме с ОЭ