Лекция № 4 Статические характеристики бт.

Статические характеристики отражают зависимость между постоянными токами и напряже­ниями на входе и выходе БТ. Полное представление о свойствах БТ можно получить, воспользовавшись двумя семействами харак­теристик: входных и выходных. Для схемы с общей базой входные и выходные характеристики показаны на рис. а, б. С увеличением отрицательного напряже­ния U_кб наблюдается слабо выраженное смещение входных характеристик влево. Это объясняется тем, что электрическое поле, создаваемое напряжением U_кб почти полностью сосредото­чено в коллекторном переходе и оказывает незначительное влияние на прохождение зарядов через эмиттерный переход. Выходные характеристики БТ в схеме с общей базой представляют собой пологие, почти прямые линии. Это характеризует высокое выходное сопротивление выходной цепи переменному току. При таком включении даже при U_кб = 0 происходит явление экстракции и ток коллектора может иметь большое значение, зависящее от тока эмиттера I_э.

При I_э = 0 характеристика начинается в начале координат и имеет вид обратной ветви p-n-перехода. Выходной ток I_КБО в этом случае является неуправляемым током коллектора. При I_э не равно 0 выходной ток близок к входному. Однако если меняется поляр­ность напряжения U_кб, то он резко уменьшается и достигает нуля при значениях U_кб порядка десятых долей вольта. В последнем случае коллекторный переход работает в прямом направлении. Ток через этот переход резко возрастает и идет в направлении, обратном нормальному рабочему току, что может вывести транзистор из строя. Поэтому на данном участке характеристики показаны штриховыми линиями, они не являются рабочими и обычно на графиках не приводятся.

На рис. а, б показаны соответственно семейства входных и выходных характеристик для схемы с общим эмиттером. С ростом отрицательного напряжения U_кэ наблюдается сдвиг входных характеристик вправо. При увеличе­нии U_кэ растет обратное напряжение, приложенное к коллектор­ному переходу и почти все подвижные носители заряда быстро втягиваются в коллектор, не успев рекомбинировать в базе. Поэтому ток базы уменьшается при увеличении напряжения U_кэ. Значения входных токов в схеме с общим эмиттером гораздо меньше, чем в схеме с общей базой. Следовательно, входное сопротивление в схеме с общим эмиттером существенно больше, чем в схеме с общей базой.

Принцип работы бт.

Работу БТ рассмотрим на примере структуры n-р-n, включенной в схеме с общей базой.

К коллекторному переходу приложено обратное напряжение. Пока ток I_э = 0, в транзисторе протекает ток неосновных носителей заряда через коллекторный переход. Этот ток называют начальным коллекторным. При подключении к эмиттерному переходу прямого напряжения U_БЭ в транзисторе возникает эмиттерный ток, равный сумме дырочной и электронной состав­ляющих. Если бы концентрация электронов и дырок в эмиттере и базе была одинаковой, то указанные выше составляющие эмиттерного тока были равны. Но в транзисторе создают эмиттерную n⁺-область с существенно большей концентрацией электронов по сравнению с концентрацией дырок в базовой области. Это приводит к тому, что число электронов, инжектированных из эмиттера в базу, во много раз превышает число дырок.

Эффективность эмиттера оценивается коэффициентом инжекции γ_и. Для БТ со структурой n-р-n он равен отношению электронной составляющей эмиттерного тока к общему току эмиттера. У современных транзисторов γ_н =0,999. Инжектированные через эмиттерный переход электроны прони­кают вглубь базы, для которой они являются неосновными носителями. В базе происходит частичная рекомбинация электро­нов с дырками. Однако если база тонкая, то преобладающая часть электронов достигает коллекторного перехода, не успев рекомбинировать. При этом электроны попадают в ускоряющее поле коллекторного перехода. В результате экстракции электроны быстро втягиваются из базы в коллектор и участвуют в создании тока коллектора. Малая часть электронов, которая рекомбинирует в области базы с дырками, создает небольшой ток базы I_Б. Ток базы равен разности токов эмиттера и коллектора: I_Б = I_э-I_к. Таким образом, в рассматриваемом режиме (называемом активным) через БТ протекает сквозной ток от эмиттера через базу к коллектору. Незначительная часть эмиттерного тока ответвляется в цепь базы.

Для оценки влияния рекомбинации носителей заряда в базе на свойства БТ в активном режиме используют коэффициент переноса носителей в базе v_п. Этот коэффициент показывает, какая часть инжектированных эмиттеров электронов достигает коллекторного перехода. Коэффициент переноса v_п тем ближе к единице, чем тоньше база и меньше концентрация дырок в базе по сравнению с концентрацией электронов в эмиттере.

Важнейшим параметром БТ является коэффициент передачи тока эмиттера: α_б.т = γ_иv_n. Так как γ_и и v_п меньше единицы, то коэффициент передачи тока эмиттера также не превышает единицы. Обычно α_{б т} = 0,95.. .0,999. В практических случаях коэф­фициент α_бт находят как отношение приращения тока коллектора к приращению тока эмиттера при неизменном напряжении на коллекторном переходе:

α_бт = ΔI_к/ΔI_э.

Поскольку в цепи коллектора, кроме тока, обусловленно­го экстракцией электронов из базы в коллектор, протекает обратный ток коллекторного перехода I_БО, то полный ток коллектора:

ΔI_к = α_бт. I_э + I_кбо

Однако учитывая, что ток I_кбо незначителен, можно считать I_к= α_бт. I_э. Из последнего выражения видно, что БТ является прибором, управляемым током: значение коллекторного тока зависит от входного эмиттерного тока. Если рассматривать БТ как прибор с зависимыми источниками, то он близок по свойствам к источнику тока, управляемому током (ИТУТ). В свою очередь, входным током управляет прямое напряжение. Как видно из потенциальной диаграммы, показанной на рис., с ростом прямого напряжения уменьшается потенциальный барьер эмиттерного перехода. Это сопровождается экспоненциальным ростом тока эмиттера. К коллекторному переходу в ак­тивном режиме прикладывается большое запирающее напряжение. Как видно из потенциальной диаграммы, это приво­дит к значительному увеличению потенциального барьера кол­лекторного перехода. Вследствие того, что напряжение в цепи коллектора значительно превышает напряжение в цепи эмит­тера, а токи в цепях эмиттера и коллектора примерно равны, мощность полезного сигнала на выходе схемы оказывается существенно большей, чем на входе. Это и открывает широкие возможности использования БТ в качестве усилительных при­боров.

Наилучшим образом усилительные свойства БТ проявляются при включении в схеме с общим эмиттером, показанной на рис.

Основной особенностью схемы с общим эмиттером является то, что входным током в ней является ток базы, существенно меньший тока эмиттера. Выходным током, как и в схеме с общей базой, является ток коллектора. Следовательно, коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером равен отношению приращений тока коллектора и приращению тока базы. Этот коэффициент принято обозначать β_б.т.

Таким образом, в схеме с общим эмиттером нетрудно достигнуть больших значений коэффициента усиления по току. А так как при таком включении можно получить усиление и по напряжению, то достигаемый коэффициент усиления по мощности Н_р= Н_iН_u значительно превосходит значения, достигаемые при других способах включения (с общей базой и с общим коллекто­ром) Это и объясняет широкое применение БТ, включенных по схеме с общим эмиттером. Входное сопротивление БТ в схеме с общим эмиттером значительно больше, чем в схеме с общей базой. Представляет интерес определение зависимости выходного тока от входного для схемы с общим эмиттером. Используя приведенное выше выражение для полного тока коллектора, заменим в нем значение тока I_э на его составляющие I_К + I_Б.