3.3. Параметры и характеристики различных схем

Биполярный транзистор представляет собой четырехполюсник имеющий "Вход" и "Выход" (рис. 3.2, а; 3.8). В соответствии с этим различают: входное напряжение U_вх и выходное напряжение U_вых. Изменение этих напряжений приводит к определенному изменению входного (I_вх) и выходного (I_вых) токов четырехполюсника.

В зависимости от схемы включения транзистора входными и выходными токами и напряжениями (постоянными или переменными) могут быть различные параметры; например, в схеме с общей базой (ОБ) входной ток  ток I_э эмиттера; входное напряжение – напряжение U_эб между контактами эмиттера (Э) и базы (Б).

Статические вольт-амперные характеристики транзистора определяют зависимости входного и выходного токов от величины постоянных напряжений на входе или на выходе схемы.

Входная характеристика транзистора в схеме с общей базой представляет собой зависимость входного тока I_э от входного напряжения U_эб. В данном случае напряжение имеет индекс из двух букв, связанными с эмиттером и базой; иногда одной буквой, например, U_э.

Выходная характеристика транзистора в схеме с ОБ – это зависимость выходного тока I_к коллектора от выходного напряжения U_кб между контактами К и Б.

Входные и выходные характеристики обычно представляются в виде "семейства" кривых (серии кривых), характеризуемых различными параметрами, например, зависимость I_эб(U_эб) строится при различных фиксированных значениях U_кб.

Часто используются так называемые переходные характеристики, представляемые, например, зависимостями:

 входного напряжения U_эб от выходного напряжения U_кб при фиксированном эмиттерном токе;

 выходного тока I_к от тока I_э при фиксированном напряжении U_кб.

Для расчета теоретических статических характеристик биполярный транзистор представляется идеализированной моделью, называемой схемой Эберса – Молла [21], [27]. Задачей подобного моделирования является создание такой структуры, которая описывала бы свойства биполярного транзистора на основе совокупности двух идеальных p-n-переходов и источников тока.

Каждая из схем (рис. 3.2) включения (ОБ, ОЭ, ОК) транзистора обладает особенными параметрами и характеристиками.

Как правило, представляют интерес следующие параметры схемы:

– коэффициент усиления (передачи) по току K_I = ∆i_вых/∆i_вх (отношение небольшого приращения выходного тока к соответствующему приращению входного);

– коэффициент усиления (передачи) по напряжению K_U = ∆u_вых/∆u_вх (отношение приращения выходного напряжения к приращению входного);

– коэффициент усиления по мощности K_p = P_вых/P_вх (отношение выходной мощности, отдаваемой схемой в нагрузку, к мощности, затраченной на входе схемы);

– дифференциальное входное сопротивление r_вх = ∆u_вх/∆i_вх;

– выходное сопротивление R_вых, определяемое внутренним сопротивлением транзистора.

3.3.1. Схема с общей базой

Входные характеристики

На рис. 3.4, а представлена серия входных характеристик I_э(U_эб)|_Uкб для схемы с общей базой (транзистор n-p-n-типа) при различных фиксированных напряжениях U_кб.

При напряжении U_кб = 0 входная характеристика I_э(U_эб)|_Uкб, в целом, идентична прямой ветви вольтамперной характеристики диода (рис. 2.3; 2.5): при возрастании |U_эб| > 0 ток I_э через прямо смещенный эмиттерный переход возрастает практически по экспоненциальной зависимости, идентичной функции, описываемой соотношениями (2.6), (2.7).

Увеличение величины коллекторного напряжения (U_кб > 0) приводит к смещению серии выходных характеристик вверх (рис. 3.4, а): например, при фиксированном напряжении U_эб = 0,6 В значение тока возрастает (по сравнению с ВАХ при U_кб = 0) от 5 до 10 мА при U_кб = +5 В.

Для понимания и оценки влияния коллекторного напряжения на входные токи транзистора рассмотрим эффект модуляции эффективной толщины базы, называемый эффектом Эрли [27].

Данный эффект реализуется следующим образом:

 по мере увеличения обратного напряжения на коллекторном переходе П₂, ширина l_к(U) его p-n-перехода возрастает;

 учитывая слабое легирование объема р-базы по сравнению с объемом n-коллектора, область коллекторного p-n-перехода смещается в объем базы;

 в результате перечисленных процессов сокращается эффективная ширина базы (U), определяемая расстоянием от правой границы эмиттерного перехода до левой границы коллекторного перехода (рис. 3.2).

а) б) в)

Рис. 3.4. Входная (а), выходная (б) и переходная (в) характеристики схемы с ОБ

Эффект Эрли проявляется в различных режимах работы, главным образом, когда коллекторный переход смещен в обратном направлении.

Отмеченное увеличение эмиттерного тока I_э (рис. 3.4, а) объясняется влиянием эффекта Эрли: при возрастании напряжения U_кб эффективная толщина базы (U) уменьшается за счет расширения области p-n-перехода П₂ (рис. 3.3). Градиент концентрации dn/dX носителей в базе возрастает, а значит, увеличивается диффузионный поток носителей через базу в коллектор. Следовательно, один и тот же эмиттерный ток, вытекающий из эмиттера, может осуществляться при меньшем напряжении U_эб на эмиттерном переходе. Но поскольку напряжение на эмиттере остается равным U_эб = 0,6 В, то и ток I_э возрастает.

Другими словами, можно сказать, что по мере увеличения напряжения U_кб для поддержания фиксированного тока эмиттера I_э следует уменьшать напряжение U_э (рис. 3.4, а, в).

На практике транзистор выбирается с учетом рабочего диапазона токов I_э, изменяющихся от единиц миллиампер до предельных токов (десятки и сотни миллиампер), значения которых ограничены маркой транзистора. Для дальнейшего анализа схем, в которых используется биполярные транзисторы, следует учесть, что диапазон напряжений U_э^* (рис. 3.4, а), при котором протекают реальные токи I_э (единицы и десятки мА), практически не зависит от величины напряжений U_кб на коллекторе. Значение |U_э^*| считается параметром транзистора, например для кремниевых транзисторов диапазон изменения |U_э^*| составляет от 0,5 до 0,7 В; при этом значительные токи (десятки мА и выше) начинают протекать через открытый эмиттерный переход при значении напряжения отпирания, не менее (U_э^*  0,1) В.

Другими словами, говоря о реальном транзисторе, следует учитывать, что для протекания практически значимого тока эмиттера (десятки мА) необходимо, чтобы напряжение |U_эб| было не менее 0,5 - 0,6 В.

Выходные характеристики

Семейство выходных характеристик (рис. 3.4, б) схемы с ОБ представляется кривыми I_к(U_кб)|_Iэ, полученными при фиксированном значении тока I_э.

В режиме отсечки при отсутствии эмиттерного тока (I_э = 0: область I) коллекторный ток крайне мал и при напряжениях |U_кб| > 0 теоретически равен значению I_ко. В справочниках приводятся значения теплового коллекторного тока реальных транзисторов в виде параметра I_БКО при напряжении |U_кб| = 5…10 В.

В активном нормальном режиме ВАХ взаимосвязь между I_к и I_э описывается уравнением (3.9), из которого следует, что при возрастании тока эмиттера (I_э1, I_э2, I_э3 и т. д.) значение тока коллектора I_к(I_э) монотонно увеличивается и равно I_к  I_э (рис. 3.4, б, I квадрант, область II). Таким образом, в данном режиме ток I_к полностью определяется значением тока эмиттера и практически не зависит от напряжения U_кб. Физически это обусловлено тем, что почти все носители, инжектированные эмиттером в базу, диффундируют до коллектора, после чего за счет поля обратно смещенного перехода дрейфуют в область коллектора независимо от величины напряженности поля или напряжения U_кб на коллекторном переходе П₂.

На участке II теоретический наклон характеристики U_кб/I_к = , однако, реально за счет эффекта Эрли происходит некоторое возрастание эмиттерного, а значит, и коллекторного, токов при увеличении напряжения U_кб на коллекторе (рис. 3.4, б). Реальные кривые I_к(U_кб) характеризуются наклоном, численно равным обратной величине дифференциального сопротивления обратно смещенного коллекторного перехода, т.е. dI_к/dU_кб = 1/r_к(б), где

r_к(б) = U_кб/I_к  . (3.10)

Следует помнить, что значение r_к(б) весьма высоко, что связано с большим сопротивлением обратно смещенного р-n-перехода (см. главу 2).

Режим насыщения (режим двойной инжекции) (рис. 3.4, б, II квадрант, область III) реализуется в том случае, когда оба перехода (П₁ и П₂) смещены в прямом направлении (на каждом из них падает напряжение не более 0,3  0,5 В). В этом режиме для схемы с общей базой, как эмиттер Э, так и коллектор К n-p-n-транзистора, имеют отрицательный потенциал по отношению к базе. Коллекторный переход включен в прямом направлении, и поток электронов, инжектированных из коллектора в область базы противоположен потоку электронов, диффундирующих из эмиттера.

Например (рис. 3.4, б), при напряжении U_кб = +10 В и токе I_э  35 мА, ток коллектора равен I_к  35 мА (активный режим); при том же токе I_э, но значении U_кб = 0, ток равен I_к  34 мА. Изменим полярность напряжения на коллекторном переходе, установив прямое напряжение на коллекторе U_кб   0,5 В при той же постоянной величине тока I_э  35 мА. В режиме насыщения прямой ток коллекторного перехода, направленный навстречу эмиттерному току, начнет уменьшать суммарный ток I_к, который окажется равным I_к  28 мА. Именно поэтому по мере возрастания отрицательного потенциала (напряжения) на коллекторе, ток I_к спадает до нуля, и уже при U_кб < 1 В ток коллектора меняет свое направление. Таким образом, при увеличении прямого напряжения U_кб в режиме насыщения (двойной инжекции) характерным является уменьшение (во втором квадранте) коллекторного тока I_к при неизменном эмиттерном токе I_э.

Переходная характеристика

Рассмотрим особенности переходной характеристики U_кб(U_эб)_Iэ=const (рис. 3.4, в), описывающей влияние напряжения коллектора U_кб на напряжение U_эб, обеспечивающее фиксированный ток эмиттера I_э. Подобная зависимость объясняется следующим образом. Если напряжение U_эб фиксировано, то при возрастании напряжения на коллекторе U_кб  ток эмиттера I_э возрастает (в частности, за счет эффекта Эрли - сужения ширины базы, возрастания градиента концентрации в базе, изменения коэффициента передачи тока и т. д.). Поэтому для создания режима постоянного тока эмиттера необходимо незначительно уменьшать значение напряжения на эмиттере U_эб.

Коэффициент обратной связи по напряжению _кэ, определяемый как отношение

_кэ = U_эб/U_кб |_Iэ=const, (3.11)

показывает, на какую величину U_эб необходимо изменить напряжение эмиттер-база при изменении напряжения коллектор-база на значение U_кб для поддержания фиксированного тока эмиттера I_э. Величина данного коэффициента мала и составляет от 10 ^3 до 10 ^4. Отрицательное значение коэффициента _кэ физически обусловлено тем, что для поддержания постоянного значения I_э по мере увеличения напряжения коллектора U_кб необходимо уменьшать напряжение U_эб.

При больших напряжениях на коллекторе наблюдается необратимый пробой коллекторного перехода и, соответственно, увеличение коллекторного тока (рис. 3.4, б, область IY) вплоть до разрушения транзистора.

Для схемы с ОБ (рис. 3.2, а) входным током является ток эмиттера I_э, а выходным – ток коллектора I_к. Поэтому из основного уравнения токов транзистора (3.9) для схемы с ОБ, следует, что коэффициент передачи по току для схемы с ОБ при малых приращениях токов равен

K_I(б) = ∆i_к/∆i_э |_Uкэ=const =   1. (3.12)

Из соотношения (3.12) можно сделать выводы:

 переходная характеристика для токов I_к(I_э)|_Uкб, отражающая зависимость тока коллектора от тока эмиттера при фиксированном U_кб, является линейной;

 схема с ОБ не обладает усилением по току (постоянному или переменному).

Коэффициент усиления схемы по напряжению, равный K_U(б)= ∆u_кб/∆u_эб, измеряется десятками и сотнями единиц. Это связано с тем, что переход "эмиттер – база" смещен в прямом направлении и напряжение U_эб на нем не превышает 1 В (прямое падение напряжения на p-n-переходе), а, значит, и возможное изменение ∆u_эб на нем достаточно мало. В то же время переход "коллектор – база" смещен в обратном направлении, и напряжение U_кб в зависимости от типа транзистора может составлять десятки вольт, и соответственно, возможные изменения ∆u_кб >> ∆u_эб.

Коэффициент усиления по мощности, равный произведению коэффициентов усиления по току и по напряжению K_p(б) = K_I(б)K_U(б), также измеряется десятками и сотнями единиц.

Входное сопротивление r_вх(б) = ∆u_эб/∆i_э определяется дифференциальным сопротивлением прямо смещенного p-n-перехода "эмиттер – база" и, в зависимости от типа транзистора и участка входной характеристики, где измеряется это сопротивление, составляет единицы или десятки Ом.

Выходное сопротивление r_вых(б) = r_к(б) определяется дифференциальным сопротивлением обратно смещенного p-n-перехода "коллектор – база" и составляет сотни килоом или единицы мегом.

Теоретический анализ входной и выходной характеристики транзистора в схеме с ОБ проведен в [4], [5],[21], [27].

Схема с ОБ не нашла широкого применения из-за невозможности усиления по току. Однако основное ее достоинство – высокая температурная стабильность – иногда используется в специальных устройствах.