Тема 4. Характеристики и параметры

биполярного транзистора

Вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов

Вольт-амперными для любой из схем включения транзистора (ОБ, ОЭ и ОК) являются входные и выходные характеристики. Входные характеристики представляют собой зависимость входного тока от входного напряжения при фиксированных значениях выходного напряжения: при . Выходные характеристики определяют зависимость выходного тока от выходного напряжения при фиксированных значениях входного тока: при . Вид входных и выходных характеристик транзистора зависит от схемы включения. Входные и выходные характеристики для схемы с ОБ показаны на рис. 17.

Рис. 17. Входные (а) и выходные (б) характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с ОБ

Как видно из рис. 17, а, входная характеристика при аналогична характеристике обычного диода при прямом смещении и описывается зависимостью, близкой к экспоненциальной. При увеличении отрицательного смещения на коллекторном переходе характеристика смещается к оси токов вследствие внутренней обратной связи по напряжению между входом и выходом транзистора, обусловленной эффектом модуляции толщины базы (эффект Эрли).

Рассмотрим выходные характеристики (рис. 17, б). Зависимость при является характеристикой коллекторного p-n-перехода, смещенного в обратном направлении; при этом (см. выражение (2)). С ростом тока эмиттера в соответствии с уравнением (2) растет ток коллектора , поэтому при кривые смещаются вверх от характеристики при и представляют собой семейство параллельных прямых, которые приблизительно равноудалены друг от друга. Ток практически не изменяется с увеличением напряжения , так как зависит, главным образом, от управляющего тока эмиттера . При смещениях , близких к напряжению пробоя , происходит резкое увеличение тока , что может привести к выходу прибора из строя, поэтому такой режим работы транзистора является недопустимым.

Входные характеристики транзистора в схеме с ОЭ представляют собой зависимость при фиксированных значениях , а выходные – зависимость при фиксированных значениях (рис. 18, а и б).

Рис. 18. Входные (а) и выходные (б) характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ

Рассмотрим входные характеристики (рис. 18, а). При эмиттер имеет положительный потенциал относительно базы; потенциал коллектора относительно базы в этом случае также положителен, так как он равен потенциалу эмиттера. ВАХ представляет собой ВАХ двух p-n-переходов (или диодов), включенных параллельно. При увеличении отрицательного смещения на коллекторном переходе (см. входную характеристику при В) характеристика смещается в область меньших токов, что объясняется эффектом модуляции толщины базы. В этом случае характеристика не проходит через нулевую точку (ток базы при напряжении ), так как имеет место компенсация базового тока током : при ток , поэтому из выражения (5) следует, что .

Выходные характеристики изображены на рис. 18, б. Можно выделить три характерных области: I – область насыщения, II – область активного режима (наиболее сильно проявляются усилительные свойства), III – область пробоя. При к коллекторному переходу транзистора приложено прямое напряжение. Коллекторный переход открыт и инжектирует дырки в базу навстречу току дырок из эмиттера, в результате чего ток . По мере снижения прямого напряжения на коллекторном переходе (повышение в области I) ток коллектора увеличивается. На границе с областью II прямое напряжение снимается с коллекторного перехода и в области II действует обратное напряжение. Напряжение, при котором характеристика имеет изгиб, называется напряжением насыщения.

Выходные характеристики в области активного режима (область II) описываются уравнением (3). В соответствии с уравнением (3) при (когда , ) имеем:

.

Из этого же уравнения (3) при получаем:

.

Значит, выходная характеристика при будет располагаться выше зависимости при (рис. 18, б), так как в первом случае коллекторный ток больше.

По мере увеличения тока базы в соответствии с уравнением (3) увеличивается ток коллектора , поэтому при характеристики смещаются вверх от характеристики при . Наклон выходных характеристик (возрастание тока с увеличением напряжения ) обусловлен влиянием эффекта Эрли. Выходные характеристики в схеме с ОЭ гораздо сильнее зависят от коллекторного напряжения, вследствие чего они имеют бóльший наклон, чем аналогичные характеристики в схеме с ОБ.

Изменение ВАХ с ростом температуры

С увеличением температуры возрастает ток из-за усиления процесса термогенерации неосновных носителей заряда и ток базы при неизменном напряжении , поэтому входная характеристика смещается к оси токов со скоростью 2 мВ/⁰С (рис. 19). Коэффициенты и также несколько увеличиваются, что связано с увеличением подвижности носителей заряда. Это приводит к увеличению тока при неизменном напряжении в соответствии с выражением (3), поэтому при повышении температуры выходные характеристики смещаются вверх, их наклон относительно оси напряжения увеличивается (показано пунктирными линиями на рис. 18, б).

Влияние температуры на характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, оказывается сильнее, чем на характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ, что следует из сравнения соотношений (2) и (3).

Схема замещения транзистора в физических параметрах

Схема замещения транзистора позволяет рассматривать его как линейное устройство и использовать аппарат теории линейных электрических цепей для проведения расчетов. Эта схема справедлива для малых изменений входного сигнала (так называемый режим малого сигнала). Малосигнальные схемы замещения транзистора приведены на рис. 20, а и б (эти схемы замещения известны под названием Т-образных схем).

Рис. 20. Малосигнальные схемы замещения транзистора, включенного по схемам ОБ (а) и ОЭ (б)

Эмиттерный переход представлен дифференциальным сопротивлением , которое при изменении эмиттерного тока в пределах единиц и десятков мА составляет единицы и десятки Ом:

.

В коллекторную цепь введено дифференциальное сопротивление , отражающее влияние модуляции толщины базы на коэффициенты передачи тока ( и ); обычно составляет единицы МОм.

.

Чем меньше сопротивление , тем больше наклон выходных характеристик относительно оси напряжения, больше влияние на коэффициенты передачи тока. Чем больше , тем выходные характеристики становятся более параллельными оси напряжения.

Базовая цепь представлена в схеме замещения объемным сопротивлением базы , составляющим сотни Ом. Это сопротивление учитывает падение напряжения в объеме полупроводника в базовой области.

Модуляция толщины базы при изменении коллекторного напряжения, имеющая место в транзисторе, приводит к изменению не только коэффициентов передачи тока, но также и напряжения на эмиттерном переходе. Другими словами, в транзисторе имеет место внутренняя обратная связь по напряжению, которая в схеме замещения учитывается генератором напряжения , включенным в эмиттерную цепь ( – безразмерный коэффициент). В некоторых случаях внутренняя обратная связь учитывается путем включения фиктивного диффузионного сопротивления в базовую цепь последовательно с объемным сопротивлением базы .

– эквивалентный источник тока, учитывает передачу тока из эмиттерной цепи в коллекторную с коэффициентом ( учитывает передачу тока из цепи базы в цепь коллектора с коэффициентом ).

– барьерная емкость коллекторного перехода, учитывает частотные свойства транзистора. На практике частотные свойства транзистора характеризуют граничной частотой усиления (это частота, на которой модуль коэффициента усиления транзистора снижается в раз).

h-параметры транзистора

Н едостатком Т-образной схемы является невозможность непосредственного измерения ее параметров, так как в реальном транзисторе внутренняя общая точка, соединяющая ветви Т-образной схемы, недоступна для присоединения измерительных приборов. Этот недостаток устраняется, если представить транзистор в виде линейного четырехполюсника с парой входных и парой выходных зажимов (рис. 21). Биполярный транзистор можно рассматривать как активный четырехполюсник только при усилении переменных сигналов малой амплитуды. Если к транзистору подведено питание постоянного тока и этим задана рабочая точка П на его ВАХ, то при наложении на протекающие токи малых переменных сигналов транзистор в отношении этих сигналов можно рассматривать как линейный элемент электрической цепи. Эквивалентная схема, приведенная на рис. 21, позволяет нелинейные ВАХ заменить аналитическими линейными выражениями, что дает возможность привлечь компьютерную технику к расчетам электронных схем. Такой четырехполюсник удобно описывать системой h-параметров:

;

.

Чтобы определить h-параметры и выяснить их физический смысл, необходимо осуществить режим холостого хода на входе четырехполюсника и режим короткого замыкания на выходе , что как раз легко выполнить для транзисторов:

	– входное сопротивление транзистора
	– коэффициент усиления по току
	– коэффициент обратной связи по напряжению
	– выходная проводимость транзистора

Существует связь между h-параметрами и физическими параметрами транзистора. Для этого необходимо выполнить режим короткого замыкания и холостого хода в Т-образной схеме. Тогда для схемы с ОБ получим:

.

Для схемы с ОЭ:

.

Так как ток базы в раз меньше тока эмиттера (см. выражение (4)), то:

.