7.5.2. Схема с общим эмиттером

Входная характеристика. Это зависимость . Поведение входной характеристики аналогично ВАХ p-n перехода с ограниченной базой с нулевой скоростью рекомбинации на контакте (рисунок 7.33). При , (закороченный электрод эмиттера и коллектора) в прямом смещении оба перехода. Коллекторный переход «отталкивает» дырки, инжектированные эмиттером, и аналогичен контакту с нулевой скоростью рекомбинации. Величина начального тока базы будет пропорциональна , т. е. определяется рекомбинацией в объеме, ограниченном толщиной базы. Входное сопротивление в схеме ОЭ будет больше, чем у p-n перехода с полубесконечной базой (рисунок 7.33). При обратном смещении в цепи базы будет протекать сумма двух генерационных токов . При достижении напряжения лавинного пробоя эмиттерного p-n перехода ток резко возрастает. У подавляющего большинства транзисторов , поэтому в режиме резкого возрастания входного тока . При обратном смещении , толщина базы уменьшается (эффект Эрли), что приводит к уменьшению объема рекомбинации, и следовательно, тока базы, т.е. входная ВАХ смещается вниз (при постоянном напряжении входа) и вправо (при постоянном токе базы). При , (разрыв цепи базы) (рисунок 7.34) в цепи эмиттер – коллектор протекает неуправляемый ток с внутренним базовым током (генерационный ток коллектора, определяемый основными носителями заряда базы). Протекание тока смещает эмиттерный переход в прямом направлении . Это смещение является частью напряжения .

На больших токах базы необходимо учитывать падение напряжения на омическом сопротивлении базы (рисунок 7.34), .

Входное сопротивление в схеме с ОЭ больше, чем в схеме с ОБ. Это определяется разным масштабом входных токов при одинаковых смещениях эмиттерного перехода,

.

Рисунок 7.33 - Входные характеристики транзистора в схеме с ОЭ; ---- – p-n переход с полу-бесконечной базой

Рисунок 7.34 - Схема включения транзистора с общим эмиттером

При замыкании электродов база – эмиттер ( = 0) ток базы меняет направление (рисунок 7.33) и определяется током . В результате ответвления обратного тока коллектора на базовый электрод уменьшается внутренний ток базы и величина неуправляемого тока . При обратном смещении ток базы представляет собой сумму генерационных токов утечки коллектора и эмиттера .

Выходная характеристика. Зависимость . Напряжение представляет собой алгебраическую сумму напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах (рисунок 7.34), . При этом эмиттерный переход всегда смещен в прямом направлении при прямых токах базы. В активном режиме коллекторный переход смещен в обратном направлении и полярность соответствует полярности . В режиме насыщения, когда ток коллектора ограничен внешней цепью, например резистором, , заряд коллектируемых дырок (лишних) в коллекторе и лишних электронов в базе смещает коллекторный переход в прямое направление, и имеет полярность обратную . Таким образом, граница между усилительным режимом и режимом насыщения соответствует условию, =0, или (рисунок 7.35).

В усилительном режиме ток коллектора представляет собой сумму управляемого тока дырок и неуправляемого тока ,

.

Неуправляемый ток является границей между активным режимом и режимом отсечки (рисунок 7.35), при .

В отличие от ток содержит не только генерационную составляющую , но и дырочную компоненту, обусловленную прямым смещением эмиттерного p-n перехода.

Рисунок 7.35 - Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ

Рисунок 7.36 - Влияние зависимости α(I) на

предельные напряжения в схеме с ОЭ

При разорванной базе неуправляемый ток может быть представлен в виде:

.

Из этого выражения следует:

. (7.51)

Проанализируем выражение (7.51) при малых напряжениях коллектора (М = 1),

. (7.52)

В (7.52) член представляет собой дырочный ток, обусловленный усилением внутреннего базового тока (электронов) . Поэтому неуправляемый ток (7.52). Для транзисторов из узкозонных полупроводников (Ge) величина I_CB0 значительна при комнатных температурах, а вклад токов рекомбинации в ОПЗ эмиттера мал (раздел 5.7.1), поэтому коэффициент , и ток . В кремниевых транзисторах генерационный ток коллектора мал, а рекомбинационный ток в ОПЗ эмиттера значительный. Поэтому у кремниевых транзисторов при комнатной температуре , и неуправляемый ток . С увеличением температуры обратный ток возрастает, что приводит к более сильному увеличению неуправляемого тока в схеме ОЭ,

.

Из (7.51) следует, что при достижении напряжения некоторого значения, при котором , ток неограниченно возрастает, что эквивалентно напряжению пробоя в схеме с общим эмиттером. Обозначим это напряжение . Из этого условия следует:

, (7.53)

где n = 3,5 для кремния – индекс Миллера (5.122).

Выразив из (7.53), получим:

. (7.54)

В активном режиме предельное напряжение в схеме с ОЭ в два и более раз ниже, чем в схеме с ОБ в зависимости от коэффициента усиления В. В режиме отсечки это напряжение может быть значительно выше и достигать значений (рисунок 7.35).

Зависимость коэффициента передачи тока от тока коллектора (эмиттера) на малых уровнях инжекции является причиной появления участка отрицательного сопротивления на выходных ВАХ транзистора в схеме с ОЭ (рисунок 7.36). При , зависимость аналогична зависимости , так как = 0, и нет инжекции дырок (дырки рекомбинируют в ОПЗ эмиттера, электроны поставляются за счет генерации в обратно смещенном коллекторном переходе).

По мере приближения напряжения к напряжению лавинного пробоя включается ударная ионизация и наблюдается рост величины электронного тока . При этом токе становится больше нуля и увеличивается общий ток . Вклад в увеличение тока дается дырками, инжектированными из эмиттера, и дополнительными электронами за счет размножения этих дырок. Таким образом, электронный компонент тока поставляется термической и электрической (ударной) генерацией, а дырочный – инжекцией, определяемый коэффициентом передачи .

; ; .

При увеличении изменяется состав тока. Растет дырочная составляющая и уменьшается электронная. Это означает, что для сохранения нейтральной базы в стационарном режиме, при росте необходимо уменьшить поставку электронов в базу с ростом полного тока, т. е. ударную ионизацию и , а следовательно, напряжение . Заряд лишних электронов нейтрализует заряд доноров ОПЗ коллектора, что в соответствии с теоремой Гаусса снижает напряженность поля и разность потенциалов ОПЗ. Снижение напряжения на коллекторе наблюдается до значения тока коллектора , при превышении которого коэффициент передачи не изменяется , а также не изменяется состав тока (доля электронного тока постоянна). На этом участке . На БУИ коэффициент передачи будет уменьшаться. Для поддержания электронейтральности базы необходимо увеличение доли электронного тока, которое обеспечивается увеличением лавинного размножения или ростом коллекторного напряжения (рисунок 7.36). В случае, когда напряжение подается на транзистор с заданным током , который обеспечивает ток , коэффициент , и максимальное напряжение ограничивается (рисунок 7.36). Это напряжение носит также название напряжения переворота фазы тока базы. При напряжении внутренний базовый ток за счет размножения дырок полностью поддерживает протекание . Так как внутренний ток базы направлен встречно внешнему, то зависимость переходит через нуль (переворот фазы, меняется направление тока базы).

В активном режиме (область I, рисунок 7.35) ток коллектора , и увеличивается с ростом напряжения более сильно, чем в схеме с ОБ. Это обусловлено более сильным влиянием эффекта Эрли на коэффициент В, чем на в схеме ОБ. Дифференциальное выходное сопротивление в схеме с ОЭ имеет вид:

;

. (7.55)

Выходное сопротивление в схеме ОЭ на два – полтора порядка ниже, чем в схеме ОБ и составляет десятки и сотни килоом. Зависимость и аналогична этим зависимостям для схемы с общей базой (рисунок 7.30).

В режиме насыщения (область II, рисунок 7.35) коллекторный переход смещен в прямом направлении . Ток коллектора определяется алгебраической суммой тока коллектирования и тока инжекции:

, (7.56)

где ; ; .

Напряжение составляет доли вольта или десятки милливольт, что обеспечивает малые потери транзисторного ключа в открытом состоянии.

Как и в схеме ОБ, при больших токах коллектора предельное напряжение ограничивается тепловой гиперболой (7.50): .

Передаточная характеристика. В схеме с общим эмиттером это зависимость . Она аналогична передаточной характеристике в схеме с ОБ (рисунок 7.31), но обладает большей нелинейностью в связи с большей чувствительностью .

Характеристика обратной связи. Это зависимость . В отличие от схемы ОБ при увеличении коллекторного напряжения напряжение на эмиттере увеличивается. Такое поведение объясняется увеличением концентрации дырок p(0) из-за сужения толщины базы (рисунок 7.34) при постоянном токе базы.