6.2. Схеми увімкнення транзисторів

Залежно від того, який електрод є спільним для вхідного та вихідного кіл, розрізняють три схеми увімкнення транзистора: із спільною базою (скорочено будемо позначати СБ, Рис. 6.4, а), із спільним емітером (СЕ, Рис. 6.4, б) та із спільним колектором (СК, Рис. 6.4, в).

а)		б)		в)
Рис. 6.4. Основні схеми увімкнення транзистора а - із спільною базою (СБ); б - із спільним емітером (СЕ); в - із спільним колектором (СК).

Згідно першого закону Кфрхгофа, як було зазначено раніше, струм емітера в транзисторі розподіляється між базою та колектором.

Якщо струм емітера зросте на величину  (наприклад, через збільшення напруги емітера при впливі напруги вхідного сигналу ), то, відповідно, зростуть і інші струми. Для нового стану отримаємо рівність:

.

Віднявши від неї рівність, що описує перший закон Кірхгофа, отримаємо:

.

Збільшення струму бази, як і сам струм бази, відносно малі, тому

.

Транзистори характеризують (диференційним) коефіцієнтом прямої передачі за струмом, який визначається як відношення приросту вихідного струму до приросту вхідного струму, що його спричинив, при постійній напрузі у вихідному колі. Для схеми СБ вихідний струм — це струм колекторного кола, а вхідний — струм емітерного кола.

Тому коефіцієнт прямої передачі за струмом для схеми СБ

, при  .

В підсилювальному режимі в схемі СБ статичний коефіцієнт передачі за струмом транзистора та  приблизно однакові, тобто

.

Приріст колекторного струму можна визначити, використовуючи формулу:

.

Приріст струму бази — це різниця приростів струмів емітера та колектора:

.

Підставивши замість  вираз, отримаємо:

.

Отже, .

В схемі СЕ вихідним струмом є струм колектора, а вхідним - струм бази, тому коефіцієнт прямої передачі за струмом в схемі СЕ

.

Легко виразити  через :

, оскільки .

Як видно, для збільшення  необхідно значення  робити по можливості близьким до одиниці.

Для  коефіцієнт  якщо , то  .

В схемі з СК вихідним струмом є струм емітера, а вхідним — струм бази. Коефіцієнт прямої передачі за струмом схеми з СК приблизно рівний  та визначається за формулою

.

На практиці часто використовують приблизні рівності

 та , які справедливі за умови .

Знаючи параметри  та  ,  можна визначити струми ,  та :

,  .

6.3. Статичні характеристики транзисторів

Режим транзистора в будь-якій схемі увімкнення визначається струмами та напругами на вході та виході схеми. Взаємна залежність між цими величинами описується характеристиками транзистора. Для отримання статичної характеристики одну з чотирьох величин вибирають як аргумент (незалежна змінна), іншу — як функцію (залежна змінна). З двох величин, що залишилися, одну фіксують (підтримують постійною), іншу — залишають вільною (величина змінюється в залежності від аргументу, але в характеристиці ці зміни не відображаються). Задаючи різні значення фіксованій величині, одержують сімейство статичних характеристик транзистора.

На Рис. 6.5, а зображена принципова схема для зняття статичних характеристик зі спільною базою. (Полярність джерел живлення встановлюється залежно від типу транзистора p‑n‑p чи n‑p‑n.)

а)		б)
Рис. 6.5. Схеми для зняття характеристик транзистора а — із спільною базою; б — із спільним емітером.

 

а)		б)
Рис. 6.6. Сімейство вхідних (а) та вихідних (б) характеристик транзистора в схемі зі спільною базою

Вхідні (або емітерні) статичні характеристики транзистора з СБ — це залежність , при . Вони показані на Рис. 6.6, а.

Вхідна статична характеристика при  (нульова) подібна до звичайної характеристики напівпровідникового діода, увімкненого у прямому напрямку.

При подачі негативної колекторної напруги (наприклад, ) вхідна характеристика зміщується вліво (Рис. 6.6, а).

Те, що колекторна напруга впливає на положення вхідної статичної характеристики свідчить про наявність у транзисторі внутрішнього зворотного зв'язку. Цей зворотний зв'язок виникає, в основному, через опір області бази для базового струму  (Рис. 6.7, а). Цей опір (від десятків до сотень Ом) утвориться в слаболегованій області бази, яка для струму бази є пластинкою з відносно великою довжиною та малим перерізом (Рис. 6.3).

а)		б)
Рис. 6.7. Структура (а) та еквівалентна схема (б) транзистора, які ілюструють дію опору  у транзисторі.

У схемі СБ опір  є загальним для вхідного та вихідного кіл. На Рис. 6.7, б він винесений за межі ідеального транзистора, у якого власний опір бази для струму бази приймається рівним нулеві.

Нехай у схемі (Рис. 6.7, б) , тоді напруга на емітері ідеального транзистора, яка визначає струм емітерного переходу, буде рівною

.

При подачі (або збільшенні за модулем) колекторної напруги з'являється (або дещо збільшується) . Крім того, зменшується , оскільки, при збільшенні колекторної напруги відбувається розширення колекторного переходу та, відповідно, реальна ширина бази  зменшується (Рис. 6.7, а). Тому напруга , яка прикладена до емітера ідеального транзистора, при збільшенні  та  зростає, що і пояснює збільшення струму емітера та зміщення уліво вхідної статичної характеристики транзистора у схемі СБ. При  вхідна статична характеристика зміститься вліво ще більше (приблизно на подвоєну відстань) тощо. до  .

Вихідні (або колекторні) статичні характеристики транзистора з СБ становлять залежність , при .

Вони показані на Рис. 6.6, б. Незважаючи на те, що колекторний струм — зворотний струм і напруга на колекторі (для транзистора p‑n‑p) негативна, характеристики прийнято зображувати в позитивних осях координат.

Нульова вихідна характеристика ( ) є звичайною характеристикою діода, увімкненого в зворотному напрямку. Інші характеристики знімаються при ,  тощо.

Як відомо, з появою струму емітера струм колектора збільшується на величину . Струм  можна розглядати як штучно створений додатковий струм неосновних носіїв колекторного переходу. Тому можна стверджувати, що будь-яка вихідна статична характеристика транзистора з СБ є звичайною вольт-амперною характеристикою напівпровідникового діода, зміщеною по осі зворотного струму на величину .

При зворотно зміщеному колекторному переході спостерігається незначне збільшення нахилу вихідних характеристик при переході від меншого значення  до більшого значення. Це пояснюється непрямим впливом колекторної напруги на величину  (при збільшенні  зменшуються  та , отже,  дещо збільшується, причому це збільшення буде тим більшим, чим більший сам струм , тобто чим більший струм ).

При дуже великих струмах емітера вихідні статичні характеристики згущуються, оскільки при цих умовах відбувається відносне збільшення  та , тобто статичний коефіцієнт прямої передачі за струмом  зменшується. Докладніше це питання буде освітлене наприкінці параграфа.

Для зняття початкових ділянок вихідних статичних характеристик транзистора з СБ необхідно в схемі (Рис. 6.5, а) змінити полярність колекторної напруги.

а)		б)
Рис. 6.8. Сімейство вхідних (а) та вихідних (б) характеристик транзистора в схемі зі спільним емітером

Статичні характеристики транзистора з СЕ знімаються за допомогою схеми, зображеної на Рис. 6.5, б.

Вхідні (або базові) статичні характеристики транзистора з СЕ становлять залежність: , при .

Вид цих характеристик показаний на Рис. 6.8, а. Вхідним струмом транзистора при даній схемі увімкнення є струм бази. Оскільки емітер у схемі заземлений (з'єднаний із точкою нульового потенціалу), то напруги  та  визначаються відносно емітера, тобто , .

Нульова вхідна характеристика (при  та ) — це сумарна характеристика емітерного та колекторного переходів, з'єднаних паралельно та підключених до джерела живлення в прямому напрямку (Рис. 6.9, а). На рисунку видно, що у випадку, коли , а , то . Ця позитивна напруга, прикладена до колекторного переходу, створює в колекторному колі струм, який за напрямком протилежний звичайному струмові колектора. В цьому випадку струм колектора негативний, а струм бази це сума

.

Варто звернути увагу на те, що замикання та розмикання колектора згідно Рис. 6.9, б не може спричинити істотної зміни струму бази, який, в основному, визначається відносно великим опором . Тому при замиканні колектора на емітер (якщо ) відбувається тільки розподіл практично незмінного струму бази між колекторним та емітерним колами (зазвичай ).

а)	б)	в)
Рис. 6.9. Транзистор з СЕ при короткому замиканні колектора з емітером (а), розподіл струму бази при замиканні колектора з емітером (б); струми транзистора з СЕ при , коли  (в).

Із сказаного випливає, що в транзистора з СЕ нульова вхідна характеристика ( ) майже збігається з характеристикою, знятою при  (на Рис. 6.8, а показана пунктирною лінією).

При невеликій негативній напрузі на колекторі (Рис. 6.9, в), коли  (відповідно ), струм колектора змінює свій напрямок на звичайний ( ) і струм бази стає різницевим: .

Для цього, зазвичай, буває достатньою напруга . Оскільки при даній напрузі струм бази різко зменшується (із сумарного стає різницевим), то відповідна вхідна характеристика розташовується значно нижче нульової. При подальшому збільшенні (за модулем) колекторної напруги, (наприклад, до ) вхідна характеристика незначно зміщується вправо. В довідниках переважно наводяться дві вхідні статичні характеристики: нульова та характеристика, знята при . Всі інші характеристики, зняті при , незначно відрізняються від останньої та практично зливаються з нею.

Вихідні статичні характеристики транзистора з СЕ становлять залежність , при . Вид цих характеристик показаний на Рис. 6.8, б.

Нульова вихідна характеристика проходить через початок координат та в робочій області  розташовується на рівні, приблизно рівному .

Вихідні статичні характеристики при  у робочій області розташовуються над нульовою на відповідному рівні та у порівнянні з вихідними статичними характеристиками транзистора з СБ мають приблизно в  раз більший нахил і різкіше виражене згущення при значних струмах бази.

Вихідні статичні характеристики перетинають вісь ординат у крапках . При цьому величина  виявляється тим більшою, чим більший струм , оскільки збільшення  досягається за рахунок збільшення , що відповідно збільшує (за модулем) і струм колектора, який протікає в зворотному напрямку (Рис. 6.9, а). Початкова ділянка вихідних характеристик транзистора в схемі з СЕ, де , поки не має практичного значення і тому в довідниках не наводиться.

При зміні полярності напруги на базі ( ) можна встановити струм бази . У цьому випадку , а . Подальше збільшення напруги на базі вже не може спричиняти зменшення (тобто зміну) колекторного струму, тому як у схемі транзистора з СБ, так і в схемі з СЕ  є некерованим струмом колекторного кола.

На Рис. 6.10 показана приблизна залежність  при .

При дуже малих прямих струмах емітера, як , так і  виявляються набагато меншими одиниці. Це пояснюється тим, що в базі транзистора при малому струмі емітера внаслідок малого градієнта концентрації дірок не створюється умов для їх швидкого перенесення через базу (наприклад, при струмі  крива 1, Рис. 6.2, в). Тому, в даному випадку, більшість дірок рекомбінує з електронами і малий струм емітера майже цілком замикається через базу, не досягаючи колекторного переходу. Для випадків  та  (криві 2 та 3 на Рис. 6.2, в) створюються оптимальні умови для переносу дірок через базу. При цих струмах , тобто , та  приблизно дорівнюють одиниці. При дуже великих струмах емітера в базі накопичується дуже великий заряд, утворений дірками, який притягає (через коло бази) і утримує в базі такий ж за величиною негативний заряд, утворений електронами провідності. Тому, незважаючи на те, що швидкість дірок, які рухаються до колектора зростає, ймовірність їх рекомбінації з електронами значно збільшується. Це викликає додаткову втрату струму емітера і, відповідно, спричиняє деяке зменшення як , так і  .

Зменшення цих параметрів викликається також збільшенням електронної складової струму емітера, оскільки утримувані в базі електрони збільшують у ній концентрацію основних носіїв, що, як відомо, знижує ефективність емітера .

На Рис. 6.11 показана залежність . Ця залежність подібна характеристиці  (Рис. 14 10), оскільки більшому струмові емітера (за інших рівних умов) відповідає більший струм бази, а більшому значенню  — більше значення  і навпаки.

Рис. 6.10. Залежність коефіцієнта прямої передачі за струмом транзистора з СБ ( ) від струму емітера.	Рис. 6.11. Залежність  від струму бази.