Твердотельная електроника / TTE_Lect1

коефіцієнтом передачі струму бази у схемі зі спільним колектором. Порівнюючи вирази (6.19) та (6.22), можна дійти висновку, що

h21K h21E . Тому ССК також добре підсилює вхідний струм.

Оскільки в схемі ( рисунок 6.9) UEK UБК UЕБ UБК

(тому що UЕБ мала як напруга на прямо ввімкненому переході), а

Iвих Iвх (тому що IE IБ ), то ССК має таку важливу властивість: використання схеми зі спільним колектором при побудові емітерних повторювачів.

Недолік ССК той самий, що і в ССЕ: оскільки IКБ0 як складова

базового струму підсилюється транзистором і h21K h21E , то схема має велику некеровану складову вихідного струму.

ЛЕКЦІЯ 7

ХАРАКТЕРИСТИКИ БІПОЛЯРНИХ ТРАНЗИСТОРІВ

7.1Статичні характеристики і параметри біполярних транзисторів

Статичним режимом напівпровідникового приладу називають режим, у якому всі параметри (напруги, струми електродів) постійні. Статичні характеристики виражають залежність між струмом електрода і постійними напругами на електродах приладу.

При аналізі БТ у статичному режимі важливо встановити зв’язок між його струмами і напругами. З цією метою БТ можна зобразити як чотириполюсник, на вході якого діють комплексні вхідні

напруги Uвх і струм Iвх , а на виході – комплексні Uвих і Iвих

(рисунок 7.1). Якщо чотириполюсник у загальному випадку нелінійний,

71

тобто вхідні напруги і струм змінюються в широких межах, то функціональна залежність Uвих , Iвих від Uвх , Iвх описується в формі статичних характеристик.

Рисунок 7.1 – БТ як чотириполюсник

Параметри чотириполюсника, які також описують зв’язок між вхідними та вихідними величинами чотириполюсника в статичному режимі, на відміну від характеристик, визначають при малих змінах

Uвх і Iвх , і тому чотириполюсник у цьому разі вважають лінійним, а

параметри називають малосигнальними.

Характеристики і параметри БТ як чотириполюсника розподіляються між системами залежнос від того, які напруги і струми беруть за аргументи, а які – за значення функції. Найбільш поширеними є три системи характеристик і параметрів: Y-, Z- та Н- системи (таблиця

7.1).

Таблиця 7.1

Оскільки найбільше прикладне значення має Н-система характеристик та параметрів (так звана гібридна система) і їй приділяється максимальна увага в інженерній практиці, в довідниках та іншій спеціальній літературі, то надалі розглядатимемо саме її, тобто вивчатимемо систему статичних гібридних характеристик і малосигнальних h-параметрів.

72

Отже, в Н- системі за аргументи беруть вхідний струм та вихідну напругу:

У статичному режимі один з аргументів фіксується, і БТ можна описати такими сім’ями характеристик:

вхідних Uвх = f (Iвх )/Uвих const;

вихідних Iвих = f (Uвих )/ Iвх const;.

зворотного зв’язку Uвх = f (Uвuх )/ Iвх const;

прямої передачі Iвих = f (Iвх )/Uвuх const.

На практиці зручніше користуватися вхідними зворотними характеристиками Iвих = f (Uвх )/Uвuх const . Крім того, останні дві

сім’ї, які застосовують рідше, ніж сім’ї вхідних і вихідних характеристик, можуть бути одержані з перших. Розглянемо статичні гібридні характеристики БТ для кожної схеми ввімкнення окремо.

7.1.1 Статичні характеристики біполярного транзистора у схемі зі спільною базою

Теоретично статичні характеристики БТ в ССБ можуть бути одержані за допомогою рівнянь Еберса – Молла. Але в цих рівняннях не враховують опір бази і модуляцію її товщини залежно від зміни

напруги UКБ .

Тому на практиці застосовують експериментально зняті статичні характеристики. Схему для зняття характеристик БТ зі спільною базою зображено на рисунку 7.2.

73

Рисунок 7.2 – Схема лабораторного заняття статичних характеристик БТ зі спільною базою

Слід зауважити, що при одержанні характеристик для n p n транзистора потрібно змінити полярність напруги UEБ і

UКБ .

Вихідні характеристики

Це залежності IE f (UЕБ )/UКБ const . Графіки сім’ї характеристик показано на рисунку 7.13.

Рисунок 7.3 – Статичні вхідні характеристики БТ зі спільною базою

При UКБ =0 (колектор замкнено з базою) вхідна характеристика відтворює пряму гілку ВАХ ЕП

74

При негативній напрузі на колекторі характеристика зміщується вгору, в бік більших струмів емітера. Причина цього зміщення:

1)при збільшенні негативної UКБ зменшується активна ширина бази

, зростає градієнт концентрації дірок у базі (рисунок 7.4), і тому при незмінній напрузі UEБ збільшується IЕ ;

Рисунок 7.4 – Модуляція товщини бази БТ та її вплив на розподіл концентрації неосновних носіїв

2) при збільшенні запірної напруги UКБ на КП зростає зворотний струм колектора IКБ0 , який, проходячи через розподілений опір бази Б , створює на ньому спадання напруги зворотного зв’язку

UЗЗ (рисунок 7.5). Ця напруга, узгоджена з напругою UEБ за напрямом, сприяє більшому відкриванню ЕП і зростанню внаслідок цього струму IЕ . Під впливом перелічених причин у емітерному колі БТ при UEБ =0 і негативній напрузі на колі проходить

невеликий струм емітера.

Для того щоб його усунути, треба до емітера прикласти невелику негативну напругу.

75

Рисунок 7.5 – Утворення напруги зворотного зв’язку на розподіленому опорі бази

Вихідні характеристики Вихідні характеристики БТ у ССБ – це графік залежності

IK f (UKБ )/ IE const ,

зображені на рисунку 7.6.

Рисунок 7.6 – Статичні вихідні характеристики БТ зі спільною базою

Ураховуючи вплив напруги UKБ на зворотний струм

колектора, рівняння для струму колектора (6.10) можна записати у вигляді

76

Одержана формула описує вихідні характеристики при різних струмах емітера.

Межею між режимом відсічення ( IЕ <0) та активним режимом

( IЕ >0) є характеристика при IЕ =0, яка є зворотною гілкою ВАХ КП.

При збільшенні негативної напруги UKБ струм колектора швидко досягає значення IКБ0 . Подальше зростання IК зумовлюється зростанням струмів генерації та витоку КП. При деяких високих напругах UKБ (для транзистора МП14 при IЕ =0 ці напруги

перевищують 15В) у КП виникає пробій, що супроводжується значним зростанням колекторного струму.

При IЕ >0 вихідні характеристики зменшуються в бік більших колекторних струмів на величину h21Б IE . згідно з формулою (7.3). У загальному випадку це зміщення має нееквідистантний характер, тобто рівним приростам вхідного струму IE відповідають нерівні прирости вихідного струму IK . Це явище викликане залежністю h21Б f (IE ), зображеною на рисунку 7.6, яка свідчить, що статичний коефіцієнт передачі струму h21Б не є постійною величиною для різних

струмів емітера. Для більших колекторних та емітерних струмів пробій КП відбувається при менших напругах і може перетворитися в тепловий. З метою унеможливлення пробою режим роботи приладу треба вибирати нижче кривої максимально допустимої потужності

PK max , що розсіюються колектором (пунктирна гіпербола на рисунку

7.6).

При UKБ >0 та IЕ >0 переходи транзистора вмикаються у прямому напрямі, і прилад переходить до режиму насичення. В цьому режимі різко зменшується IK , тому що зростає інжекційна складова колекторного струму, яка компенсує керовану, екстракційну складову.

Характеристики прямої передачі

Рисунок 7.7 – Сім’я характеристик прямої передачі БТ зі спільною базою

Вони грунтуються на рівняннях (6.10) або (7.3). З рівняння (7.3)

передачі можна одержати з сім’ї вихідних характеристик, фіксуючи

UKБ .

Характеристики зворотного зв’язку

Сім’я характеристик зворотного зв’язку

UEБ f (UКБ )/ IE const

показана на рисунку 7.18. При збільшенні UКБ зменшується активна

78

Рисунок 7.8 – Сім’я характеристик зворотного зв’язку БТ зі спільною базою

ширина бази транзистора , і за рахунок зростання градієнта концентрації дірок у базі (див. рисунок 7.4) зростає струм IЕ . Для підтримання його постійного значення, як того вимагають умови зняття характеристик, потрібно зростанням IЕ компенсувати зменшення напруги UEБ . Ця обставина зумовлює від’ємний нахил характеристик.

У базі транзистора зменшення UEБ приводить при збільшенні відновлення попереднього градієнта концентрації дірок, тобто нахилу графіка Pn f (x)(рисунок 7.9).

79

Рисунок 7.9 – Розподіл концентрації дірок у базі при знятті характеристик зворотного зв’язку БТ зі спільною базою

7.1.2 Статичні характеристики біполярного транзистора у схемі зі спільним емітером

Схему для заняття характеристик БТ в ССЕ показано на рисунку 7.10.

Рисунок 7.10 – Схема експериментального зняття характеристик БТ зі спільним емітером

Вхідні характеристики