5.3.1. Вольтамперные характеристики биполярного транзистора

Рассмотрим случай, когда на эмиттерный переход биполярного транзистора подано прямое U_эб, а на коллекторный – обратное смещение U_кб. Знаки приложенных напряжений дляn‑p‑nбиполярного транзистора:U_эб<0 (прямое смещение),U_кб> 0 (обратное смещение).

Включение по схеме с ОБ. Из соображений удобства измерения для построения ВАХ в качестве входных параметров выбираютI_э,U_кб. В этом случае входными характеристиками являются функции.

В качестве выходных параметров выбирают I_к,U_эб, а выходными характеристиками являются функции.

Построение входных характеристик.Семейство эмиттерных характеристикс параметромU_кбполучаем из (5.43а):

.

Это уравнение при больших обратных значениях U_кб приобретает вид:

. (5.44)

Графики функции (5.44) представлены на рис. 5.25, а. Видно, что при напряженииU_кб=0, уравнение входной характеристики представляет прямую ветвь ВАХ полупроводникового диода. При увеличении обратного напряжения график функции (5.44) смещается влево за счет возрастания тока эмиттера на величинуα_II_к0'.

Построение выходных характеристик.Сначала разрешим выражение (5.43а) относительно:

,

и подставим в формулу (5.43б) для I_к:

.

Проводя преобразования получаем:

.

С учетом (5.41) окончательно получим:

. (5.45)

Соотношение (5.45) описывает семейство коллекторных характеристик I_к = f(U_кб) с параметромI_э.

Формулы (5.44) и (5.45) описывают характеристики транзистора, представленные на рисунке 5.25.

Различают три режима работы транзистора:

1. Режим отсечки– обаp‑nперехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток;

2. Активныйрежим – один изp‑nпереходов открыт, а другой закрыт;

3. Режим насыщения– обаp‑nперехода открыты;

4. Режим пробоя– коллекторный переход пробивается.

В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором невозможно. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы.

Включение по схеме с ОЭ. Рассмотрим случай, когда на базовый переход биполярного транзистора подано прямоеU_бэ, а на коллекторный – обратное смещение U_кэ. Полярность напряжений на электродах дляn‑p‑nбиполярного транзистора имеет видU_бэ>0 (прямое смещение),U_кэ> 0.

В данном случае для построения ВАХ в качестве входных параметров выбирают I_б,U_кэ. Входными характеристиками являются функции.

В качестве выходных параметров выбирают I_к,U_кэ, а выходными характеристиками являются функции.

Построение входных характеристик.Семейство базовых характеристикс параметромU_кэполучаем из уравнения (5.43в), в котором следует произвести замену:

U_бк= U_бэ -U_кэ.^

В результате получаем искомое выражение:

, (5.46)

Графики функции (5.46) представлены на рис. 5.26, а. Видно, что при увеличении напряженияU_кэмежду выводами коллектора и эмиттера выражение (5.46) стремится к виду:

,

из которого следует, что ток базы I_бтранзистора, включенного по схеме с ОЭ, уменьшается при фиксированном значении напряженияU_бэ.

Построение выходных характеристик. Уравнение выходной характеристики получается из уравнений (5.43а) и (5.43б) после заменыU_бк= U_бэ -U_кэи исключения переменнойU_бэ. В результате, полагаяI_б>>I_к0, получим следующее выражение для выходной характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ:

, (5.47)

где - инверсный коэффициент усиления тока базы.

Соотношение (5.47) описывает семейство выходных характеристик I_к = f(U_кэ) с параметромI_б биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Графики семейства выходных ВАХ транзистора с ОЭ представлены на рисунке 5.26, б. При значениях напряженияU_кэ<(3…4)φ_тколлекторный ток нарастает почти линейно с ростом напряжения вплоть до значенийU_кэ=(0,08… 0,1) В. Этот участок выходной ВАХ называютучастком насыщения(областьIIIна рис. 5.26, б).

При дальнейшем увеличении напряжения U_кээкспоненциальные члены в выражении (5.47) стремятся к нулю и коллекторный токI_к=βI_бтеоретически перестает зависеть от напряженияU_кэ. В реальном транзисторе уравнение выходной характеристики аппроксимируется выражением (5.36):

, (5.48)

где - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Этот участок ВАХ (областьIIна рис. 5.26, б) соответствуетактивному режимуработы транзистора, на котором ток коллектораI_кизменяется пропорционально току базыI_б. Причем, вследствие конечной величины дифференциального сопротивления коллекторного перехода r_к*≈100…50 кОм для схемы с ОЭ наблюдается заметный наклон выходных характеристикI_к = f(U_кэ), что отражено на рис. 5.26, б.

Режиму отсечки(областьIна рис. 5.26, б) соответствует подача запирающих напряжений как на эмиттерный, так и на коллекторный переходы транзистора (то есть дляn-p-nтранзистораU_кэ>0 иU_бэ<0). ПосколькуI_б=0, то уравнение (5.48) приобретает вид:

,

где –обратный сквозной ток коллекторного перехода транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

При значительном увеличении напряжения U_кэ наступаетпробой коллекторного перехода, обозначенный на рис. 5.26, б как областьIV.

Сравнивая вольт‑амперные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, приведенные на рис. 5.26, аибс аналогичными характеристиками для биполярного транзистора в схеме с общей базой, можно видеть, что они качественно подобны.

Контрольные вопросы и упражнения

1. Нарисуйте физическую структуру и принцип действия МДП-транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом. Придумайте и начертите схему включения МДП-транзистора в качестве регулируемого резистора.

2. Нарисуйте физическую структуру и объясните принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

3. Нарисуйте физическую структуру и объясните принцип действия НО и НЗ полевого транзистора с барьером Шоттки на основе арсенида галлия.

4. Перечислите параметры полевых транзисторов.

5. Напишите выражение для расчета физической предельной частоты полевого транзистора.

6. Какие физические процессы оказывают влияние на величину порогового напряжения и напряжения отсечки полевого транзистора?

7. Перечислите физические процессы, происходящие в биполярных транзисторах, дайте их определение.

8. Приведите определения коэффициентов инжекции и переноса. Что такое коэффициент передачи тока эмиттера?

9. Нарисуйте схему включения биполярного транзистора с общей базой. С помощью физической структуры транзистора поясните распределение компонентов токов в структуре.

10. В чем заключается модуляции ширины базы? Приведите определение напряжения Эрли.

11. Приведите определения дифференциальных сопротивлений переходов биполярного транзистора.

12. Нарисуйте схему включения биполярного транзистора с общим эмиттером. С помощью физической структуры транзистора поясните распределение компонентов токов в структуре.

13. Найдите аналитическую связь между коэффициентом усиления тока базы β и коэффициентом передачи тока эмиттера α.

14. Нарисуйте схему замещения биполярного транзистора в соответствии с моделью Эберса-Молла.

15. Напишите математические выражения для токов в биполярном транзисторе в соответствии с моделью Эберса-Молла.

16. Нарисуйте и объясните графики входных и выходных ВАХ для биполярного транзистора, включенного по схеме с ОБ.

17. Нарисуйте и объясните графики входных и выходных ВАХ для биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

P-n переход

- инжекция 213

- обратное смещение 199

Барьер Шоттки 204

Биполярные транзисторы

- коэффициент обратной связи 226

- модель Молла-Эберса 231

- статические характеристики 233, 235

- схема с ОБ 218

- схема с ОЭ 228

Носители заряда

- неосновные 220

- неравновесные 217

Полевые транзисторы

- граничная частота усиления 208

- параметры 206

- с барьером Шоттки 203

- с изолированным затвором 193

- с управляющим p-n переходом 199

- статические характеристики 196, 197, 201

Эрли напряжение 226

Эффект

- модуляции ширины базы 223



^Это выражение следует из второго закона Кирхгофа: U_бк+U_кэ+U_эб=0