диффузионного тока в базе, а также влияет на условия работы эмиттерного перехода.

При достаточно больших напряжениях на коллекторном переходе ОПЗ может достигнуть границы ОПЗ эмиттерного перехода, что эквивалентно нулевой ширине области базы (w = 0). Произойдет так называемое смыкание переходов. При этом потенциальный барьер эмиттерного перехода уменьшается и происходит резкое возрастание тока коллектора. По внешним

признакам смыкание напоминает пробой в коллекторном переходе или короткое замыкание между коллектором и эмиттером.

11.5. Статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора

Статические ВАХ используются для определения параметров транзисторов и расчета транзисторных схем. Они отражают зависимость между токами и напряжениями на его выходе и входе.

Существуют четыре вида статических характеристик транзистора:

∙входные, связывающие величины I и U на входе транзистора;

∙выходные, связывающие I и U на выходе транзистора;

∙характеристики прямой передачи, дающие зависимость I или U на выходе от I или U на входе;

∙характеристики обратной связи, выражающие зависимость I или U на входе от I или U на выходе.

(рис. 11.9, а) практически идентична обычной характеристике n-р перехода.

Рис. 11.9. Входные (а) и выходные (б) статические вольтамперные

характеристики биполярного транзистора в схеме с ОБ

В активном режиме смещение характеристик вверх обусловлено эффектом Эрли. При постоянном токе Iэ градиент концентрации электронов в

204

базе dn/dx должен остаться постоянным. Так как с увеличением Uкб

возрастает толщина коллекторного перехода и уменьшается толщина активной области базы на w, то для выполнения dn/dx = const необходимо уменьшить концентрацию электронов у эмиттерного перехода, а следовательно, и напряжение на эмиттерном переходе Uэб.

Область выходных ВАХ (рис. 11.9, б) при Uкб > 0 соответствует активному режиму работы транзистора, при Uкб < 0 транзистор находится в режиме насыщения. При Iэ = 0 (обрыв цепи эмиттера) коллекторный ток снижается до значения Iк0. Транзистор находится в режиме отсечки.

При смене полярности коллекторного напряжения (т.е. при подаче на коллектор прямого напряжения) ток Iк резко падает до нуля, меняет свое направление и уже при нескольких десятых долях вольта быстро возрастает, что может привести к выходу транзистора из строя. При достаточно больших напряжениях Uкб возможно лавинное размножение носителей и пробой в коллекторном переходе.

Наибольшее распространение в полупроводниковых схемах нашло включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером. Типичные ВАХ для схемы ОЭ показаны на рис. 11.10.

а) б)

Рис. 11.10. Входные (а) и выходные (б) статические вольтамперные

характеристики биполярного транзистора в схеме с ОЭ

В схеме ОЭ (рис. 11.10, а) входные характеристики в случае Uкэ > 0 пересекают ось абсцисс при Uб > 0, при этом результирующий ток Iб меняет свое направление. Зависимость входного тока Iб от коллекторного напряжения Uкэ в схеме ОЭ обратна соответствующей зависимости в схеме ОБ, т.е. с повышением Uкэ характеристики смещаются вправо.

Сравнение выходных характеристик (рис. 11.10, б) с соответствующими характеристиками схемы ОБ показывает, что:

∙ во-первых, напряжение Uкэ, которое показывает вольтметр в коллекторной цепи транзистора, уже не будет приложенным к коллекторному переходу, а представляет собой разность

205

напряжений между коллектором и эмиттером, причем Uкэ = −Uкб + Uбэ, где Uбэ − напряжение, приложенное к эмиттерному переходу;

∙во-вторых, крутизна пологих участков выходных характеристик в схеме ОЭ больше, чем в схеме ОБ.

Постоянство тока базы в схеме с ОЭ определяется постоянством общего количества неосновных носителей в базе, т. е. графически постоянством площади под кривой n = f(х).

11.6. Частотные характеристики биполярного транзистора

С ростом частоты усилительные свойства транзистора ухудшаются. Это означает, что уменьшается усиление, падает выходная мощность, появляется фазовый сдвиг, т. е. запаздывание выходного тока по отношению к входному.

На диапазон рабочих частот транзисторов оказывают влияние следующие параметры:

∙время пролета неосновных неравновесных носителей в области базы от эмиттерного перехода до коллекторного;

∙емкости эмиттерного Сэ и коллекторного Ск переходов;

∙объемное сопротивление базы гб, определяемое ее геометрическими

размерами.

Диффузионный характер распространения неравновесных электронов в базовой области приводит к дисперсии времени их прибытия к коллекторному переходу. С ростом частоты из-за этого уменьшается амплитуда сигнала на выходе транзистора, а следовательно, и коэффициент передачи тока.

Допустим, что в момент поступления на вход транзистора

положительного полупериода сигнала через эмиттерный переход инжектируется большое число электронов. Часть из них быстро достигает коллекторного перехода; другая же часть, двигаясь по более длинному пути, задерживается. При высокой частоте сигнала, когда среднее время перемещения электронов в базовой области сравнимо с его периодом, положительный полупериод быстро сменяется отрицательным. В течение

действия отрицательного полупериода число инжектированных электронов уменьшится, и часть их дойдет до коллекторного перехода одновременно с запоздавшими дырками от положительного полупериода. В результате этого сигнал на выходе транзистора получится усредненным, а усилительный эффект и коэффициент α уменьшатся.

Частота, на которой амплитуда выходного тока по отношению к

входному снижается в 2 раз, эту частоту называют предельной частотой усиления транзистора по току. В общем случае, предельная частота определяется геометрическими параметрами базовой области,

206

коэффициентом диффузии носителей в базе и постоянной времени перезарядки коллекторного перехода:

где rб – сопротивление базовой области на данной частоте, Ск – емкость коллекторного перехода.

Чем больше толщина базовой области и, следовательно, чем больше среднее время пролета базы электронами, тем сильнее проявляется запаздывание носителей и тем меньше коэффициент передачи тока. Время τα

соответствует примерно периоду колебания напряжения переменной частоты ω = 1/τα, которое транзистор еще усиливает. При частотах входного сигнала больше предельных значений работа транзистора нарушается полностью, он перестает усиливать мощность.

Пример частотных зависимостей коэффициентов передачи тока в схемах с ОБ и ОЭ приведен на рис. 11.12. Для схемы с ОЭ характеристическое время τp будет в (β+1) раз больше, а характеристическая частота ωβ в (β+1) раз ниже, т.е. спад коэффициента передачи по току с частотой будет происходить быстрее.

Рис. 11.12. Частотная зависимость модуля коэффициентов передачи по току в схеме ОБ (α) и ОЭ (β)

Контрольные вопросы

1.Какие схемы включения биполярных транзисторов вы знаете?

2.В какой из этих схем можно получить наибольшее усиление по мощности?

3.Почему обратный ток коллектора биполярного транзистора при замкнутых электродах эмиттера и базы больше, чем при разомкнутых?

207