8.5. Статические характеристики, номинальные и предельные параметры биполярных транзисторов при различных схемах включения

Если обозначить напряжение и ток входного электрода транзистора через и, а напряжение и ток выходного – черези, то взаимосвязь этих четырех величин можно выразить двадцатью четырьмя семействами характеристик, образующих шесть систем:

Из четырех возможных семейств характеристик каждой системы, которые связывают между собой четыре величины: , два семейства являются основными, а два – второстепенными. Их можно получить из основных путем перестроения. В качестве основных удобно выбирать семейства характеристик, связывающих ток и напряжение на входе –входные характеристики– и ток и напряжение на выходе –выходные характеристики. Другие два семейства характеристик являются следствием входных и выходных. Семейства характеристик, которые связывают токи или напряжения на выходе с токами или напряжениями на входе, называютсяхарактеристиками передачи, а семейства характеристик, которые связывают токи или напряжения на входе с токами или напряжениями на выходе, называютсяхарактеристиками обратной связи.

Из шести систем статических характеристик наиболее широкое распространение получила третья система

(8.51)

причем обычно строят

(8.52)

Важным преимуществом такой системы является то, что при исследовании статических характеристик в качестве независимых переменных берут ток на входе и напряжение на выходе транзистора. В схемах с общим эмиттером и с общей базой входной ток проходит через открытый эмиттерный переход, сопротивление которого мало, так что поддерживать заданное значение тока на входе удобно, включив последовательно относительно большое сопротивление. Необходимые напряжения на выходе поддерживаются постоянными, если выходную цепь питать от источника напряжения. На практике это осуществить легко, поскольку выходная цепь транзистора обладает высоким сопротивлением.

Кроме того, система уравнений (8.52) соответствует наиболее распространенной системе малосигнальных - параметров, которая в свою очередь имеет ряд преимуществ перед другими системами малосигнальных параметров.

Характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой

Семейство выходных статических характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой, приведено на рис. 8.17, где - напряжение открытогоpn–перехода.
	Рис. 8.17

Общий характер этих зависимостей аналогичен обратной ветви ВАХ диода, так как коллекторный переход включен в обратном направлении.

Смещение выходных статических характеристик вверх в выбранной системе координат при увеличении тока эмиттера соответствует принципу действия транзистора.

Через коллекторный переход проходит ток и при напряжении на коллекторе, равном нулю, т.е. при коротком замыкании коллектора с базой. Это связано с наличием градиента концентрации неосновных носителей заряда в базе транзистора при инжекции носителей из эмиттера, т.е. при существовании тока эмиттера. Чтобы ток коллектора стал равным нулю, на коллектор должно быть подано прямое напряжение (работа в режиме насыщения).

Семейство входных статических характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой, приведено на рис. 8.18. Общий характер этих зависимостей определяется эмиттерным переходом, включенным в прямом направлении. Поэтому
	Рис. 8.18

по внешнему виду входные характеристики похожи на прямые ветви ВАХ диода.

Смещение входных статических характеристик влево в выбранной системе координат при увеличении абсолютного значения напряжения на коллекторе объясняется тем, что напряжение на коллекторе влияет на концентрацию носителей заряда около него и изменяет толщину базы. Это приводит к увеличению градиента концентрации неосновных носителей в базе с увеличением абсолютного значения напряжения на коллекторе при постоянном напряжении на эмиттере. Следовательно, с увеличением абсолютного значения напряжения на коллекторе и при постоянном напряжении на эмиттере возрастает ток эмиттера, т.е. характеристики смещаются влево.

Через эмиттерный переход проходит ток и при напряжении на эмиттере, равном нулю (короткое замыкание). Чтобы ток эмиттера стал равным нулю, на эмиттер должно быть подано обратное напряжение (работа в режиме отсечки).

Семейство статических характеристик передачи тока транзистора, включенного по схеме с общей базой, приведено на рис. 8.19. Общий характер этих зависимостей свидетельствует о том, что в транзисторе .
	Рис. 8.19

Характеристики в первом приближении можно считать прямыми линиями. В действительности коэффициент передачи постоянного тока эмиттера зависит от величины тока эмиттера. Смещение статических характеристик передачи вверх при увеличении напряжения на коллекторе связано с уменьшением рекомбинации дырок при их прохождении через более тонкую базу. При напряжении на коллекторе, отличном от нуля, характеристики передачи тока выходят не из начала координат, а из точек на оси ординат, соответствующих обратному току коллектора .

Семейство статических характеристик обратной связи транзистора, включенного по схеме с общей базой, приведено на рис. 8.20. Эти характеристики могут быть легко получены из семейства входных статических характеристик (рис. 8.18) путем графического перестроения.
	Рис. 8.20

Характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером

Семейство входных статических характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, приведено на рис. 8.21. Общий характер этих зависимостей аналогичен характеру подобных характеристик транзистора, включенного по схеме
	Рис. 8.21

с общей базой, так как ток базы является суммой обратного тока коллектора и рекомбинационной составляющей, которая примерно пропорциональна току эмиттера и представляет собой малую часть тока эмиттера.

Смещение входных статических характеристик вправо при увеличении абсолютного значения напряжения на коллекторе связано с уменьшением общего количества неосновных носителей заряда в базе и, следовательно, с уменьшением количества рекомбинирующих носителей. Поэтому уменьшается составляющая тока базы, обусловленная рекомбинацией, при постоянном напряжении между базой и эмиттером.

При наличии напряжения на коллекторе и токе базы, равном нулю, на выводе базы существует напряжение, которое объясняется падением напряжения на сопротивлении эмиттерного перехода. Поэтому входные статические характеристики для схемы с общим эмиттером заходят в четвертый квадрант при .

Семейство выходных статических характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, приведено на рис. 8.22

Общий характер этих зависимостей аналогичен характеру обратной ветви ВАХ диода, так как большая часть напряжения источника питания выходной цепи падает на коллекторном переходе, включенном в обратном направлении.

Рис. 8.22

Однако в отличие от выходных характеристик схемы с общей базой выходные характеристики схемы с общим эмиттером имеют значительно больший наклон, т.е. наблюдается большая зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе. Это объясняется тем, что с увеличением напряжения на коллекторе при постоянном токе базы увеличивается ток эмиттера и соответственно растет ток коллектора. Смещение выходных статических характеристик вверх связано с увеличением тока эмиттера при условии постоянства напряжения на коллекторе и увеличения тока базы. Необходимо отметить различное расстояние между выходными характеристиками по оси токов при равных приращениях тока базы.

При малых токах базы кривые располагаются часто, при больших токах базы – редко, а затем опять часто. Неравномерность расположения характеристик связана с изменением коэффициента передачи постоянного тока базы при изменении тока (рис. 8.23)
	Рис. 8.23

В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, ток превосходит токдля схемы с общей базой. Объясняется это тем, что при токе базы, равном нулю, и при подаче напряжения на коллектор относительно эмиттера эмиттерный переход оказывается включенным под небольшое прямое напряжение. Поэтому обратный ток коллектора из-за инжектированных из эмиттера в базу дырок увеличивается.

При напряжении на коллекторе, равном нулю, т.е. при коротком замыкании коллектора с эмиттером, и при наличии тока базы коллекторный переход оказывается включенным в прямом направлении, так как он, по существу, включен параллельно эмиттерному переходу. При ииз эмиттера происходит инжекция дырок, что обеспечивает в базе около коллектора их концентрацию, превосходящую равновесное значение. Если концентрация неосновных носителей заряда в базе около перехода превышает равновесную, то это соответствует прямому включению перехода. Таким образом, транзистор работает в режиме насыщения при напряжении на коллекторе, равном нулю, и даже при небольшом запирающем напряжении на коллекторе относительно эмиттера.

Токи в базе транзистора направлены так, что создаваемое ими падение напряжения запирает наиболее удаленные от вывода базы части коллекторного и эмиттерного переходов. Вследствие этого даже тогда, когда средняя часть коллекторного переходу уже запирается, его периферические области еще остаются открытыми и через них проходит ток к выводу базы. В результате ток эмиттера замыкается не через внешний вывод коллектора, а через область коллектора и вывод базы. Такое явление приводит к росту напряжения, при котором транзистор выходит из режима насыщения. Диапазон этих значений напряжения коллектора тем больше, чем больше ток базы. Соответственно выходные статические характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером при малых напряжениях на коллекторе и при заходят в четвертый квадрант.

Семейство статических характеристик передачи тока транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, приведено на рис. 8.24. Общий характер этих зависимостей свидетельствует о том, что в транзисторе .
	Рис. 8.24

В связи с большой зависимостью коэффициента передачи тока базы от режима работы транзистора эти характеристики отличаются большей нелинейностью.

Смещение статических характеристик передачи тока вверх при увеличении напряжения на коллекторе также более значительно по сравнению со смещением подобных характеристик схемы с общей базой, так как связано в данном случае не с уменьшением рекомбинации дырок при уменьшении толщины базы, а с увеличением тока эмиттера при постоянном токе базы.

При характеристики передачи тока выходят не из начала координат, а из точек на оси ординат, соответствующих токам.

Семейство статических характеристик обратной связи транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, приведено на рис. 8.25. Эти характеристики могут быть легко получены из семейства входных статических характеристик (рис. 8.21) путем графического перестроения.
	Рис. 8.25

Как и для диодов, параметры транзисторов подразделяются на параметры, имеющие предельно (максимально и/или минимально) допустимые значения и параметры, значения которых характеризуют свойства транзисторов (характеристические или номинальные).

Биполярные транзисторы – приборы универсального назначения и могут использоваться не только в классе схем, для которых они разработаны, но и во многих других. Однако наилучшие результаты достигаются при использовании транзисторов по их основному назначению. Набор параметров и характеристик, содержащихся в паспорте прибора и в справочниках, соответствует их основному назначению.

Характеристические параметры подразделяются на основные и дополнительные (справочные). Например, для усилительных низкочастотных транзисторов малой мощности основными параметрами являются:

- обратный ток коллектора при разомкнутой цепи эмиттер – база и заданном значении;

или- коэффициент передачи тока базы для малого сигнала при заданных значенияхи;

- граничная частота передачи тока в схеме с общим эмиттером, при которой;

- напряжение насыщения коллектор – эмиттер при заданном токе;

- входное сопротивление в режиме малого сигнала в схеме с общей базой при заданныхи.

Предельно допустимые параметры включают в себя:

- предельно допустимые значения напряжений ,,;

- предельно допустимые значения токов ,;

- предельно допустимые значения температур перехода (коллекторного) , корпуса, окружающей среды;

- предельно допустимое значение мощности рассеиваемой транзистором.

Предельно допустимые значения токов и напряжений определяются для каждой схемы включения и ограничивают рабочую область на вольтамперных характеристиках по токам и напряжениям (рис. 8.26).

для схемы с общим эмиттером
для схемы с общей базой
Рис. 8.26

Необходимость обеспечения иопределяет выбор элементови:должно быть(обычноне более), адолжно быть таким, чтобы. Тогда базовые схемы включения биполярного транзистора имеют вид, приведенный на рис. 8.27.

с общим эмиттером	с общей базой	с общим коллектором
Рис. 8.27

Все статические параметры биполярных транзисторов зависят от температуры. Поскольку для любой схемы включения и каждая из составляющих правой части этого выражения зависит от температуры, то изависит от температуры. В связи с этим в справочниках указываются предельно допустимые температуры. Обычно для германиевых транзисторов, для кремниевых -.

Изменение температуры приводит к смещению входных и выходных вольтамперных характеристик транзисторов. Для примера характер смещения характеристик для схемы с общим эмиттером приведен на рис. 8.28.

Рис. 8.28

Основными источниками температурных погрешностей в биполярных транзисторах являются:

- смещение входных характеристик, которое может быть учтено аналитически в соответствии с выражением , где;- нормальное значение температуры, для которого приводятся данные в справочниках (обычно);- текущее значение температуры, для которого осуществляется расчет;

- температурная зависимость коэффициента передачи тока (рис. 8.29), которая в инженерных расчетах полагается практически линейной; - температурная зависимость теплового тока коллектора, которая для германиевых транзисторов
	Рис. 8.29

описывается выражением , а для кремниевых -, но, поскольку, то для германиевых транзисторов температурная зависимостьболее существенна.

Наибольшая допустимая мощность , рассеиваемая в транзисторе, зависит от температурыкорпуса прибора, где- тепловое сопротивление «переход - корпус», приводимое в справочниках, или температурыокружающей среды, где- тепловое сопротивление «переход - среда». С учетом наличия тепловой зависимостирабочая область транзистора, одной из границ которой является гипербола максимально допустимой мощности на вольтамперных характеристиках, сужается (рис. 8.28).

В заключение рассмотрения основных параметров биполярных транзисторов можно привести таблицу 8.2, являющуюся расширением таблицы 8.1, и дополненную конкретными числовыми значениями параметров низкочастотного маломощного транзистора МП39Б.

Таблица 8.2
Параметр		Общая база	Общий эмиттер	Общий коллектор
Rвх	h-параметр
	физ.параметр
	числ.знач	от ед.до 100 Ом	2103 Ом	105 Ом
Rвых	h-параметр
	физ.параметр
	числ.знач	103 кОм	20 кОм	0,1 кОм
KI	h-параметр
	физ.параметр
	числ.знач	0,98	49	50
KU	h-параметр
	физ.параметр
	числ.знач	49	49	1
KP	формула
	физ.параметр
	числ.знач	48	2500	50
	h-параметр
	числ.знач	+410-4	-1610-4	-1
Iк0	формула	Iкб0	Iкэ0= Iкб0(1+)	Iкб0
	числ.знач	2 мкА	100 мка	2 мкА
fгр	формула
	числ.знач	1 МГц	210-2 МГц	1 - 10 МГц

Сравнение параметров и свойств схем включения позволяет сделать следующие выводы.

Схема с общей базой.Обладает самым низкимR_вхи самым высокимR_вых. Не обладает усилением по току (повторитель тока), но обеспечивает усиление по напряжению и по мощности. Обладает высокой термостабильностью, токI_к0мал. При построении многокаскадных схем требуются согласующие устройства, поэтому используется чаще всего не в многокаскадных, а в специальных схемах (например, схемах логических элементов). Обладает хорошими частотными свойствами.

Схема с общим эмиттером. Обеспечивает максимальную передачу мощности. Имеет сопоставимыеR_вхиR_вых, что удобно при составлении многокаскадных схем. В силу малой термостабильности (имеет максимальный токI_к0) схема используется с элементами термостабилизации режима.

Схема с общим коллектором. Обладает максимальнымR_вхи минимальнымR_вых. Не обладает усилением по напряжению (K_U=1 - повторитель напряжения). Имеет стопроцентную отрицательную обратную связь по напряжению, что обеспечивает повышенную температурную стабильность. Используется в качестве устройств согласования, например, на входах и выходах усилителей.