5.4. Статические характеристики транзистора

Взаимозависимость токов и напряжений на входе и выходе транзистора может быть выражена семействами статических харак­теристик. Из всех возможных характеристик наибольшее распростра­нение получили входные и выходные характеристики. Из них могут быть получены все сведения, необходимые для практического ис­пользования транзисторов.

Статические характеристики в схеме ОБ. Выходные (или коллек­торные) характеристики представляют зависимость тока коллектора от напряжения коллектора при постоянном токе эмиттера:

На рис.5.5,а приведены выходные характеристики маломощного транзистора. Для транзистора р-п-р типа ток I_К и напряжение U_КБ отрицательны, для транзистора п-р-п типа - положительны. Однако характеристики принято изображать в первом квадранте для обоих типов без учета полярности токов и напряжений. Каж­дая выходная характеристика - это обратная ветвь вольт-амперной характеристики коллекторного р-п перехода, смещенная на вели­чину I_Э, и в соответствии с (5.6) ток I_K не зависит от на­пряжения U_КБ. Практически же ток коллектора немного увеличива­ется с ростом напряжения U_КБ и характеристики имеют незначи­тельный наклон.

а б

Рис. 5.5

Рост тока коллектора с ростом напряжения обус­ловлен модуляцией толщины базы (эффектом Эрли). Модуляция тол­щины базы - уменьшение толщины базы при увеличении напряжения на коллекторном переходе, смещенного в обратном направлении. Ширина коллекторного перехода увеличивается при увеличении U_КБ. Расширение коллекторного пе­рехода идет в основном в сторону базы и уменьшает ее толщину. Уменьшение вызывает ряд дополнительных явлений, одним из кото­рых является увеличение, в соответствии с (5.5), коэффициента  (при этом уменьшается доля некомбинированных в базе дырок). Увеличение  и обусловливает рост тока коллектора (наклон характеристик) при увеличении U_КБ. Наклон выходных характе­ристик учитывают введением дифференциального сопротивления коллекторного перехода параллельно коллекторному переходу.

(5.11)

Величина α при этом считается не изменяющейся. Усредняя r_K , можно харак­теризовать семейство выходных характеристик ОБ достаточно стро­гим соотношением /3/:

(5.12)

На практике последний член в (5.12) часто не учитывают (ввиду его малости) и пользуются упрощенным выражением (5.6).

Пример 5.1. Вычислить величину r_K по построениям

приращений на рис.5.5.

Решение: .

ΔU_КБ = 14В – 4В = 10В. ΔI_К ≈ 0,1мА.

Особенностью выходных характеристик ОБ является сохране­ние тока неизменным при уменьшении U_КБ до 0. При этом экстрак­ция всех подошедших к коллекторному переходу дырок осуществля­ется внутренним полем перехода (потенциальным барьером) и ток коллектора не уменьшается. Уменьшить ток I_K до нуля можно, только изменив полярность напряжения U_КБ, как показано пункти­ром (см. рис.5.5,а).

Входные (или эмиттерные) характеристики представляют за­висимость тока эмиттера от напряжения эмиттера при постоянном напряжении на коллекторном переходе:

На рис.5.5,б приведены входные характеристики маломощного транзистора. Входная характеристика при U_КБ = 0 - это прямая ветвь вольт - амперной характеристики эмиттерного перехода. При увеличении напряжения U_КБ вход­ные характеристики смещаются в сторону оси тока I_Э. Одной из при­чин этого смещения является та же модульная ширина базы, кото­рая при постоянном токе эмиттера приводит к уменьшению напряже­ния U_ЭБ, а при постоянном U_ЭБ - к увеличению I_Э. Ток I_Э и на­пряжение U_ЭБ для p-n-p транзистора положительны.

Статические характеристики в схеме ОЭ. Выходные характерис­тики представляют собой зависимость тока коллектора I_К от на­пряжения между коллектором и эмиттером U_КЭ при постоянном токе базы:

На рис.5.6,а приведены выходные характеристики ОЭ того же транзистора, что и характеристики на рис.5.5,а. Это тоже обрат­ные ветви коллекторного перехода, смещенные в соответствии с (5.9) на величину  I_Б.

а б

Рис. 5.6

Модуляция толщины базы в схеме ОЭ обус­ловливает больший наклон выходных характеристик, чем в схеме ОБ, по причине взаимодействия с эмиттерным переходом: приращения то­ка коллектора проходят через эмиттерный переход, вызывают пони­жение потенциального барьера, инжекцию дырок из эмиттера в базу, диффузию и экстракцию. Результирующее приращение будет больше первоначального в (I +) раз (точно также, как I_K0 увеличива­ется до I^*_Ко = (1+)I_Ко). Следовательно, дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме ОЭ

(5.13)

будет в (1+) раз меньше, чем в (5.11):

(5.13`)

С учетом наклона характеристик и усредняя r^*_К, выходные характеристики ОЭ могут быть описаны более строгим соотношением (подобным (5.12) для ОБ):

(5.14)

где – усредненное значение сопротивления коллекторного перехода, которое можно определить, экстраполируя коллекторные характеристики транзистора (начиная с U_КЭ = 0) (см. рис.5.6,а).

. (5.13``)

Пример 5.2. По приращениям на рис.5.6 вычислить r^*_К

при U_КЭ=12В.

Решение: ΔU_КЭ = 12В – 6В = 6В, ΔI_К ≈ 0,5мА.

.

Минимальное значение тока I_K, равное I_K0, получается при токе базы, равном -I_K0, следовательно, при изменении тока базы от 0 до -I_K0 транзистор в схеме ОЭ управляется обратным током базы (эмиттерный переход при этом остается смещенным в прямом направлении вследствие смещения входной характеристики), однако этот диапазон токов мал (между характеристиками с I_K = I_K0 и I_K = I^*_Ко) и практическое значение его весьма незначительно. На практике последним членом в (5.14) также иногда пренебрега­ют (но здесь это пренебрежение дает большую ошибку, чем в ОБ, поэтому не всегда может быть принято) и используют упрощенное соотношение (5.9).

Выходные характеристики ОЭ расположены полностью в первом квадранте, и практически все характеристики проходят через нуль. Обусловлено это тем, что напряжение на коллекторном переходе всегда меньше выходного U_КЭ на величину напряжения между ба­зой и эмиттером U_БЭ. Поэтому нулевое смещение на коллекторном переходе, соответствующее оси токов на рис.5.5,а (U_КБ = 0), достигается при ненулевом U_КЭ, равном по величине U_БЭ (U_БЭ измеряется десятыми долями вольта). При нулевом же выходном на­пряжении U_КЭ коллекторный переход оказывается уже смещенным в прямом направлении (при этом оба перехода включены параллельно) и появившийся ток инжекции коллекторного перехода направлен встречно току экстракции. Результирующий ток I_К при этом прак­тически равен нулю. Ток I_K и напряжение U_КЭ для p-n-p транзис­тора отрицательны.

Входные характеристики ОЭ представляют собой зависимость тока базы от направления между базой и эмиттером U_БЭ при посто­янном выходном напряжении U_КЭ:

На рис.5.6,б приведены входные характеристики того же транзис­тора. По виду они аналогичны входным характеристикам ОБ (см. рис.5.5,б). Входное напряжение ОЭ по величине равно входному напряжению ОБ, лишь полярность его противоположная (U_БЭ = -U_ЭБ). Однако входной ток ОЭ (I_Б) в (1+ ) меньше тока I_Э. При уве­личении напряжения U_КЭ входная характеристика смещается в сторо­ну оси напряжений. Одной из причин этого смещения также является модуляция толщины базы. Ток I_Б напряжение U_БЭ для транзистора р-п-р отрицательны.