2 Семейства вольт-амперных характеристик биполярного транзистора

В общем случае параметры биполярного транзистора определяются его входными и выходными характеристиками.

Входные характеристики: I_ВХ = f(U_ВХ) при U_ВЫХ = соnst.

Выходные характеристики: I_ВЫХ = f(U_ВЫХ) при I_ВХ = соnst.

В приложении к конкретной схеме включения транзистора эти характеристики видоизменяются. Например, для схемы с ОЭ они имеют следующую форму записи:

- входные характеристики: I_Б = f(U_БЭ) при U_КЭ = соnst;

- выходные характеристики: I_К = f(U_КЭ) при I_Б = соnst.

На основе входных и выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ) БПТ иногда строятся, так называемые, производные семейства характеристик:

- характеристика передачи по току - I_К =f(I_Б) при U_КЭ = соnst (схема с ОЭ);

- характеристика обратной связи по напряжению – U_БЭ = f(U_КЭ) при I_Б = соnst (для схемы с ОЭ).

Входные ВАХ БПТ малой мощности изображены на рисунке 2.1а. Эти кривые подобны ВАХ полупроводникового диода. Входным параметром является напряжение между базой и эмиттером U_БЭ, выходным – ток базы I_Б.

Семейство выходных ВАХ транзистора в схеме с ОЭ представлено на рисунке 2.1 б. Штриховой линией (справа) обозначена область лавинного пробоя переходящая в тепловой. Очевидно, что и входные и выходные характеристики БПТ являются нелинейными. Граница перехода кривых тока коллектора на пологий участок определяет активный режим работы транзистора, левей расположен участок, где открываются оба p – n - перехода и наступает режим насыщения. Левая пунктирная кривая показывает начало выхода транзистора на активный режим (U_БК = 0). Режим отсечки соответствует области токов базы I_Б в области нулевых значений (нижняя пунктирная кривая). Рабочей считается область, расположенная между штриховыми линиями.

Особенностью входных характеристик в схеме ОЭ является различный характер зависимости тока базы от величины приложенного коллекторного напряжения I_Б = f(U_КЭ). Входным током в схеме ОЭ является ток рекомбинации в базе I_Б . При U_КЭ = 0 на коллекторном переходе действует небольшое внутреннее запирающее поле. При этом запорный (обедненный носителями заряда) слой коллекторного перехода распространен на некоторую глубину в сторону базы. Рекомбинация происходит в активной области, не занятой запорным слоем. При увеличении U_КЭ запорный слой расширяется за счет слаболегированной базы (так называемый эффект Эрли), активная область которой сужается и число рекомбинировавших пар уменьшается, следовательно, уменьшается ток базы, что можно увидеть на входной характеристике (см. рисунок 2.1 а). Этот процесс называется модуляцией (изменением) ширины базы. Эффект модуляции имеет место для выходных напряжений в пределах U_КЭ  35 В.

а

б

а – входные характеристики; б – выходные характеристики

Рисунок 2.1 – ВАХ биполярного транзистора для схемы включения с ОЭ

Используя входные ВАХ можно рассчитать статическое и динамическое входные сопротивления. Первое характеризует входное сопротивление транзистора по постоянному току, второе – по переменному:

;

Что касается выходных характеристик (см. рисунок 2.1 б), то на них можно выделить три участка. Первый выделяется резким ростом тока коллектора I_К при малых напряжениях между коллектором и эмиттером U_КЭ, второй наоборот – пологий, значительное приращение напряжения U_КЭ дает небольшое увеличение тока I_К и третий – участок лавинного пробоя, сопровождающийся ростом I_К при относительно небольших изменениях U_КЭ.

Наличие крутого участка объясняется тем, что при малых значениях U_КЭ в начальной части семейства выходных характеристик U_КЭ < U_БЭ , коллекторный переход включен в прямом направлении, его дифференциальное сопротивление (сопротивление смещенного в прямом направлении коллекторного перехода) мало и через него течет прямой ток навстречу току инжектированных из эмиттера носителей. Большой наклон участка вызывается тем, что в данной схеме включения коллекторное напряжение U_КЭ оказывается частично приложенным к эмиттерному переходу, вызывая его дополнительное смещение (U_КЭ открывает эмиттерный переход).

При анализе работы транзисторных каскадов физические схемы транзисторов часто заменяют более удобными на практике эквивалентными схемами в h – параметрах.

Эквивалентная схема в h – параметрах отражает зависимость выходного тока I₂ и входного напряжения U₁ от входного тока I₁ и выходного напряжения U₂ транзистора в определенной схеме включения, представляя ее как некоторый четырехполюсник. Соотношения токов и напряжений четырехполюсника представляются соотношениями:

где U₁ и U₂ – изменения входного и выходного напряжений соответственно; I₁ и I₂ - изменения входного и выходного токов.

Система уравнений может конкретизироваться при изменение схемы включения транзистора. Например, для схемы с ОЭ она примет вид:

.

Коэффициенты в системе уравнений имеют физический смысл по отношению к конкретной схеме включения транзистора. Их определяют экспериментально, проводя опыты короткого замыкания на выходе и обратного холостого хода на входе. Для короткого замыкания на выходе (U_КЭ = 0):

- входное сопротивление каскада;

- коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ.

При обратном холостом ходе:

- коэффициент обратной связи по напряжению (обратная величина коэффициенту усиления по напряжению)

- дифференциальная проводимость цепи коллектора.

На практике h – параметры используют в расчетах транзисторных каскадов на низких и средних частотах.

Схема замещения транзисторного каскада с ОЭ в h – параметрах изображена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Эквивалентная схема замещения БПТ с ОЭ в h - параметрах

Рисунок 3.1 – Принципиальная схема для исследования характеристик биполярного транзистора