3. Параметри та режими роботи біполярних транзисторів

Для розрахунку та аналізу роботи електронних схем, в яких основним елементом є біполярний транзистор, користуються його заступною схемою у вигляді чотириполюсника, основні властивості якого відповідають загальній теорії електричних кіл. Така заступна схема зображена на рис. 2.8. Для схеми увімкнення транзистора зі спільним емітером вхідними параметрами чотириполюсника є струм і напруга бази, а вихідними – струм і напруга колектора. Існують параметри , які характеризують зв’язок між вхідними і вихідними струмами і напругами чотириполюсника. Якщо надати вхідній напрузі приросту ΔU_Б і вхідному струмові приросту ΔІ_Б , то відповідно зростуть вихідний струм ΔІ_К та вихідна напруга ΔU_К. Вважаючи незалежними змінними вхідний струм ΔІ_Б і вихідну напругу ΔU_К, за рівняннями чотириполюсника (2.5) - (2.6) можна визначити вхідну напругу ΔU_Б і вихідний струм ΔІ_К:

Рис. 2.8. Заступна схема транзистора у вигляді чотириполюсника

Коефіцієнти h₁₁ , h₁₂ , h₂₁ та h₂₂ , що входять до системи рівнянь, називаються h – параметрами транзистора. Кожен з цих параметрів має фізичний зміст. Якщо вважати незмінною вихідну напругу U_К=const (ΔU_К=0), то із системи рівнянь визначимо:

│U_К=const – вхідний опір транзистора;

│U_К=const – коефіцієнт передачі струму.

Якщо вважати незмінним вхідний струм І_Б=const (ΔІ_Б=0), то із системи рівнянь визначимо наступні h – параметри:

│ І_Б=const – коефіцієнт внутрішнього зворотного зв’язку;

│ І_Б=const – вихідна провідність транзистора.

Значення h – параметрів транзистора визначають, користуючись вхідними та вихідними статичними характеристиками. За допомогою вхідних характеристик для U_К=const визначають вхідний опір транзистора h₁₁, а за умови І_Б=const – коефіцієнт внутрішнього зворотного зв’язку h₁₂.

За допомогою вихідних характеристик для U_К=const знаходимо коефіцієнт підсилення струму h₂₁, а для І_Б=const – вихідну провідність h₂₂.

Всі h – параметри визначають на лінійних ділянках статичних характеристик. Наприклад, для визначення коефіцієнта h₁₁ (рис. 2.7, а) необхідно на лінійній частині вхідної характеристики вибрати точку і відносно неї надати приросту ΔU_Б і визначити відповідний приріст ΔІ_Б.

Користуючись числовими значеннями, поданими на графіку вхідної характеристики, для U_К = -5 В = const знаходимо:

Ом.

Для визначення коефіцієнта h₂₁ користуються вихідними характеристиками. Вважаючи U_К=const (наприклад, 10 В) і надаючи приросту струму ΔІ_Б (наприклад, від 250 до 300 мкА), знаходимо відповідний приріст струму колектора ΔІ_К ( від 62 до 72 мА) і розраховуємо коефіцієнт

Подібним чином знаходять інші h – параметри за допомогою статичних характеристик.

Залежно від полярності напруг, прикладених до емітерного та колекторного переходів, розрізняють чотири режими роботи транзистора:

а) активний режим. До емітерного переходу прикладено пряму напругу, а до колекторного – зворотну. Цей режим є основним і в ньому проявляються підсилювальні властивості транзистора. Власне, такий режим роботи ми розглянули, аналізуючи роботу біполярного транзистора;

б) режим відсічки. У цьому режимі до обох переходів прикладено зворотну напругу. Внаслідок цього струм у переходах транзистора незначний і визначається лише рухом неосновних носіїв зарядів. Це практично закритий стан транзистора. На графіках вихідних характеристик цей режим відповідає ділянці, яка розміщена нижче характеристики, що відповідає струмові І_Б =0;

в) режим насичення. У цьому режимі обидва переходи перебувають під дією прямої напруги. Струм у вихідному колі транзистора максимальний і не регулюється струмом вхідного кола. Транзистор повністю відкритий. Це відповідає такому стану, коли |U_KE|<|U_БЕ|. На вихідних статичних характеристиках цей режим відповідає ділянці від U_KE=0 до |U_KE|= |U_БЕ|, тобто початковій ділянці цих характеристик;

г) інверсний режим. У цьому режимі до емітерного переходу прикладено зворотну напругу, а до колекторного – пряму. Тобто тут емітер і колектор помінялися функціями. Це ненормальний режим експлуатації транзистора і він, як правило, виходить з ладу.

До експлуатаційних параметрів, які визначають можливість використання біполярних транзисторів у схемах електроніки, належать:

1. максимально допустимий постійний струм колектора І_{К макс} ;

2. максимальна допустима напруга між колектором і емітером U_{KE макс};

3. максимально допустима середня потужність, що розсіюється колектором Р_{К макс}. Ця потужність не виконує корисної роботи, а марно витрачається на нагрівання транзистора. Для охолодження транзистора використовують масивні тепловідводи (радіатори), часом з повітряним обдуванням. За значенням Р_{К макс} транзистори поділяють на транзистори малої потужності (до 0,3 Вт), середньої (0,3…1,5 Вт) та великої (понад 1,5 Вт);

4. межова частота підсилення за струмом f_α або f_β – це частота, за якої коефіцієнти підсилення за струмом α чи β зменшуються у разів відносно свого значення в смузі робочих частот. За цією частотою транзистори відносять до таких груп: низькочастотні (до 3 МГц), середньої частоти (від 3 до 30 МГц), високої та надвисокої частот (понад 30 МГц);

5. зворотний струм колектора І_К0 – це зворотний струм (тепловий) через колекторний перехід за умови заданої зворотної напруги між колектором і базою та від’єднаному виводі емітера.

Виходячи з умови надійної роботи біполярного транзистора у режимі підсилення, не рекомендується допускати сили струмів і напруг, які б перевершували 70% від найбільших допустимих значень. Під час роботи транзистора у ключовому режимі сили струмів можуть наближатися до допустимих, бо в цьому режимі виділяється значно менше потужності на колекторі.

Ці та інші параметри біполярних транзисторів подані у паспортних даних та довідниках з напівпровідникової техніки [5].