ВЫВОД:
Схема включения транзистора с общим эмиттером (рис. 1а):
Семейство выходных характеристик (рис. П1):
Это семейство обычно строится в широком интервале токов и напряжений, что позволяет указать на одном графике на ряду с самим семейством изображать кривую максимальной допустимой мощности транзистора, которая выделяется на его коллекторном переходе. Эта кривая делит область графика на рабочую область и область пробоя (ток в этой области резко увеличивается, а транзистор выходит из строя).
Вид семейства определяется тем, что на выходе располагается обратно смещённый коллекторный переход. При токе базы равном нулю (разрыве эмиттерной цепи) получаем практически «чистую» обратную ветвь ВАХ коллекторного перехода (ток протекает через весь транзистор – через открытый эмиттерный и закрытый коллекторный переходы) – ток слабо зависит от напряжения (на рис. эта ветвь сливается с осью абсцисс). Заметно, что чем выше ток базы, тем выше ток коллектора.
На практике рассматриваемые характеристики часто тянут из нуля, что на самом деле не отражает реальной картины. При напряжении на коллекторе равном нулю, минус источника тока открывает коллекторный переход. Так что транзистор оказывается открытым ещё при малых положительных потенциалах на источнике V1. На рисунке хорошо видны те значения напряжения на коллекторе, при которых транзистор переходит в режим насыщения, при котором открыты оба перехода транзистора.
Также заметным образом просматривается явная не эквидистантность линейных участков кривых семейства (сильная зависимость коэффициента передачи тока от тока базы) и заметный угол их наклона по отношению к горизонтальной оси – объясняется эффектом Эрли, эффектом модуляции ширины базы: при увеличении напряжения на коллекторе, коллекторный переход, смещаясь в обратном направлении, расширяется и сокращает объём базы. Вследствие этого уменьшает объёмная рекомбинация в базе и увеличивается перенос носителей заряда к коллекторному переходу, одним словом коллекторный ток возрастает.
При токе базы не равном нулю и при малых напряжениях на коллекторе транзистор работает в режиме насыщения базы – начальные участки кривых (область насыщения, напряжение слабо зависит от тока). Далее, при увеличении напряжения на коллекторе, увеличивается экстракция носителей заряда из области базы, до того момента пока не будет изъят весь их «излишек» – область на рисунке, где ток слабо зависит от напряжения.
Ярко выражена температурная зависимость кривых семейства. Ток базы мал по своей природе, поэтому изменения окружающей температуры весьма значительно влияют на его величину. Посредством большого значения коэффициента передачи тока базы, заметным образом изменяется коллекторный ток транзистора.
Семейство входных характеристик (рис. П2):
Вид семейства определяется тем, что на входе располагается прямо смещённый эмиттерный переход, т. е. повторяет по форме прямую ветвь полупроводникового диода. На начальном участке ток слабо зависит от напряжения (обусловлено компенсацией встроенного потенциала p-n перехода), а затем напряжение слабо зависит от тока (возрастание проводимости диода при прямом смещении).
Из рисунка видно, что для ряда значений напряжения на коллекторе отличных от нуля, кривые практически совпадают. Это происходит по тому, что, так только на коллектор подан положительный потенциал, коллекторный переход закрывается. При изменении этого потенциала, напряжение на базе незначительно изменяется из-за эффекта модуляции ширины базы – эффекта Эрли: хоть этого не видно по рисунку, ток базы при увеличении напряжения на коллекторе уменьшается – характеристики смещаются влево. Действительно, при уменьшении ширины базы, увеличивается коэффициент переноса носителей заряда из эмиттерной области в коллекторную. Влияние эффекта Эрли при изменении напряжения на коллекторе незначительно (что мы увидим также при описании поведения нижеследующих кривых), поэтому кривые из рассматриваемого семейства, соответствующие положительным потенциалам на коллекторе фактически совпадают.
А вот при напряжении на коллекторе равном нулю кривая проходит заметно ниже. Дело заключается в том, что при этом цепь коллектора оказывается замкнутой и минус источника тока, попадая на коллектор, открывает коллекторный переход. Таким образом при этом открыты оба перехода, но ток базы оказывается малым, так как лимитируется продольным сопротивлением базы (порядка 100 Ом).
При токе базы равном нулю напряжение на ней отнюдь не равно нулю, как может показать на первый взгляд (см. рисунок). При этом входная цепь является разорванной. Но ток протекает через весь транзистор (см. схему включения), а следовательно и через эмиттерный переход, на котором падает некоторый потенциал, обусловленный сопротивлением эмиттерного перехода, пускай маленькое, но оно есть.
Температурная зависимость кривых объясняется примечанием, приведённым в конце лабораторной работы.
Семейство характеристик обратной связи по напряжению (рис. П3):
Достаточно редко встречающаяся на практике характеристика, демонстрирующая обратную связь между напряжениями на коллекторе и базе. По ней видно, что эта зависимость не практически неизменна при вариациях тока, обычно протекающих через базу. На рисунке показано, что характеристики заметным образом отстоят друг от друга при изменении тока базы на порядок (кривые, соответствующие большим значениям тока базы приведены исключительно в демонстрационных целях, автор сознательно пошёл на это, зная, что подобные величины не типичны для транзистора).
При токе базы равном нулю имеем два взаимодействующих полупроводниковых диода, один из который (эмиттер-база транзистора) смещён в прямом направлении, а другой (база-коллектор) в обратном. При малых значениях напряжения на коллекторе в базу начинают инжектироваться носители заряда, при увеличении напряжения на коллекторе инжектированные носители начинают экстрагироваться коллектором. Тем сильнее, чем выше напряжение на коллекторе. Инжекция в некотором смысле «отстаёт» от экстракции в результате чего сопротивление эмиттерного перехода увеличивается, соответственно увеличивается падение напряжения между базой и эмиттером.
Температурная зависимость кривых объясняется примечанием, приведённым в конце лабораторной работы. Тем выше температура, тем выше проводимость эмиттерного перехода и меньше падение напряжения на нём.
Семейство характеристик передачи по току (рис. П4):
Приведенный рисунок подтверждает тезис о том, что коэффициент передачи тока базы – функция сильно зависящая от тока базы, что приводит к ярко выраженной не эквидистантности семейства выходных характеристик.
При токе базы равном нулю, т.е. разрыве входной цепи, ток коллектора не равен нулю, а определяется током обратно смещённого коллекторного перехода. Изменение положения кривых семейства при изменении напряжения на коллекторе, обуславливается эффектом Эрли. Выше напряжения на коллекторе, уже база и поэтому при одном и том же токе коллектора меньше ток базы (меньше ответвление носителей заряда в цепь базы).
Ярко выражена температурная зависимость кривых семейства. Уместны приведенные выше рассуждения о том, что ток базы мал по своей природе, поэтому изменения окружающей температуры весьма значительно влияют на его величину. Посредством большого значения коэффициента передачи тока базы, заметным образом изменяется коллекторный ток транзистора. Но необходимо добавить, что также существует вклад обратного тока коллекторного перехода, который заметным образом зависит от окружающей температуры.
Схема включения транзистора с общей базой (рис. 1б):
Семейство выходных характеристик (Рис. П5):
Это семейство обычно строится в широком интервале токов и напряжений, что позволяет указать на одном графике на ряду с самим семейством изображать кривую максимальной допустимой мощности транзистора, которая выделяется на его коллекторном переходе. Эта кривая делит область графика на рабочую область и область пробоя (ток в этой области резко увеличивается, а транзистор выходит из строя).
Как видно из рисунка линии семейства практически линейны и проходят под весьма небольшими углами наклона. Это потому, что вид кривых определяется обратно смещённым коллекторным переходом. Если изобразить кривую, соответствующую отсутствию эмиттерного тока, то она по своей сути будет являться обратной ветвью ВАХ p-n перехода.
При появлении эмиттерного тока начальная кривая поднимается вверх, что является прямым следствием транзисторного эффекта (транзистор управляемый по току элемент!): при увеличении тока эмиттера, возрастает инжекция носителей в базу, возрастает диффузионный ток из базы в коллекторный переход, а следовательно и сам коллекторный ток.
Кривые рассматриваемого семейства вполне можно считать эквидистантными, что на самом деле не верно, так как коэффициент передачи тока зависит от тока эмиттера. На практике этой зависимостью часто пренебрегают.
Небольшой угол наклона кривых имеет место из-за наличия эффекта Эрли (модуляция ширины базы): при увеличении напряжения на коллекторе объём базы уменьшается, и уменьшается объёмная рекомбинация носителей в базе – ток коллектора возрастает.
Следует отметить, что выходные характеристики в схеме с общей базой обладают удовлетворительной температурной стабильностью (рис. б)), так как хоть обратный ток заметно зависит от температуры, но в рассмотренных масштабах эта зависимость незначительна.
Семейство входных характеристик (Рис. П6):
На входе цепи располагается открытый эмиттерный переход, поэтому вид семейства определяется прямой ветвью ВАХ p-n перехода. При напряжении на коллекторе равном нулю отсутствует экстракция носителей заряда коллекторам, и транзистор (его эмиттер и база) по сути являет собой обычный полупроводниковый диод.
При подаче напряжения на коллектор (обратного для коллекторного перехода) имеет место смещение начальной кривой вниз, что соответствует увеличению тока эмиттера при прочих не изменившихся условиях. Это объясняется эффектом Эрли, т.е. эффектом модуляции ширины базы. При увеличении напряжения на коллекторе, коллекторный переход становится шире, а база уже – в следствии чего градиент концентрации носителей заряда в базе становится круче, и следовательно эмиттерный ток (диффузионный) больше.
Количественно поле, которое создаётся в коллекторном переходе слабо влияет на эмиттерный переход, поэтому кривые проходят близко друг к другу.
Кривая при отрицательном напряжении на коллекторе соответствует работе транзистора в режиме насыщения, когда открыты оба перехода, ток при этом заметно возрастает.
Из представленного рисунка можно заключить, что входные характеристики выходят из начала координат, но на самом деле это не верное заключение. При напряжении на базе равном нулю, коллектор и база транзистора представляют собой обратно смещённый полупроводниковый диод, экстрактирующий носители заряда из базы. Вследствие этого в базе по направлению к эмиттеру возникает градиент этих носителей, вызывающий слабый диффузионный ток из приоткрытого эмиттерного перехода. Таким образом, действительно ток эмиттера при нулевом напряжении на нём не равен нулю.
Температурная зависимость кривых объясняется примечанием, приведённым в конце лабораторной работы.
Семейство характеристик обратной связи по напряжению (Рис. П7):
Рисунок доказывает тезис о том, что напряжение прикладываемое к коллекторному весьма незначительно влияет на эмиттерный переход. Это влияние находит выражения в эффекте Эрли, вследствие сокращения ширины базы (при увеличении напряжения на коллекторе) увеличивается эмиттерный ток, возрастает проводимость эмиттерного перехода, и падение напряжения на нём уменьшается. При увеличении тока эмиттера, естественным образом возрастает падение напряжения на эмиттерном переходе.
При возрастании температуры проводимость эмиттерного перехода увеличивается, поэтому падение напряжения уменьшается.
Семейство характеристик передачи по току (Рис. П8):
Как видно ток коллектора приблизительно равняется току эмиттера, но принципиально меньше его из-за потерь носителей в базе транзистора. При увеличении тока эмиттера возрастает ток коллектора, что является свойством транзистора, как управляемого по току элемента. Характеристики практически линейны (как упоминалось ранее, коэффициент передачи по току слабая функция тока эмиттера). По крайней мере таковыми с хорошей точность их можно считать в средней части.
При отсутствии тока эмиттера, ток коллектора не равен нулю, а равен обратному току коллекторного перехода, которым часто пренебрегают и ведут характеристику из нуля.
Причиной смещения характеристик вверх при увеличении коллекторного напряжения является эффект Эрли: база сокращается, и при неизменном коэффициенте инжекции экстракция возрастает. Влияние эффекта опять же невелико, кривые идут плотно друг к другу.
Семейство обладает удовлетворительной температурной стабильностью, так как токи эмиттера и коллектора физически привязаны друг к другу, и температурное изменение эмиттерного тока является также температурным изменением коллекторного тока.
Примечание,
позволяющее объяснить температурную зависимость кривых, представленных в лабораторной работе.
При увеличении температуры ВАХ полупроводникового диода изменяется так:
Прямой ток возрастает, (причины):
-
Уменьшается высота потенциального барьера,
-
Увеличивает энергия носителей заряда,
-
Увеличивается концентрация носителей заряда, в случае если температура находится в зоне, предшествующей участку истощения примесей.
Обратный ток возрастает (причины):
Резкая зависимость теплового тока (ток насыщения обратной ветви ВАХ диода, возникающий в результате межзонных переходов носителей заряда) от температуры окружающей среды.