1.2. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора

Рис. 4. Схема с общей базой

Зависимости между токами и напряжениями транзистора описываются статическими ВАХ, снятыми на постоянном токе. Понятно, что в транзисторах всегда взаимосвязаны четыре величины – два тока и два напряжения; поэтому для полного описания транзистора необходимы два семейства ВАХ. Если транзистор рассматривать как четырехполюсник, описываемый входными и выходными токами и напряжениями i₁, i₂, u₁ и u₂, то удобнее всего оперировать семействами входных i₁(u₁) и выходных i₂(u₂) характеристик. Для каждой из трех перечисленных в п. 1.1 схем включения транзистора существуют свои семейства ВАХ, поскольку в каждом случае в качестве входных и выходных токов и напряжений берутся разные токи и напряжения транзистора.

Начнем изучать ВАХ транзистора со схемы ОБ, показанной на рис. 4. В качестве входных величин для нее рассматриваются ток эмиттера i_э и напряжение эмиттер-база u_эб, в качестве выходных – ток коллектора i_к и напряжение u_кб.

Семейство входных характеристик транзистора в схеме ОБ, представляющее собой зависимость i_э(u_эб) при постоянном напряжении u_кб, показано на рис. 5, а. Видно, что ветви входных ВАХ транзистора в схеме ОБ похожи на прямую ветвь ВАХ диода, однако при u_кб = 0 характеристика проходит через ноль, а при u_кб > 0 ветви входной ВАХ поднимаются несколько выше нуля. По аналогии с диодом входную характеристику транзистора можно охарактеризовать дифференциальным сопротивлением эмиттера:

.

(3)

Рис. 5. Входные (а) и выходные (б) вольт-амперные характеристики

биполярного транзистора в схеме с общей базой

На выходных характеристиках биполярного транзистора (рис. 5, б) можно выделить несколько областей:

1. Область насыщения (u_кб < 0) характерна быстрым ростом тока коллектора при увеличении напряжения u_кб до нуля. Следует отметить, что в этой области оба перехода транзистора смещены в прямом направлении, когда инжекция электронов из эмиттера частично или полностью компенсируется инжекцией из коллектора.

2. Линейная область (i_к > I_к0, u_кб > 0, но меньше напряжения пробоя), в которой выходные ВАХ транзистора хорошо описываются выражением (2). При использовании транзистора для усиления он работает именно в этой области выходных характеристик.

3. Область отсечки (i_к < I_к0, u_кб > 0) характерна тем, что оба перехода смещены в обратном направлении и текущий через транзистор ток определяется в основном обратным током коллектора I_к0.

4. Область электрического пробоя коллекторного перехода. Пробой происходит при увеличении напряжения u_кб и характеризуется резким ростом коллекторного тока. На рис. 5 видно, что напряжение u_кб, при котором происходит электрический пробой, уменьшается с ростом коллекторного тока.

Рис. 6. Схема с общим эмиттером

Рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером, которая показана на рис. 6 и является наиболее используемой усилительной схемой. Как видно из рисунка, входными величинами для этой схемы являются ток базы i_б и напряжение база-эмиттер u_бэ, а выходными – ток коллектора i_к и напряжение коллектор-эмиттер u_кэ. Для получения связи базового тока транзистора с коллекторным запишем уравнения Кирхгофа для токов и напряжений:

.

Учитывая, что u_кэ  u_кб, а также, используя линейную аппроксимацию ВАХ транзистора в схеме ОБ (4), получим выражение для коллекторного тока, справедливое в активном режиме:

,

(4)

где величина называется коэффициентом передачи тока базы и, как видно из выражения (4), определяет коэффициент усиления базового тока. Дифференциальное сопротивление коллектора в схеме ОЭ равно , то есть примерно в  раз меньше дифференциального сопротивления коллектора в схеме ОБ. Величина называется сквозным током коллектора и определяется формулой .

Входные ВАХ транзистора в схеме ОЭ, то есть зависимости i_б(u_бэ) при постоянном напряжении u_кэ (рис. 7, а), также могут характеризоваться дифференциальным сопротивлением r_б = u_бэ/i_б. Для его вычисления запишем уравнение для токов и подставим в него выражение (4):

.

Пользуясь этим выражением, найдем r_б:

.

(5)

Следует отметить, что кривые i_б(u_бэ) проходят через ноль только при u_кэ = 0, а при увеличении u_кэ смещаются вправо и вниз.

Выходные характеристики транзистора в схеме ОЭ, то есть зависимости i_к(u_кэ) при постоянном токе базы i_б приведены на рис. 7, б. На них обычно выделяют следующие области: