Вольтамперные характеристики биполярных транзисторов.

Семейство ВАХ ОБ

Индексация напряжений, подаваемых на вход и выход БТ, двойная. Первая буква - первая буква названия входного или выходного выводов, вторая – общего вывода. Знак напряжения определяется относительно общего вывода – нулевого. Далее будут рассматриваться маломощные германиевый и кремниевый p- n- p транзисторы.

Входные ВАХ

Семейства ВАХ БТ ОБ составляют входные ВАХ и выходные ВАХ . Входное напряжение (прямое смещение ЭП) подаётся на эмиттерный переход (ЭП). Величина его максимального входного напряжения не должна превышать 0,6 В. При , т.е. при закороченных выводах коллектора и базы, ток эмиттера разделяется на ток коллектора I_k0 и ток базы I_b , которые воссоединяются в выводе коллектора. Входной ток - ток эмиттера - это ток прямо смещенного ЭП.

Рис.3. Распределение токов в КС БТ

На рис.4 справа изображена нулевая входная ВАХ ( ) БТ ОБ. В этой схеме коллектор закорочен с базой. Практически она является прямой ветвью ВАХ диода. При подаче на коллектор напряжения входные ВАХ смещаются влево (рис.4). Величина смещения для , больше, чем для и более. Для ток эмиттера при на первый вольт возрастает больше, чем на любой последующий.

Рис.4. Семейство входных ВАХ БТ ОБ

Эта разница объясняется разными по величине изменениями градиента концентрации дырок на левой границе базы, первого и любого последующего токов. Эмиттерный ток через базу - диффузионный. Его величина пропорциональна градиенту концентрации ННЗ базы .

С увеличением обратного смещения коллекторного перехода (КП) толщина ОПЗ увеличивается в базу. Действующей толщиной W базы называется расстояние между границами базы, зависящее от напряжения на коллекторе. Зависимость действующей толщины базы от напряжения на КП называется эффектом модуляции толщины базы или эффектом Эрли. Очевидно, что . Из лианеризированных графиков производных (распределения концентраций ННЗ) для трех этих значений напряжений следует, что при подаче первого вольта величина градиента концентрации ННЗ возрастает и за счет увеличения числителя, и за счет уменьшения знаменателя дроби (эффект Эрли). При подаче следующего Вольта дробь уменьшается только за счет эффекта Эрли. Поэтому в первом случае ток эмиттера возрастет больше, чем во втором.

Выходные ВАХ

В соответствии с уравнением (3) ток коллектора при фиксированном токе эмиттера не должен зависеть от напряжения на коллекторе. Но при этом не учитываются эффект Эрли и скачок перепада концентрации ННЗ при подаче выходного напряжения. Ток I_k, аналогично I_э, диффузионный дырочный, но на правой границе базы. При повторении рассуждений, выполненных при анализе особенностей входных ВАХ применительно к правой границе базы, можно прийти к следующим выводам.

Рис.5. Выходные ВАХ транзистора ОБ

На начальном участке ВАХ от нуля до одного вольта должен существовать слабо возрастающий участок. На остальной части ВАХ, где сказывается только эффект Эрли, ток практически постоянен (рис.5).

Параметры статических ВАХ

У четырехполюсника, работающего в режиме переменного сигнала, стандартными являются четыре параметра: входные и выходные сопротивления, коэффициенты передачи тока и напряжения. Из семейства входных ВАХ для транзистора с ОБ можно определить только два параметра:

(4), (5)

где входное сопротивление БТ ОБ, коэффициент обратной передачи напряжения.

Семейства ВАХ ОЭ

Семейства ВАХ БТ ОЭ составляют входные и выходные ВАХ. Входное напряжение подаётся на вывод базы ЭП. Выходное – на вывод коллектора. Очевидно, что знаки входного и выходного напряжений схемы ОЭ одинаковы (рис.6). В схеме с ОБ они различны.

Рис.6. Условная структурная схема БТ ОЭ

Входные ВАХ

Для входной ВАХ при нулевом входном напряжении оба перехода – в прямом смещении, транзистор – в режиме насыщения (рис. 6). Ток базы - сумма двух рекомбинационных токов, инжектированных из ЭП и КП:

, (6)

(7)

_{Рис.7. Схема транзистора ОЭ при}

Для одновольтовой ВАХ реализуется активный режим БТ, и ток базы является разностью рекомбинационного тока и обратного тока КП (рис.7):

. (8)

Так как , током можно пренебречь. Из сравнения выражений (7) и (8) следует, что ток одновольтовой характеристики будет меньше, чем нулевой ВАХ. Ведь сумма двух рекомбинационных токов в режиме насыщения много больше единственного тока рекомбинации в активном режиме. Качественно оценим разницу компонент этих токов.

Ток рекомбинации образуется за счёт тех НЗ, которые рекомбинируют с электронами, сгенерированными в базе. Вероятность акта рекомбинации тем выше, чем меньше скорость относительно движения электронов и дырок вблизи ненасыщенной парно-электронной связи.

Скорость диффузионного движения пропорциональна градиенту концентрации ННЗ. На рис.8 приведена разница профилей концентраций ННЗ базы в режимах насыщения (верхняя кривая) и активном - (нижняя).

Рис.8. Распределение концентрации ННЗ в базе для режима насыщения (верхняя кривая) и активного (нижняя кривая)

В режиме насыщения (верхняя кривая) в середине базы градиент концентрации ННЗ близок к нулю, а вероятность акта и величина тока рекомбинации максимальны. Поэтому при U_кэ = -1 В единственный ток рекомбинации будет значительно меньше тока БТ ОЭ в режиме насыщения. На рис. 9 приведено семейство входных ВАХ БТ ОЭ.

Рис.9. Входные ВАХ транзистора ОЭ

Качественно каждая из не нулевых ВАХ повторяет ВАХ прямо смещенного диода. При увеличении коллекторного напряжения ток базы незначительно уменьшается только за счет уменьшения вероятности акта рекомбинации в базе.

На рис. 10 приведена схема для измерения статических входных и выходных ВАХ БТ ОЭ и ОБ.

Рис.10. Схема измерения ВАХ БТ ОЭ

Входной ток маломощных транзисторов измеряется микроамперметром, выходной - миллиамперметром. Входное напряжение БТ измеряется милливольтметром, выходное - вольтметром.

(9)

Семейство выходных ВАХ

Из схемы 7 следует, что при фиксированной величине входного тока базы и U_кэ = 0 величина тока коллектора I_к является разностью двух инжекционных токов, обусловленных потоками дырок из эмиттера к выводу коллектора и из коллектора к выводу эмиттера. Очевидно, что

(10)

При нулевом инжекционные токи обоих переходов приближенно компенсируются. Ток инжекции прямо смещённого перехода экспоненциально зависит от напряжения смещения. При подаче малого коллекторного напряжения инжекционный ток КП будет резко уменьшаться т.к.

. (11)

В соответствии с (9) при уменьшении модуля прямого смещения коллекторного перехода ток коллектора будет резко возрастать до момента выравнивания модулей входного и выходного напряжений. При равенстве этих модулей транзистор переходит в активный режим. При | | , большем |Uбэ|, (см.11) и дальнейшем увеличении модуля коллекторного напряжения ток коллектора будет слабо возрастать за счет эффекта Эрли. При этом будет уменьшаться ток .Для поддержания его постоянным приходится увеличивать ток инжекции эмиттерного перехода, а значит, и ток коллектора. Поэтому ВАХ БТ ОЭ имеет, в отличие от схемы с ОБ, четко выраженный наклон (рис.11).

Рис.11. Семейство выходных ВАХ транзистора ОЭ

Для получения выражения основного уравнения для схемы с ОЭ, связывающего величины выходного и входного токов БТ с общим эмиттером, из системы уравнений: основное уравнение БТ ОБ (3) и основного уравнения Кирхгофа для БТ исключается ток эмиттера и соответствующей заменой получается требуемое выражение:

, (12)

где , (13)

называется сквозным током транзистора.

В пренебрежении им, можно считать, что

. (14)

УКАЗАНИЯ

по измерению характеристик биполярных транзисторов с помощью автоматизированной установки

Установка подключается к ПК через LPT порт.

220 В 50 Гц

Измерительный блок

ПЭВМ

Соединение через LPT порт

Рис.12 Структурная схема установки