5.3. Статические характеристики биполярных транзисторов

Уравнения Эберса-Молла (5.40) могут быть использованы для анализа статического режима БТ и нахождения статических характеристик, так как эти уравнения достаточно хорошо отража­ют основные особенности БТ при любых сочетаниях напряжений на переходах. Однако надо иметь в виду, что для кремниевых БТ токи I_КБО и I_ЭБО нельзя считать тепловыми, вызванными только концентрацией неосновных носителей в слоях, прилегающих к обедненному слою перехода. Необходимо также учитывать гене­рацию и рекомбинаций носителей в обедненном слое (см. § 3.5.1), В состоянии равновесия перехода генерационная и рекомбинационная составляющие уравновешиваются, а при обратном включе­нии преобладает ток термогенерации. Кроме того, в кремниевом БТ при обратных напряжениях становится существенным ток уте­чки, связанный с поверхностными состояниями. Ток утечки зави­сит от напряжения (ширины перехода) и сравнительно мало от температуры. Существенно также, что уравнения Эберса-Молла не учитывают эффекта Эрли.

Мы не будем приводить идеализированных статических вольт-амперных характеристик, получаемых из уравнений Эбер­са-Молла. а рассмотрим реальные характеристики, отмечая по­путно их отличия от идеализированных.

Обычно анализируют входные и выходные характеристики БТ в схемах с общей базой и общим эмиттером. Для определен­ности и преемственности изложения будем рассматривать p-n-p-транзистор.

5.3.1. Схема с общей базой

Семейство входных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимость I_Э = f(U_ЭБ) при фиксированных значениях пара­метра U_КБ – напряжения на коллекторном переходе (рис. 5.13).

При U_КБ = 0 характеристика подобна ВАХ р-n-перехода. С рос­том обратного напряжения U_КБ (U_КБ < 0, для р-n-р-транзистора) вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх; I_Э растет при вы­бранном значении U_ЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_Э = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение U_ЭБ, как показано на рис. 5.7 (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при U_КБ < 0 и U_ЭБ = 0 существует неболь­шой ток эмиттера, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении U_ЭБ .

Связь небольших приращений тока ∆I_Э и напряжения ∆U_ЭБ при U_КБ = const в любой точке характеристики учитывается дифференциальным параметром, называемым входным со­противлением:

(5.41)

Цифры в индексе означают, что оба приращения относятся к вход­ной цепи, а буква указывает на схему включения с ОБ. Влияние из­менения U_КБ на I_Э учитывается дифференциальным параметром – коэффициентом обратной передачи:

(5.42)

Названия дифференциальных параметров взяты из теории четы­рехполюсников (см. § 5.4).

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представ­ляет собой зависимости I_К = f(U_КБ) при заданных значениях параметра I_Э (рис. 5.13,6).

Выходная характеристика р-n-р-транзистора при I_Э = 0 и обрат­ном напряжении (U_КБ <0) подобна обратной ветви р-n-перехода (ди­ода). При этом в соответствии с (5.11) I_К = I_КБО, т.е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протека­ющий в цепи коллектор-база.

При I_Э > 0 основная часть инжектированных в базу носителей (дырок в р-n-р-транзисторе) доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток при U_КБ = 0 в результате ус­коряющего действия контактной разности потенциалов. Ток мож­но уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соот­ветствует режиму насыщения, когда существуют встречные пото­ки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу.Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока оди­наковы по величине (например, точка А' на рис. 5.13,б). Чем боль­ше заданный ток I_Э, тем большее прямое напряжение U_КБ требу­ется для получения I_К = 0.

Область в первом квадранте на рис. 5.13,б. где U_КБ < 0 (об­ратное) и параметр I_Э > 0 (что означает прямое напряжение U_ЭБ) соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется формулой (5.11) I_К = α I_Э + I_КБО. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличе­нии параметра Iэ.В идеализированном транзисторе не учитыва­ется эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент переда­чи тока а можно считать постоянным, не зависящим от значения U_КБ. Следовательно, в идеализированном ВТ выходные характе­ристики оказываются горизонтальными (I_К = const). Реально же эффект Эрли при росте | U_КБ | приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту α. Так как значение α близко к единице, то относительное увеличение α очень мало и может быть обнару­жено только измерениями. Поэтому отклонение выходных харак­теристик от горизонтальных линий вверх «на глаз» не заметно (на рис. 5.13,б не соблюден масштаб).

Наклон выходных характеристик, вызванный эффектом Эрли, учитывается дифференциальным параметрам – выходной проводимостью

(5.43)

Связь приращений коллекторного ∆I_К и эмиттерного ∆I_Э токов характеризуется дифференциальным коэффициентом передачи тока эмиттера h_21Б, который обычно мало отличается от интегрального коэффициента α:

(5.44)