3.4. Статические характеристики биполярных транзисторов

В качестве статических характеристик БТ используются функциональные зависимости между токами и напряжениями, прикладываемыми к их электродам: входная характеристика I₁ = f(U₁) при U₂ = const; характеристика обратной связи U₁=f(U₂) при I₁ = const; характеристика прямой передачи I₂=f(I₁) при U₂ = const; выходная характеристика I₂ = f(U₂) при I₁ = const.

Для определения параметров и расчета функциональных узлов достаточно иметь входные и выходные характеристики БТ в схемах с общей базой и общим эмиттером.

Для определенности и преемственности изложения будем рассматривать

p-n-p-транзистор.

Схема с общей базой

Семейство входных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимость I_Э=f(U_ЭБ) при фиксированных значениях параметраU_КБ- напряжения на коллекторном переходе (рисунок 3.5, а).

При U_КБ = 0характеристика подобна ВАХp-n-перехода. С ростом обратного напряженияU_КБ (U_КБ < 0 дляp-n-p-транзистора) происходит уменьшение ширины базовой области (эффект Эрли). Это приводит смещение характеристики вверх:I_Эрастет при выбранном значенииU_ЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_Э = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжениеU_ЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что приU_КБ < 0 иU_ЭБ = 0существует небольшой ток эмиттераI_Э0, обусловленный влиянием падения напряжения на сопротивлении базы при протекании через нееI_КБО.Он становится равным нулю только при некотором обратном напряженииU_ЭБ0.

а)	б)
Рис. 3.5. Характеристики БТ в схеме включения с ОБ: а) входные характеристики; б) выходные характеристики

Семейство выходных характеристик схемы с ОБпредставляет собой зависимостиI_К = f(U_КБ) при заданных значениях тока эмиттераI_Э(рисунок 3.5, б). Выходная характеристикаp-n-p-транзистора приI_Э = 0и обратном напряженииU_КБ< 0 подобна обратной ветвиp-n-перехода (диода). При этом в соответствии с (3.11)I_К=I_КБ0, 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

p-n-p-транзисторе) доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток приU_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 в базу из эмиттера и коллектора. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока будут одинаковы по величине (например, точка А на рисунке 3.5, б). Чем больше заданный токI_Э, тем большее прямое напряжениеU_КБтребуется для полученияI_К = 0.

Область в первом квадранте на рисунке 3.5, б, где U_КБ < 0(обратное) и параметрI_Э> 0 (что означает прямое напряжение) соответствует активному режиму (АР). Значение коллекторного тока в АР определяется формулой (3.11)I_К = I_Э + I_КБО. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении тока эмиттераI_Э. В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли (уменьшение ширины базовой области), поэтому интегральный коэффициент передачи токаможно считать постоянным, не зависящим от значения |U_КБ|. Следовательно, в идеализированном БТ выходные характеристики оказываются горизонтальными (I_К=const). Реально же эффект Эрли при росте |U_КБ| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию в базе и росту. При этом незначительно увеличивается выходная проводимость. Так как значениеблизко к единице, то относительное увеличение очень мало и может быть обнаружено только измерениями. Поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх «на глаз» не заметно (на рисунке 3.5, б масштаб не соблюдается).

Схема с общим эмиттером

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимости I_Б=f(U_БЭ), причем заданным параметром является напряжениеU_КЭ(рисунок 3.6, а). Дляp-n-p-транзистора отрицательное напряжениеU_БЭ (U_БЭ<0) означает прямое включение эмиттерного перехода, так как (U_ЭБ=-U_БЭ)>0.

Если при этом U_КЭ = 0(потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход будет включен в прямом направлении:U_КБ=U_КЭ+U_ЭБ= = U_ЭБ > 0. Поэтому входная характеристика приU_КЭ = 0будет соответствовать режиму насыщения (РН), а ток базы будет равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряженияU_ЭБ, так как оно приводит к усилению инжекции через оба перехода(U_КБ = U_ЭБ)и соответствующему возрастанию потерь на рекомбинацию, определяющих базовый ток.

Вторая характеристика на рисунке 3.6, а (U_КЭ < 0) относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжениеU_КЭдолжно быть вp-n-p-транзисторе отрицательным и по модулю превышать напряжениеU_ЭБ. В этом случае (U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ = U_КЭ - U_БЭ) < 0.

а)	б)
Рис. 3.6. Характеристики БТ в схеме включения с ОЭ: а) входные характеристики; б) выходные характеристики

Формально ход входной характеристики в активном режиме можно объяснить с помощью выражения (3.14) или (3.17): I_Б =(1 - )∙I_Э - I_КБ0. При малом напряженииU_БЭинжекция носителей практически отсутствует(I_Э = 0)и токI_Б = -I_КБ0, т.е. отрицателен. Увеличение прямого напряжения на эмиттерном переходеU_ЭБ = -U_БЭвызывает ростI_Эи величины(1 - ) I_Э. Когда(1 - ) I_Э = I_КБ0, токI_Б = 0.При дальнейшем росте напряженияU_БЭ [(1 - ) I_Э]> I_КБ0 иI_Бменяет направление и становится положительным (I_Б> 0) и сильно зависящим от напряжения перехода.

Влияние U_КЭ наI_Бв активном режиме можно объяснить тем, что рост |U_КЭ| означает рост|U_КБ| и, следовательно, уменьшение ширины базовой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики незначительно вниз).

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимости I_К = f(U_КЭ)при заданном параметреI_Б(рисунке 3.6, б).

Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном - к нормальному активному режиму. Переход от первого режима ко второму, как уже отмечалось, происходит при значениях |U_КЭ|, превышающих |U_БЭ|. На характеристиках в качестве параметра берется не напряжениеU_БЭ, а входной токI_Б. Поэтому о включении эмиттерного перехода приходится судить по значению токаI_Б, который связан с входной характеристикой (рисунок 3.16, а). Для увеличенияI_Бнеобходимо увеличивать |U_БЭ|, следовательно, и граница между режимом насыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений.

Если параметр I_Б= 0 («обрыв» базы), то в соответствии с (2.60)I_К=I_КЭ0= (+ 1 )I_КБ0. В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ)I_К=I_КБ0, если задать отрицательный токI_Б= -I_КБ0. Выходная характеристика с параметром

I_Б= -I_КБ0может быть принята за границу между активным режимом (АР) и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту границу условно принимают характеристику с параметромI_Б= 0.

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режиме в схеме с общим эмиттером во много раз больше, чем в схеме с общей базой (h_22Э  h_22Б) Объясняется это различным проявлением эффекта Эрли. В схеме с общим эмиттером увеличениеU_КЭ, а следовательно иU_КБ, сопровождается уменьшением тока базы, а он по определению выходной характеристики должен быть неизменным. Для восстановления тока базы приходится регулировкой напряженияU_БЭувеличивать ток эмиттера, а это вызывает прирост тока коллектораI_К, т.е. увеличение выходной проводимости (в схеме с ОБ токI_Эпри снятии выходной характеристики поддерживается неизменным).

Влияние температуры на статические характеристики БТ

Влияние температуры на положение входной характеристики схемы с ОБ при поддержании неизменным напряжения коллектор-база аналогично влиянию температуры на ВАХ полупроводникового диода. В нормальном активном режиме ток эмиттерного перехода можно представить формулой

. (3.23)

С ростом температуры тепловой ток I_Э0растет быстрее, чем убывает экспонента из-за увеличения_Т=kT/q. В результате противоположного влияния двух факторов входные характеристики схемы с ОБ смещаются влево при выбранном токеI_Эна величинуU(1...2) мВ/°С (рисунок 3.7, а).

а)	б)
Рис. 3.7. Зависимость входных характеристик от температуры: а) для схем ОБ; б) для схем ОЭ

Начало входной характеристики в схеме с ОЭ определяется тепловым током коллекторного перехода I_КБОкоторый сильно зависит от температуры, так что начало характеристики при увеличении температуры опускается (рисунок 3.7, б). При больших значениях тока базы характеристики ведут себя по тем же причинам так же, как и в схеме с ОБ.

Влияние температуры на выходные характеристики схем с ОБ и ОЭ в АР удобно анализировать по формулам (3.11) и (3.22):

и.

Снятие выходных характеристик при различных температурах должно проводиться при поддержании постоянства параметров (I_Э=constв схеме с ОБ иI_Б=constв схеме с ОЭ). Поэтому в схеме с ОБ приI_Э= const ростI_Кбудет определяться только увеличениемI_КБО(рисунок 3.8, а).

Однако обычно I_КБОзначительно меньшеI_Э, изменениеI_Ксоставляет доли процента и его можно не учитывать.

В схеме с ОЭ положение иное. Здесь параметром является I_Би его надо поддерживать неизменным при изменении температуры. Будем считать в первом приближении, что коэффициент передачине зависит от температуры. Постоянство произведения(∙I_Б)означает, что температурная зависимостьI_Кбудет определяться слагаемым( + 1)I_КБО. ТокI_КБО (как тепловой ток перехода) примерно удваивается при увеличении температуры на 10°С, и при>> 1 прирост тока (+ 1)I_КБОможет оказаться сравнимым с исходным значением коллекторного тока и даже превысить его.

а)	б)
Рис. 3.8. Зависимость выходных характеристик БТ от температуры. а) для схем включения с ОБ; б) для схем включения ОЭ

На рис. 3.8, б показано большое смещение выходных характеристик вверх. Сильное влияние температуры на выходные характеристики в схеме с ОЭ может привести к потере работоспособности конкретных устройств, если не принять схемотехнические меры для стабилизации тока или термостатирование.