Статические характеристики биполярного транзистора

4.4.7. Общие сведения о статических характеристиках

В схеме включения с ОБ общим электродом для входной и выходной цепей, относительно которого отсчитываются напряжения эмиттера и коллектора, служит база. Цепь эмиттера является входной (управляющей), а цепь коллектора — выходной (управляемой). Соответственно входными параметрами схемы включения биполярного транзистора с ОБ являются ток эмиттера /_э и напряжение между эмиттером и базой ?/_ЭБ, а выходными — ток коллектора /_к и напряжение между коллектором и базой ?/_КБ.

Статические характеристики транзистора представляют собой графики зависимостей между постоянными токами, протекающими в цепях электродов транзистора, и постоянными напряжениями, приложенными к электродам (R_K = 0).

Для транзисторов в качестве независимых переменных выбирают входной ток и выходное напряжение, а в качестве зависимых — напряжение на входе и выходной ток. Схема с ОБ характеризуется четырьмя семействами статических характеристик:

/_э =/((7эб) при U_KE= const — входная характеристика;

4=/(Е/кб) ^ПР^И 4 = const — выходная характеристика;

/_к =/(/_э) при U_Kb=const — характеристика прямой передачи по току; и_эъ =/(U_Kb) при 4= const — характеристика обратной передачи по напряжению.

Наибольшее практическое применение находят входные и выходные характеристики.

Входные характеристики биполярного транзистора в схеме включения с общей базой

Входными характеристиками биполярного транзистора в схеме включения с общей базой называются зависимости тока эмиттера от напряжения «эмиттер — база» при постоянном значении напряжения «коллектор — база». Входные характеристики /_э = /(?4б)|{/_кб = const

приведены на рис. 43. Входная характеристика при t/_KB = 0 (зависимость 1, рис. 43) аналогична прямой ветви вольтамперной характеристики полупроводникового диода. Эта характеристика начинается из начала координат, при увеличении входного напряжения ток эмиттера /_э экспоненциально увеличивается:

Однако при больших токах /_э входные характеристики близки к линейным. Наклон линейного участка определяется в основном объемным сопротивлением базы г_Б.

Рис. 43. Семейство входных характеристик

При напряжении |б/_КБ| > 0 (зависимости 2, 3, рис. 43) кривые смещаются вверх относительно начала координат и к оси токов. Смещение характеристик вверх относительно начала координат объясняется падением напряжения на объемном сопротивлении базы г_Б при протекании тока /_к0 (рис. 44).

Рис. 44. Схема включения транзистора при U₃₆ = О

При отрицательном напряжении на коллекторе через коллекторный переход протекает ток обратносмещенногор-п -перехода /_ко, а так как база мало легирована примесями, то на г_ъ будет создаваться падение напряжения U. = /_ко • г_ъ , в результате чего эмиттер получает положительное смещение относительно базы и начинает инжектировать дырки, что приводит к появлению начального тока эмиттера

/_эн = /_эо ^ехР {77}^_ 1 при и_эъ = 0. Смещение характеристик влево при

увеличении коллекторного напряжения объясняется эффектом модуляции толщины базы. Эффект модуляции заключается в изменении толщины базы при изменении напряжения на коллекторе.

На эмиттерный переход напряжение подается в прямом направлении, и оно мало изменяется при работе транзистора, поэтому эмиттерный переход узкий и ширина его изменяется незначительно. Коллекторный переход смещен в обратном направлении, поэтому его ширина больше и изменяется в широких пределах при изменении напряжения на коллекторе. А так как в биполярных транзисторах р_б » р_к, то коллекторный переход расширяется в основном в область базы, уменьшая ее толщину:

где 1_Ко — ширина коллекторного перехода в равновесном состоянии; fV₀ — толщина базы в равновесном состоянии.

Эффект модуляции толщины базы обуславливает наличие обратной связи, характеризующей влияние коллекторного перехода на эмиттерный переход из-за их близкого расположения.

Для пояснения физической сути обратной связи на рис. 45 показано изменение распределения избыточной концентрации дырок в базе с увеличением коллекторного напряжения (пунктирная линия) при фиксированных значениях напряжения на эмиттером переходе (рис. 45, а) и тока эмиттера (рис. 45, б). На рис. 45 АР₀ — избыточная концентрация дырок в базе на границе эмиттерного перехода. Избыточная концентрация дырок зависит от величины приложенного напряжения к эмиттерному переходу. Чем выше прямое напряжение «эмиттер — база», тем больше концентрация дырок в базе у эмиттерного перехода, тем больше градиент концентрации дырок в базе. Поскольку диффузионный ток эмиттера зависит от градиента концентр

трации дырок в базе —гг: I₃=-eSD_p$, то при постоянном

дЛ

напряжении на эмиттерномпереходе и с увеличением по модулю напряжения на коллекторе возрастает градиент концентрации, а следовательно, и ток эмиттера.

Рис. 45. Влияние U_KB на распределение избыточной концентрации

дырок в базе

На рис. 45, б показано влияние U_KB на распределение дырок в базе, если поддерживать постоянной величину тока эмиттера. С увеличением U_KB (по модулю) толщина базы уменьшается. Чтобы ток эмиттера оставался постоянным, необходимо, чтобы с изменением U_KB градиент концентрации оставался неизменным. Поэтому с увеличением 1/_къ должна уменьшться избыточная концентрация дырок на границе эмиттерного перехода (АР₂ < Д/|). А это может быть достигнуто лишь путем уменьшения входного напряжения 1/_ЭБ.

Уменьшение 1/_ЭБ с ростом напряжения U_KB (по модулю) оценивают коэффициентом обратной связи по напряжению ц_эк:

Наиболее существенный сдвиг характеристик имеет место при малых U_KB. При |(7_кб|>(3-5) В характеристика смещается незначительно, так как ширина коллекторного перехода, а следовательно, и толщина базы зависят от коллекторного напряжения не по линейному закону (59).

Входные характеристики кремниевого транзистора (рис. 46, а) смещены от начала координат в сторону больших прямых напряжений. Как и у кремниевого диода, это смещение равно =0,5 В и объясняется тем, что контактная разность потенциалов у кремниевых транзисторов больше, чем у германиевых.

Входные характеристики германиевых транзисторов при различных температурах окружающей среды приведены на рис. 46, б. С увеличением температуры входной ток увеличивается, входная характеристика смещается влево (примерно на (1—2) мВ/°С) вследствие роста внутренней энергии основных носителей заряда и уменьшения контактной разности потенциала ф_кэ, а следовательно, и потенциального барьера. Изменение начального тока эмиттера с ростом температуры окружающей среды связано с экспоненциальной зависимостью от температуры неуправляемого тока коллекторного перехода.

Рис. 46. Входные характеристики биполярных транзисторов: а — входные характеристики кремниевого транзистора; б — входные характеристики при комнатной и повышенной температурах германиевого транзистора

С увеличением тока /_ко возрастает падение напряжения на объемном сопротивлении базы, и это приводит к росту начального тока эмиттерного перехода.