Материал: Електронно-дірковий перехід

Статичні характеристики біполярного транзистора

Для кожної схеми вмикання в активному режимі транзистора існують свої сім'ї статичних характеристик.

Основними статичними характеристиками біполярного транзистора є:

вхідні Івх = ѓ(Uвх) при Uвих = const та вихідні Івих = ѓ(Uвих) при Івх = const.

Статичні характеристики БТ для схеми СБ

Для схеми вмикання зі СБ загальною точкою для входу і виходу є база. Тоді :

Івх = ІЕ; Івих = ІК; Uвих = UКБ; Uвх = UЕБ.

Вхідні та вихідні статичні характеристики БТ типу n-р-n для схеми зі СБ представлені на рис. 3.5.

а б

Рис. 3.5. ВАХ транзистора, увімкненого за схемою з СБ:

а) вхідні; б) вихідні

Вхідні характеристики БТ в схемі зі СБ виражаються залежністю IE = f(UEБ), при UКБ = const.

В активному режимі роботи транзистора зі збільшенням прямої напруги UЕБ знижується потенційний бар'єр в емітерному переході, збільшується інжекція носіїв ІЕn і ІЕр через перехід, тому росте струм емітера.

При UКБ = 0 вхідна характеристика ідентична прямій гілці ВАХ діода. При подаванні позитивної колекторної напруги UКБ > 0 збільшується ширина колекторного переходу, отже, зменшується ширина бази, збільшується градієнт концентрації неосновних носіїв у базі, внаслідок чого збільшується ІЕ і характеристика зміщується ліворуч.

Вихідні характеристики БТ в схемі з СБ визначаються залежністю IK = f(UКБ), при IE = const.

При IE = 0 характеристика проходить через початок координат (без струму емітера при UKБ = 0 не може бути і колекторного струму). Якщо тепер збільшувати зворотну напругу на колекторі, то в його колі з'явиться IКБ0.

Вихідні характеристики мають вигляд прямих ліній. Залежність між струмами IК і IЕ майже лінійна. Тому вихідні характеристики при однаковій зміні струму ДIЕ зміщуються на однакову відстань.

При зміні знака напруги UКБ вже при невеликих його значеннях струм колектора різко зменшується.

Вихідні характеристики мають три характерні області: І - сильна залежність ІК від UКБ, де обидва переходу транзистора відкриті і спостерігається режим насичення струму; ІІ - слабка залежність ІК від UКБ, де можливий активний (підсилювальний) режим роботи транзистора; ІІІ - пробій колекторного переходу.

На сім'ї вихідних характеристик БТ зображена крива максимально допустимої потужності розсіювання колектором РКmax. Вона обмежує значення ІК та UКБ областю дозволених режимів транзистора, які лежать нижче кривої РКmax.

Статичні характеристики БТ для схеми СЕ

Для схеми вмикання з СЕ загальною точкою для входу і виходу є емітер. Очевидно, що

Івх = ІБ; Івих = ІК; Uвих = UКЕ; Uвх = UБЕ.

В даному випадку вхідним є струм бази ІБ, тоді керована частина колекторного струму буде визначатись виразом

ІК = аІЕ + ІКБ0 = а ( ІК + ІБ ) + ІКБ0.

Розв'язуємо ці рівняння відносно ІК.. Тоді одержуємо:

,

де - коефіцієнт передачі струму бази;

- наскрізний струм емітера.

Враховуючи наведені раніше значення а, стає очевидним, що , а це означає, що в схемі зі СЕ є підсилення струму.

Якщо відомий коефіцієнт , то можна визначити за формулою .

Таким чином, при вмиканні транзистора за схемою з СЕ спостерігається посилення за струмом, за напругою та за потужністю.

Вхідні і вихідні характеристики БТ типу n-р-n вмикання з СЕ, показані відповідно на рис. 3.6.

Вхідні характеристики БТ в схемі зі СЕ виражаються залежністю IБ = f(UБE), при UКЕ= const. Сім'я вхідних ( або базових ) характеристик ( Рис. 3.6,а) ілюструє залежність базового струму IБ від напруги на емітерному переході UБE за умови постійності напруги UКЕ між емітером та колектором.

При UКЕ = 0 вхідна характеристика відповідає прямій гілці ВАХ емітерного і колекторного переходів, ввімкнених паралельно. Струм бази є сумарним струмом двох прямих струмів емітерного і колекторного переходів.

При UКЕ > 0 струм бази становить лише малу частину струму емітера, характеристика зміщується праворуч.

Вихідні характеристики БТ ( колекторні ) в схемі зі СЕ ( Рис. 3.6,б ) відображають залежність IК = f(UКЕ), при ІБ= const і досить точно описуються співвідношенням

де

Згідно з рівнянням, при збільшенні струму бази на значення IБ` збільшується струм колектора, тому вихідні характеристики зміщуються вверх.

а б

Рис. 3.6. ВАХ транзистора, увімкненого за схемою з СЕ:

а) вхідні; б) вихідні

Характеристики мало відрізняються від характеристик для схеми з СБ, за виключенням таких особливостей.

По-перше, вихідні характеристики в схемі з СЕ мають більший нахил.

Це засвідчує зменшення вихідного опору транзистора. Ріст струму колектора зі збільшенням напруги UКЕ визначається зменшенням ширини бази за рахунок збільшення ширини області об'ємного заряду колекторного переходу. При зменшенні ширини бази коефіцієнт перенесення неосновних носіїв через область бази зменшується, отже, збільшується коефіцієнт передачі струму емітера. Коефіцієнт передачі струму бази в схемі з СЕ росте швидше, ніж коефіцієнт а. Тому при постійному струмі бази струм колектора збільшується більше, ніж у схемі з СБ.

По-друге, як вихідні, так і вхідні характеристики стрімко змінюють свій хід при напрузі колектора, близьких до напруги бази. Це пояснюється тим, що колекторний перехід при такій напрузі відкривається й з'являється зустрічний струм дірок від колектора. При UКЕ = 0 вхідна характеристика представляє собою вольт-амперну характеристику двох переходів, увімкнених паралельно в прямому напрямку, тому UБЕ різко знижується.

Характеристики схеми з СК схожі з характеристиками схеми з СЕ, оскільки в обох схемах вхідним струмом є струм бази, а вихідні струми ІЕ ? ІК. Тому для графічного аналізу схеми з СК використовують сім'ї статичних характеристик схеми СЕ.

Характеристиками транзистора користуються, як правило, для визначення режимів роботи транзисторних каскадів за будь-якою схемою ввімкнення, а також для графічного аналізу цих каскадів при великих сигналах. Для аналітичного розрахунку транзисторних каскадів застосовують еквівалентні схеми транзисторів. Еквівалентні схеми транзистора підрозділяють на дві групи: еквівалентні схеми, побудовані з урахуванням фізичних властивостей транзистора, його структури і геометрії (моделі транзистора), і еквівалентні схеми, що відображають властивості транзистора як активного лінійного чотириполюсника (формальні еквівалентні схеми). Перші характеризуються фізичними (внутрішніми) параметрами транзистора, другі -- параметрами транзистора як чотириполюсника (характеристичними параметрами).

Біполярний транзистор як активний лінійний чотириполюсник

При любій схемі вмикання, якщо рівень вхідного сигналу малий і транзистор працює на лінійній ділянці ВАХ ( робота в режимі малого сигналу ), його можна розглядати як активний лінійний чотириполюсник (рис. 3.7), в якому напруги і струми на вході U1 і І1 і виході U2 і І2 зв'язані між собою різноманітними системами рівнянь.

Ріс. 3.7. Еквівалентний чотириполюсник

На практиці для характеристики транзисторів найбільш зручна система h-параметрів і відповідна їм система рівнянь. Коефіцієнти в цих рівняннях, які називають h-параметрами, мають певну фізичну суть:

де при Д - вхідний опір транзистора при короткому замиканні на виході для змінної складової струму;

при ? - коефіцієнт зворотного зв'язку за напругою при розімкнутому вході для змінної складової струму;

при ? - коефіцієнт передачі струму при короткому замиканні на виході;

при ? - вихідна провідність при розімкнутому вході.

Розмірність останнього параметру в відповідно до СІ позначається См (сіменс).

Еквівалентна схема транзистора в h-параметрах наведена на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Еквівалентна схема транзистора для системи

h-параметрів

Джерело h21I1 еквівалентної схеми називають залежним джерелом струму, тому що значення струму цього джерела залежить від струму на вході. Це джерело характеризує підсилення вхідного струму. Аналогічно джерело h12U2 називають залежним джерелом ЕРС. Воно характеризує зворотний зв'язок по вихідній напрузі.

Система рівнянь може бути конкретизована в залежності від схеми вмикання:

Схема з СБ Схема з СЕ

Визначання h-параметрів БТ за статичними характеристиками

Величина h-параметрів залежить від схеми вмикання транзистора. Їх можна визначити графоаналітично за статичними вхідними і вихідними характеристиками.

Для визначення усіх h-параметрів графоаналітичним методом необхідно мати не менше двох характеристик кожної сім'ї. Параметри розраховують за величинами кінцевих приростів струмів і напруг поблизу робочої точки транзистора.

Розглянемо визначення h-параметрів транзистора у вибранній робочій точці по вхідним і вихідними характеристиками транзистора для схеми з СЕ (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Визначення h-параметрів для схеми з СЕ:

• а) за вхідними характеристиками;
• б) за вихідними характеристиками

Параметри вхідного кола h11 і h12 визначають за вхідними характеристиками транзистора (рис. 3.9, а). За точку спокою транзистора обираємо точку А. Задаємо приріст струму бази IБ симетрично відносно точки А при постійній напрузі колектора UКЕ (точки 1 і 2, (рис. 3.9, а)). Знаходимо відповідну IБ зміну напруги UБE. Тоді вхідний опір транзистора

Для постійного струму бази в робочій точці IБ0 = IБ`` задаємо приріст напруги колектора UКЕ =UКЕ` - UКЕ `` (точки А і В) і визначаємо відповідну цьому зміну напруги бази UБЕ`. Тоді коефіцієнт зворотного зв'язку за напругою

Параметри h22 і h21 визначаємо за вихідними характеристиками для тієї ж точки А (рис. 3.9, б). При сталому струмі бази IБ`` задаємо симетрично точці А приріст колекторної напруги UКЕ (точки 3 і 4) і знаходимо відповідний цьому приріст струму колектора IК` .

Тоді вихідна провідність транзистора

Вона має позитивне значення, тому що збільшення напруги супроводжуються збільшенням струму.

Далі при постійній напрузі колектора задаємо приріст струму бази IБ` теж симетрично відносно точки А (точки С і D) і знаходимо відповідний приріст струму колектора IК`` . Тоді диференціальний коефіцієнт передачі струму бази

Аналогічно можна визначити за відповідними характеристиками параметри транзистора в інших схемах вмикання. Точність визначення параметрів графоаналітичним методом недостатньо висока. Точніші результати дає безпосереднє вимірювання параметрів за допомогою спеціальних вимірювальних приладів.