2.1. Статические характеристики транзистора в схеме с общей базой (об)

Входные:

.

При U_КБ'=Const входная характеристика – прямая ветвь ВАХ эмиттерного перехода (при увеличении U_ЭБ снижается высота потенциального барьера на ЭП, что приводит к увеличению тока диффузии, тока I_Э).

Рис. 5. Входные характеристики транзистора в схеме с ОБ

При изменении U_КБ входная характеристика смещается относительно предыдущей. Докажем, что при | U_КБ'' | > | U_КБ' | входная характеристика расположена выше, чем при U_КБ'. Для этого возьмем на входных характеристиках точки 1 и 2, соответствующие одному и тому же U_ЭБ'', но различным U_КБ. Надо доказать, что в точке 2 (U_КБ'') ток эмиттера больше, чем в точке 1 (U_КБ'), т.е. I_Э''> I_Э'. Обе точки соответствуют активному режиму.

Рассмотрим распределение концентрации впрыснутых из эмиттера носителей заряда в базе по ее толщине на примере транзистораp-n-p структуры, принимая x=0 на границе эмиттерного перехода.

При |U_КБ''| > |U_КБ'| Δ_КП''>Δ_КП' (толщина коллекторного перехода), W_Б''<W_Б' (толщина базы).

Рис. 6. Распределение концентрации

дырок в Б транзистора по ее толщине

Эффект модуляции толщины базы коллекторным напряжением U_К получил название эффекта Эрли.

ЕслиU_ЭБ''= Const, то p₂=Const (точки 1 и 2). Вследствие изменения толщины базы линия 2, показывающая распределение концентрации впрыснутых из эмиттера дырок по толщине базы в точке 2 входной характеристики, имеет больший наклон по отношению к линии 1, соответствующей точке 1, т.е. градиент концентрации впрыснутых дырок на границе ЭП в базе увеличился:

.

Мы помним, что в активном режиме I_Э по природе своей является током диффузии,

dP

'

'

' .

0

 

Э

I

Э



I

поэтому

,

dx

~

I

X

Э

Чтобы при измененииU_КБ ( |U_КБ''| > |U_КБ'| ) ток эмиттера I_Э' остался неизменным, т.е.

необходимо при уменьшении толщины базы p₁ < p₂, т.е. U_Э'' < U_Э'

(точки 1 и 3).

Выходные:

Рис. 7. Выходные характеристики транзистора в схеме с ОБ при I_Э = Const

Если I_Э = 0 (цепь эмиттера разорвана), то |U_КБ | возрастает в первой четверти рисунка, что соответствует обратносмещенному КП, I_К = I_К0 – тепловой коллекторный ток, обусловленный дрейфующими через КП неосновными носителями заряда: дырками 8 потока и электронами 7 потока. Нарисованная пунктиром на рис.7 при I_Э =0 характеристика – обратная ветвь ВАХ одиночного КП. Неуправляемый ток I_К0 значительно меньше управляемого I_К в активном режиме, поэтому при I_Э =0 характеристика в 1-й четверти нарисована в более увеличенном масштабе по оси I_К по сравнению с другими характеристиками. Если же полярность подводимого U_КБ поменять (3-я четверть), то через прямосмещенный коллекторный переход через пониженный по высоте барьер пойдут еще и основные носители заряда: электроны 6 и дырки 5, создавая ток диффузии, значительно больший по сравнению с I_К0, поэтому ток I_К экспоненциально зависит от U_КБ и изменяет свое направление (I_К втекает через вывод коллектора). Нарисованная в 3-ей четверти характеристика при I_Э = 0 – прямая ветвь ВАХ коллекторного перехода (увеличен масштаб по оси U_КБ по сравнению с 1-ой четвертью).

Если I_Э >0, к примеру I_Э''', то через обратносмещенный КП в активном режиме (точки 1 и 2) дрейфуют не только неосновные равновесные носители заряда 7 и 8, создающие ток I_К0, но и неосновные неравновесные дырки – та часть из числа впрыснутых их эмиттера (поток дырок 1), которая не рекомбинируя дошла до КП, создавая управляемый входом ток I_Кp = αI_Э.

Таким образом, I_К = I_Кp + I_К0 = αI_Э + I_К0,

[1] 7,8

где [1] – часть дырок потока 1, которая дошла до КП не рекомбинируя.

При изменении U_КБ в активном режиме (|U_КБ''| > |U_КБ'|) ток I_К почти не изменяется (точки 1 и 2 на рис.7). Принципиально при I_Э'''= Const и неуправляемом токе I_К0 ток коллектора I_К может измениться только за счет α (коэффициент передачи тока I_Э), а именно: при увеличении коллекторного напряжения |U_КБ| толщина коллекторного перехода Δ_КП увеличивается, толщина базы W_Б уменьшается, вероятность рекомбинации дырок в базе уменьшается, коэффициент переноса æ возрастает, α = γæ тоже возрастает, но это изменение α незначительно, α  Const.

В точке 3 U_КБ =0, но собственное поле КП является ускоряющим для неосновных носителей заряда, как и в точках 1 и 2, т.е. I_К = I_Кp + I_К0.

При изменении I_Э изменяется уровень инжекции на ЭП, изменяется управляемая часть коллекторного тока I_Кp, поэтому выходная характеристика смещается относительно предыдущей. Если α  Const, то ΔI_К  ΔI_Э (характеристики расположены равномерно друг относительно друга).

В режиме насыщения (2-я и 3-я четверти) через пониженный потенциальный барьер прямосмещенного КП перемещаются еще и основные носители заряда 5 и 6, создавая ток I_5,6, встречный направлению току дрейфа I_Кp. Таким образом, в точках 4, 5, 6 в режиме насыщения I_К = I_Кp + I_К0 – I_5,6.

Отрицательная составляющая тока (за положительные берутся направления токов в активном режиме) I_5,6 экспоненциально зависит от величины прямого U_КБ, поэтому суммарный ток I_К в режиме насыщения очень резко зависит от величины U_КБ в отличие от активного режима.

В точке 4 | I_Кp + I_К0| > |I_5,6|, поэтому I_К >0 (вытекает через вывод коллектора), в точке 5 | I_Кp + I_К0| = |I_5,6|, поэтому I_К =0,

в точке 6 | I_Кp + I_К0| < |I_5,6|, поэтому I_К <0 (втекает через вывод коллектора).

Выходные:

Рис. 8. Выходные характеристики транзистора в схеме с ОБ при U_ЭБ = Const

Это семейство выходных характеристик напоминает семейство выходных характеристик при I_Э =Const: в активном режиме характеристики имеют небольшой наклон по отношению к оси U_КБ, в режиме насыщения малейшее изменение U_КБ вызывает резкое изменение I_К (и по величине и по направлению).

Отличия:

бо'льший наклон к оси U_КБ в активном режиме;

неравномерность расположения характеристик друг относительно друга.

Остановимся на различиях.

В активном режиме при увеличении коллекторного напряжения |U_КБ|

(из точки 1' в 2') толщина коллекторного перехода Δ_КП увеличивается, толщина базы W_Б уменьшается, градиент концентрации дырок в базе на

г

ранице эмиттерного перехода возрастает (рис. 9), поэтому при

U_ЭБ''= Const возрастает ток эмиттера I_Э.

Т.к. в активном режиме I_К = αI_Э + I_К0, то увеличение I_Э сопровождается почти таким же увеличением I_К (при переходе из точки 1 в 2 на предыдущем семействе I_Э'''=Const),

т.е. выходные характеристики, снятые при U_ЭБ = Const, имеют бо'льший наклон к оси U_КБ, чем характеристики, снятые при I_Э=Const.

Рис. 9. Распределение концентрации

дырок в Б транзистора по ее толщине

В режиме насыщения I_К = I_Кp + I_К0 – I_5,6.

При увеличении коллекторного напряжения |U_КБ| (от точки 4' к 5', 6') значительно возрастает по модулю ток | I_5,6| (отрицательная составляющая тока I_К), поэтому ток коллектора I_К резко уменьшается.

Распределение концентрации впрыснутых дырок по толщине базы в точках 1', 2', 3', 4', 5', 6' представлены линиями 1', 2', 3', 4', 5', 6' на рис.10.

Рис. 10. Распределение концентрации дырок в Б транзистора по ее толщине при U_ЭБ = Const

Неравномерность расположения выходных характеристик при U_ЭБ = Const объясняется нелинейностью входной характеристики: одинаковым приращениям U_ЭБ соответствуют разные приращения I_Э и I_К, т.к. в активном режиме I_К  I_Э (точки 7', 1', 8' на выходных и входных характеристиках рис.8, 11).

Рис. 11. Входная характеристика транзистора в схеме с ОБ

Характеристики прямой передачи и обратной связи можно получить путем перестроения по основным (входным и выходным) семействам характеристик, что хорошо видно на совмещенных (все 4 семейства совмещены) характеристиках транзистора.

Совмещенные характеристики транзистора в схеме с общей базой в системе:

представлены на рис. 12.

Характеристики прямой передачи I_К = f (I_Э) при U_КБ''=Const (2-я четверть) получены путем переноса точек из выходных (1-я четверть), характеристики обратной связи U_ЭБ = f (U_КБ) при I_Э=Const (4-я четверть) – из входных (3-я четверть). Для удобства построения веер входных характеристик при U_КБ' и U_КБ'' сознательно взят пошире, поэтому характеристики обратной связи имеют достаточно большой наклон к оси U_КБ. На самом деле они почти параллельны оси U_КБ. Неравномерность расположения характеристик обратной связи определяется нелинейностью входных характеристик, что хорошо видно на рис. 12.

Характеристика прямой передачи при U_КБ'' почти линейна до точки 4, после нее характеристика несколько уплощается (тем же изменениям I_Э соответствуют меньшие изменения I_К,  уменьшается - это объясняется более интенсивными процессами рекомбинации дырок в базе при больших уровнях инжекции). При других U_КБ характеристики прямой передачи практически сливаются с нарисованной.

Рис. 12. Совмещенные характеристики транзистора в схеме с ОБ в системе:

Совмещенные характеристики транзистора в схеме с общей базой в системе:

показаны на рис. 13.

Характеристики прямой передачи I_К = f (U_ЭБ) при U_КБ=Const практически совпадают с входными характеристиками I_Э = f (U_ЭБ) при U_КБ=Const.

Характеристики обратной связи I_Э = f (U_КБ) при U_ЭБ=Const тоже неравномерно расположены друг относительно друга, что объясняется нелинейностью входных характеристик, и имеют небольшой наклон к оси U_КБ, т. к. веер входных характеристик достаточно узкий.

Рис. 13. Совмещенные характеристики транзистора в схеме с ОБ в системе: