2. 2. Статические характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером

На схеме включения рис. 14 эмиттер (Э) –общий электрод для входной и выходной цепей, база (Б) – входной электрод, коллектор (К) – выходной электрод, U_БЭ – входное напряжение, U_КЭ – выходное напряжение.

Напряжение на коллекторном переходе: U_КБ = U_КЭ – U_БЭ.

Рис. 14. Схема включения транзистора с ОЭ

Входные характеристики транзистора: .

Рис. 15. Входные характеристики транзистора в схеме с ОЭ

Рис. 16. Начальная Рис. 17. Зависимость токов в транзисторе

область входной ха- от входного напряжения U_БЭ в схеме с ОЭ

рактеристики тран-

зистора в схеме с ОЭ

Сначала рассмотрим входную характеристику, снятую при U_КЭ'' (среднюю), попутно рассматривая зависимости I_Э и I_К от U_БЭ.

Рис. 18. Схема включения транзистора с ОЭ в режиме отсечки

ЕслиU_БЭ подать такой полярности, чтобы ЭП включался в обратном направлении, то транзистор находится в режиме отсечки, т.к. U_КБ = U_КЭ + U_БЭ (обе ЭДС включены согласно) и включает КП в обратном направлении. Основные носители заряда (1 и 2 на ЭП, 5 и 6 на КП) не могут преодолеть высокие потенциальные барьеры и поэтому в создании токов не участвуют. Через обратносмещенные ЭП и КП дрейфуют только неосновные носители заряда, создавая через ЭП неуправляемый тепловой ток I_Э0 (потоки 3 и 4), а через КП – неуправляемый тепловой ток I_К0 (потоки 7 и 8). Замыкаясь через вывод базы, эти токи создают втекающий ток базы, равный по величине I_Э0 + I_К0. Так как токи I_Э0 и I_К0 от U_БЭ не зависят, то и I_Б в режиме отсечки не изменяется при изменении U_БЭ.

Таким образом, в режиме отсечки I_Э = – I_Э0, I_К = I_К0, I_Б = – I_К0 – I_Э0.

Для симметричного транзистора (Э и К одинаково легированы примесями) |I_К0| = |I_Э0|, а |I_Б| = 2|I_К0| = 2|I_Э0|. Все токи очень малы и неуправляемы – транзистор заперт.

В активном режиме ЭП транзистора включен в прямом направлении (I_Э>0), а т.к. |U_КЭ| > |U_БЭ|, U_КБ = U_КЭ – U_БЭ, то КП включается в обратном направлении. Все токи в этом режиме изменяются при изменении U_БЭ.

Ток коллектора I_К = I_К0 + I_Кр.

7,8 [1]

[1] – зависит от U_БЭ и I_Э .

Ток базы I_Б = –I_К0 – I_Э0 + I_r + I_{Эn .}

Составляющие –I_К0 – I_Э0 были в режиме отсечки, в активном режиме к ним добавились I_r + I_{Эn ,} которые зависят от U_БЭ и I_Э.

При каком-то U_БЭ0 | I_К0 + I_Э0 | = | I_r + I_Эn |, I_Б =0, I_К = I_Э = I_К0Э > I_{К0 .}

U_БЭ0 – напряжение запирания I_Б, напряжение переворота фазы I_Б (I_Б в этой точке изменяет свое направление).

I_К0Э – сквозной коллекторный ток. При разрыве цепи базы (I_Б =0) ток I_К0 через обратносмещенный КП не может замкнуться через вывод базы, поэтому электроны потока 7, вошедшие в базу, за счет градиента концентрации проходят тонкую базу и частично заполняют обедненную электронами область базы ЭП, что равносильно подсмещению ЭП в прямом направлении, через уменьшенный по высоте барьер ЭП дырки потока 1 начинают впрыскиваться в базу, диффундировать через нее и экстрагироваться в коллектор, поэтому I_К0Э > I_К0. Ток I_К0Э создается носителями заряда, идущими сквозь весь транзистор, не ответвляясь в цепь базы, отсюда и его название.

При дальнейшем увеличении |U_БЭ| положительные составляющие I_Б и управляемая часть I_К становятся больше неуправляемых I_К0 и I_Э0 и делают «погоду», т.е. в активном режиме I_К  I_Кp, а I_Б  I_r .

В активном режиме I_Э экспоненциально зависит от напряжения U_БЭ на прямосмещенном ЭП, отсюда сильная зависимость I_К и I_Б от этого напряжения: I_К = I_Э + I_К0, I_Б = (1 – )I_Э – I_К0 .

При увеличении |U_БЭ| резко возрастают токи I_К и I_Б , т. к. резко ( по exp. закону) возрастает ток эмиттера I_Э.

Итак, рассмотрели среднюю входную характеристику, снятую при U_КЭ''=Const.

При увеличении |U_КЭ| входная характеристика расположена очень близко к рассмотренной, но ниже ее, т.е. I_Б уменьшается незначительно при переходе из точки 2 в точку 1 (при U_БЭ'=Const ).

При |U_БЭ|=Const увеличение |U_КЭ| приводит к увеличению |U_КБ|, т.к.

U_КБ = U_КЭ – U_БЭ, толщина коллекторного перехода _КП возрастает, толщина базы W_Б уменьшается, вследствие эффекта Эрли уменьшается вероятность рекомбинации впрыснутых дырок в базе (количество впрыснутых дырок постоянно, т.к. |U_БЭ|=Const), т.е. ток базы I_Б уменьшается.

Чтобы при увеличении |U_КЭ| I_Б =Const (точки 2 и 4), необходимо увеличить |U_БЭ|, т. е. ток эмиттера I_Э возрастёт.

Таким образом, U_БЭ'' > U_БЭ', p₂ > p₁. Площадь треугольника под прямой 4 должна равняться площади треугольника под прямой 2 (условие постоянства I_Б).

Входные характеристики при U_КЭ'' и U_КЭ''' соответствуют активному режиму, т.к. |U_КЭ''| и |U_КЭ'''| больше |U_БЭ|.

Если же |U_КЭ| < |U_БЭ|, то КП включен в прямом направлении, транзистор находится в режиме насыщения.

Рис. 19. Распределение

концентрации неосновных

носителей заряда (дырок)

в базе транзистора

При U_КЭ' = 0 коллекторный переход включен в прямом направлении

(+ от U_БЭ приложен к коллектору относительно базы), причем |U_КБ| = |U_БЭ|, что соответствует точке 3 (I_Б''') на верхней входной характеристике рис. 15.

В режиме насыщения I_Б = I_r + I_Эn + I_r'+ I_Кn (I_r + I_Эn за счет ЭП, I_r'+ I_Кn за счет КП).

Отрицательными составляющими I_Б (I_К0, I_Э0) пренебрегаем вследствие их малости по сравнению с положительными составляющими.

Рис. 20. Составляющие тока базы

в режиме насыщения

В точке 3 для симметричного транзистора I_Б  в 2 раза больше, чем в точке 2 (дырки впрыскиваются в базу и из эмиттера и из коллектора; и те и другие частично рекомбинируют в базе с электронами). Поэтому входная характеристика при U_КЭ = 0 «особняком» стоит по отношению к входным характеристикам, соответствующим активному режиму, которые так близко находятся друг от друга, что практически сливаются. Поэтому в справочниках приводится одна входная характеристика в активном режиме и одна при U_КЭ= 0.

Выходные характеристики: .

Рис. 21. Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ при U_БЭ=Const

Эти характеристики выглядят так же, как

только смещены относительно оси ординат.

Рис. 22. Выходные характеристики транзистора в схеме с ОБ при U_ЭБ=Const

В схеме с общей базой ось ординат разделяет режим насыщения (Р.Н. – левее) от активного режима (правее). На оси ординат U_КБ = 0, что соответствует точке 3.

В схеме с общим эмиттером чтобы получить точку 3 (U_КБ = 0), нужно подать U_КЭ > 0, |U_КЭ| должно равняться |U_БЭ|, т.е. выходные характеристики смещены вправо относительно аналогичных для схемы с общей базой. Если увеличить |U_КЭ|, то при U_БЭ = Const увеличится |U_КБ|, т.к. U_КБ = U_КЭ – U_БЭ.

Если U на входе (U_ЭБ в схеме с ОБ, U_БЭ в схеме с ОЭ), т.е. U_ЭП =Const, то при изменении напряжения на выходе (U_КБ в схеме с ОБ, U_КЭ в схеме с ОЭ) изменяется U на КП, поэтому выходные характеристики

всхеме с ОЭ можно было бы и не объяснять, но для рассмотрения следующего семейства выходных характеристик

необходимо знание зависимости

и в режиме насыщения, и в активном режиме, поэтому мы рассмотрим все составляющие токов I_К и I_Б в точках 1, 2, 3, 4, 5.

Если |U_КЭ| < |U_БЭ'''|, то КП включен в прямом направлении (точки 1 и 2), если же |U_КЭ| > |U_БЭ'''| – то в обратном (точки 4 и 5); точка 3 находится на стыке 2-х режимов.

Точка 1.

U_КЭ =0, U_ЭП > 0, U_КП > 0, причем |U_КБ| = |U_БЭ'''|.

I_К  I_Кp – I_5,6  0 (если строго, то меньше 0),

I_Б = I_r + I_Эn + I_r'+ I_Кn ( отрицательными составляющими тока базы пренебрегаем вследствие их малости).

Рис. 23. Зависимость токов I_Б и I_К транзистора от выходного напряжения U_КЭ в схеме с ОЭ

Точка 2.

U_КЭ >0, но |U_КЭ| < |U_БЭ'''|.

U_ЭП > 0, U_КП > 0, но |U_КБ| уменьшилось по сравнению с точкой 1, поэтому отрицательная составляющая тока коллектора I_5,6 резко уменьшается (по exp закону).

При U_БЭ'''=Const I_КP  Const, поэтому ток коллектора I_К = I_Кp – I_5,6 резко увеличится, а ток базы I_Б = I_r + I_Эn + I_r'+ I_Кn (I_r + I_Эn  Const,

I_r'+ I_Кn ) резко уменьшится.

Точка 3.

U_КЭ >0. |U_КЭ|  |U_БЭ'''|

U_ЭП > 0, U_КП  0 . I_5,6  0

Ток коллектора I_К = I_Кp ( резко возрастает по сравнению с точкой 1, т.к. I_5,6 исчез).

Ток базы I_Б = I_r + I_Эn ( резко уменьшается по сравнению с точкой 1, т.к. I_r'+ I_Кn  0).

Таким образом, в режиме насыщения I_К и I_Б резко изменяются при малейшем изменении U_КЭ, т.к. отрицательная составляющая тока I_К (I_5,6) изменяется по экспоненциальному закону.

В активном режиме

U_ЭП > 0, U_КП < 0.

Точка 4.

|U_КЭ'| > |U_БЭ'''| , U_КБ'= U_КЭ' – U_БЭ'''.

Точка 5.

|U_КЭ''| > |U_БЭ'''| , U_КБ''= U_КЭ'' – U_БЭ'''.

Рис. 24. Распределение концентрации

неосновных носителей заряда (дырок)

по толщине базы транзистора в АР

В

активном режиме при переходе из точки 4 в 5 приU_БЭ''' =Const увеличивается |U_КЭ|, увеличивается |U_КБ|, возрастает толщина коллекторного перехода _КП, уменьшается толщина базы W_Б – вследствие модуляции W_Б коллекторным напряжением (эффект Эрли) немного изменятся коэффициенты переноса и передачи тока I_Э (æ,  ), I_Б уменьшится, I_Э

возрастёт, т. к. возрастёт (рис. 24).

Т. к. в активном режиме I_К = I_Э + I_К0, то I_К возрастает. Но изменения I_К и I_Б в активном режиме значительно меньше, чем в режиме насыщения, что наглядно демонстрирует распределение концентрации впрыснутых из эмиттера дырок по толщине базы в точках 1, 2, 3, 4, 5 (рис. 25).

Рис. 25. Распределение концентрации

неосновных носителей заряда (дырок) по толщине

базы транзистора при U_БЭ =Const

28