6 Статические характеристики биполярного транзистора

Статические характеристики определяют соотношения между токами и напряжениями в транзисторе.

Если напряжение и ток на входе транзистора обозначить как U_ВХ и I_ВХ, а напряжение и ток на выходе транзистора – как U_ВЫХ и I_ВЫХ, то соотношения между токами и напряжениями в транзисторе можно выразить с помощью четырех систем статических характеристик:

1. Выходная характеристика – это зависимость выходного тока от выходного напряжения при фиксированном значении входного тока: .

2. Входная характеристика - это зависимость входного тока от входного напряжения при фиксированном значении выходного тока: .

3. Характеристика передачи тока - это зависимость выходного тока от входного тока при фиксированном значении выходного напряжения: .

4. Характеристика обратной связи – это зависимость входного напряжения от выходного напряжения при фиксированном значении входного тока: .

Из указанных четырех систем первые две (входная и выходная) являются основными, а остальные две (передачи тока и обратной связи) - вспомогательными, поскольку являются следствием входных и выходных характеристик.

Рассмотрим статические характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером. На рис.5.7 представлены соответственно выходная и входная характеристика п-р-п транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, а также характеристика передачи по току.

Статические характеристики для этой схемы включения транзистора имеет следующие особенности.

1. В системе h–параметров ток коллектора равняется

, (5.32)

где – начальный ток базы транзистора приІ_Б = 0;

2. Для схемы с общим эмиттером , поэтому приколлекторный переход смещен в прямом направлении. Из-за этого крутизна выходных характеристик на участке отдовелика (участок насыщения), а на участкеона существенно уменьшается.

3. Выходные характеристики в системе h–параметров при постоянном токе базы имеют значительный наклон к оси U_KЭ, тем больший, чем больше ток базы. Это связано с тем, что при увеличении U_KЭ ток базы І_Б уменьшается. Для выполнения условия необходимо увеличитьU_KЭ, что приводит к увеличению тока эмиттера, а значит и тока коллектора. Ток базы значительно меньше зависит от чем ток эмиттера, поэтому для удержания тока базы постоянным, необходимо увеличить.

4. Ток коллектора равняется нулю при некотором напряжении. Это связано с наличием сопротивления базового переходаr_БЭ, тогда точка, которая соответствует условию иимеет место при.

5. Пробой коллекторного перехода происходит раньше, чем в схеме транзистора с общей базой.

6. Коэффициент передачи по току  в значительной степени зависит от тока базы (рис.5.8).

7 Работа транзистора в импульсном режиме

При работе в импульсном (ключевом) режиме транзисторы включаются по схеме с общим эмиттером (рис.5.9 а). В процессе прохождения тока транзистор работает в трех режимах. В промежутке между импульсами транзистор находится в режиме отсечки, в момент переключения – в активном режиме, в момент прохождения импульса – в режиме насыщения.

В исходном состоянии транзистор находится в режиме отсечки (до времениt₀). При подаче на базу импульса тока положительной полярности (в момент времени t₀) открывается эмиттерный переход и с задержкой t₀ – t_З появляется коллекторный ток. Задержка связана с конечным временем пролета сквозь базу инжектированных эмиттером носителей заряда. Длительность фронта коллекторного импульса t_Ф определяется разбросом скоростей инжектированных в базу носителей заряда, в результате не все носители достигают коллектора одновременно. В течение времени t_З - t_Ф транзистор работает в нормальном активном режиме, при этом в базе накапливается объемный заряд, созданный инжектированными носителями заряда.

Начиная с момента t_Ф, коллекторный переход открывается при неизменных значениях напряжений источников питания. Транзистор переходит в режим насыщения, что объясняется следующим образом.

С ростом тока коллектора сопротивление коллекторного перехода уменьшается. В результате этого напряжение источника питания U_ИК перераспределяется между транзистором и коллекторной нагрузкой R_H таким образом, что все большая его часть падает на сопротивлении нагрузки и все меньшая часть – на коллекторном переходе. Поэтому с увеличением коллекторного тока потенциал коллектора (точка К) снижается и становится меньше потенциала базы (точка Б). При условии U_К< U_Б коллекторный переход открывается и транзистор переход в режим двойной инжекции. Возникающая инжекция носителей заряда из коллектора препятствует возрастанию коллекторного тока, и далее он остается практически неизменным. Такой максимальный ток коллектора называют током насыщения I_Kнас, а режим двойной инжекции, свойственный открытому состоянию транзисторного ключа, называют режимом насыщения транзистора. Внешним проявлением режима насыщения является независимость тока коллектора I_K от тока базы I_Б. В режиме насыщения коллекторный ток ограничивается сопротивлением нагрузки R_H, а объемный заряд неравновесных носителей заряда в базе в результате двойной инжекции может достигать существенных величин.

В момент времени t_И изменяется направление тока базы и начинается рассасывание носителей заряда, накопленных в базе в режиме насыщения. В момент изменения направления тока базы наблюдается небольшой спад тока коллектора, связанный с изменением падения напряжения на объемном сопротивлении базы. Далее в течение времени t_И – t_Р ток коллектора изменяется слабо, пока накопленные в базе неосновные носители заряда не уйдут из нее или не рекомбинируют в ней. Время, в течение которого транзистор находится в режиме насыщения после окончания импульса прямого базового тока, называется временем рассасывания. Это время определяется конструкцией транзистора, материалом и значением базового тока.

По окончании процесса рассасывания в течение времени t_Р – t_с транзистор переходит в режим отсечки (после времени t_С). Таким образом, при прохождении импульса тока через транзистор изменяется не только форма импульса, но и его длительность.

Времена t_З, t_Ф, t_Р, t_С, определяют быстродействие и частотные свойства транзистора. Для увеличения быстродействия транзистора необходимо уменьшать протяженность базовой области, увеличивать подвижность неосновных носителей заряда или увеличивать их диффузионную и дрейфовую скорость.

Качество транзистора в схеме электронного ключа оценивается не только его быстродействием, но и параметрами, характеризующими выходное и входное сопротивление транзистора в режиме насыщения. Важнейшим из них является напряжение насыщения коллектор-эмиттер (U_КЭнас) – напряжение между выводами коллектора и эмиттера транзистора в режиме насыщения при заданных токах базы и коллектора. Этот параметр позволяет оценить рассеивание мощности транзисторного ключа в открытом состоянии.