Статические характеристики биполярного транзистора

Статические характеристики биполярного транзистора позволяют определить его основные параметры, такие как входное и выходное сопротивление, статический коэффициент усиления. В ряде случаев по ним можно определить рабочую точку усилительного каскада. Статические характеристики зависят от схемы включения транзистора (схема с общей базой или схема с общим эмиттером). Начнём со схемы с общим эмиттером.

Входные характеристики биполярного транзистора в схеме с ОЭ

Схема измерения статических характеристик биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером приведена на рисунке 1.

Схема измерения статических характеристик в схеме с ОЭ

Рисунок 1. Схема измерения статических характеристик в схеме с общим эмиттером

Для снятия входных характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером зафиксируем напряжение на коллекторе. Зависимость тока базы от напряжения на базе и будет входной характеристикой транзистора. Входные характеристики n-p-n транзистора при нулевом напряжении на коллекторе и при напряжении на коллекторе, равным 5 В, приведены на рисунке 2.

Семейство входных характеристик БТ в схеме с ОЭ

Рисунок 2. Входные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

Входная характеристика биполярного транзистора, снятая при нулевом коллекторном напряжении не отличается от вольтамперной характеристики полупроводникового диода, что собственно говоря и не удивительно. Характеристика определяется в основном эмиттерным переходом, так как уровень легирования области коллектора значительно меньше уровня легирования эмиттера.

При подаче на коллектор напряжения, к току эмиттерного перехода добавляется ток коллекторного перехода и входная характеристика несколько изменяется. В основном при малых значениях напряжения U_бэ. При нулевом значении напряжения U_бэ ток I_б0 будет определяться обратным током коллектора при напряжении U_кб = U_к − U_бэ, и, соответственно, вытекать из базы n-p-n транзистора. При возрастании напряжения U_бэ к обратному току коллектора добавляется ток эмиттерного перехода, и начиная с напряжения U_бэ0 ток будет втекать в базу n-p-n транзистора.

При увеличении напряжения на коллекторе кроме смещения входной характеристики биполярного транзистора вправо, она становится более пологой. Это означает, что входное сопротивление биполярного транзистора увеличивается. Возрастание входного сопротивления вызвано расширением коллекторного перехода под воздействием запирающего напряжения U_кб, что в свою очередь приводит к уменьшению ширины базовой области транзистора.

Выходные характеристики биполярного транзистора в схеме с ОЭ

Выходные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером снимаются при постоянном значении тока базы. Пример семейства выходных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, приведен на рисунке 3.

Семейство выходных характеристик БТ в схеме с ОЭ

Рисунок 3. Выходные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

Начальные участки характеристик соответствуют режиму насыщения, а участки с малым наклоном — активному режиму биполярного транзистора. Переход от режима насыщения к рабочему режиму биполярного транзистора происходит при значениях |U_кэ|, превышающих |U_бэ|. Режим отсечки биполярного транзистора соответствует токам, меньшим I_б = 0.

Наклон выходных характеристик определяет выходное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером. Относительно большой наклон этих характеристик (по сравнению со схемой включения транзистора с общей базой) связан с влиянием эффекта модуляции толщины базы (эффект Эрли). При увеличении напряжения U_кэ возрастает напряжение U_кб, что приводит к уменьшению толщины базовой области транзистора, а значит уменьшению тока базы. Для сохранения тока базы на прежнем уровне приходится увеличивать напряжение U_бэ, что приводит к росту I_к.

Входные характеристики биполярного транзистора в схеме с ОБ

Схема измерения статических характеристик биполярного транзистора в схеме с общей базой приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема измерения статических характеристик в схеме с общей базой

Семейство входных характеристик схемы с общей базой представляет собой зависимость I_Э = f(U_ЭБ) при фиксированных значениях напряжения на коллекторном переходе U_КБ. Пример входных характеристик транзистора в схеме с общей базой при напряжениях U_КБ = 0 В и 10 В приведён на рисунке 5.

Семейство входных характеристик БТ в схеме с ОБ

Рисунок 5. Входные характеристики биполярного транзистора в схеме с общей базой

При U_КБ = 0 В входная характеристика биполярного транзистора в схеме с общей базой подобна вольтамперной характеристике p-n перехода. С увеличением напряжения U_КБ (для n-p-n транзистора U_КБ > 0 В) из-за эффекта Эрли (уменьшения ширины базовой области под действием коллекторного напряжения) происходит смещение входных характеристик вверх: при увеличении U_КБ растет ток эмиттера I_Э.

То же самое можно представить по другому. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_Э = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение U_ЭБ. В результате характеристика сдвигается влево. Следует заметить, что при U_КБ > 0 и U_ЭБ = 0 существует небольшой ток эмиттера I_Э0, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении U_ЭБ0.

Выходные характеристики биполярного транзистора в схеме с ОБ

Выходные характеристики биполярного транзистора в схеме с общей базой снимаются при постоянном значении тока эмиттера. Пример семейства выходных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой, приведен на рисунке 6.

Семейство выходных характеристик БТ в схеме с ОБ

Рисунок 6. Выходные характеристики биполярного транзистора в схеме с общей базой

Выходная характеристика p-n-p транзистора при токе эмиттера I_Э = 0 и обратном напряжении |U_КБ > 0| подобна обратной ветви p-n перехода. При этом I_К = I_КБ0, т.е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи коллектор-база.

При I_Э > 0 основная часть инжектированных в базу носителей доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток при U_КБ = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных носителей заряда из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока одинаковы по величине. Чем больше заданный ток I_Э, тем большее прямое напряжение U_КБ требуется для получения I_К = 0.

Область на рисунке 6, где между электродами коллектор и база прикладывается запирающее напряжение и ток эмиттера I_Э > 0 соответствует активному режиму биполярного транзистора. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении тока эмиттера I_Э. В идеализированном биполярном транзисторе в схеме с общей базой выходные характеристики выглядят горизонтальными I_К = const. В реальном транзисторе эффект Эрли при росте напряжения |U_КБ| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту h_21Б. При этом ток коллектора должен немного возрастать, но так как значение h_21Б близко к единице, то относительное увеличение тока I_К очень мало и им можно пренебречь. Выходное сопротивление транзистора можно измерить специальными методами.

Итог:

Входные характеристики позволяют оценить нелинейность транзистора.
Входные и выходные характеристики позволяют определить входное и выходное сопротивления транзистора.
На выходных характеристиках транзистора видны области отсечки, насыщения и его рабочая область.

Дата последнего обновления файла 16.06.2022

Вместе со статьей "Статические характеристики биполярного транзистора" читают: