ЛЕКЦІЯ 7 ХАРАКТЕРИСТИКИ БІПОЛЯРНИХ ТРАНЗИСТОРІВ 7.1   Статичні характеристики і параметри біполярних   транзисторів

ЛЕКЦІЯ 7 ХАРАКТЕРИСТИКИ БІПОЛЯРНИХ ТРАНЗИСТОРІВ 7.1   Статичні характеристики і параметри біполярних   транзисторів

татичним режимом напівпровідникового приладу називають режим, у якому всі параметри (напруги, струми електродів) постійні. Статичні характеристики виражають залежність між струмом електрода і постійними напругами на електродах приладу.

При аналізі БТ у статичному режимі важливо встановити зв’язок між його струмами і напругами. З цією метою БТ можна зобразити як чотириполюсник, на вході якого діють комплексні вхідні напруги  і струм , а на виході – комплексні  і   (рисунок 7.1). Якщо чотириполюсник у загальному випадку нелінійний, тобто вхідні напруги і струм змінюються в широких межах, то функціональна залежність ,  від  ,  описується в формі статичних характеристик.

 

Рисунок 7.1 – БТ як чотириполюсник

Параметри чотириполюсника, які також описують зв’язок між вхідними та вихідними величинами чотириполюсника в статичному режимі, на відміну від характеристик, визначають при малих змінах  і , і тому чотириполюсник у цьому разі вважають лінійним, а параметри називають малосигнальними.

Система	Y	Z	H
Аргумент	,	,	,
Функції	,	,	,

Характеристики і параметри БТ як чотириполюсника розподіляються між системами  залежнос від того, які напруги і струми беруть за аргументи, а які – за значення функції. Найбільш поширеними є три системи характеристик і параметрів: Y-, Z- та Н- системи (таблиця 7.1).

Таблиця 7.1

Система	Y	Z	H
Аргумент	,	,	,
Функції	,	,	,
Система	Y	Z	H
Аргумент	,	,	,
Функції	,	,	,

Система	Y	Z	H
Аргумент	,	,	,
Функції	,	,	,

 

Оскільки найбільше прикладне значення має Н-система характеристик та параметрів (так звана гібридна система) і їй приділяється максимальна увага в інженерній практиці, в довідниках та іншій спеціальній літературі, то надалі розглядатимемо саме її, тобто вивчатимемо систему статичних гібридних характеристик і малосигнальних h-параметрів.

Отже, в Н- системі за аргументи беруть вхідний струм та вихідну напругу:

=,

=.                                             (7.1)

У статичному режимі один з аргументів фіксується, і БТ можна описати такими сім’ями характеристик:

вхідних=;

вихідних =.

зворотного зв’язку =;

прямої передачі =.

На практиці зручніше користуватися вхідними зворотними характеристиками =. Крім того, останні дві сім’ї, які застосовують рідше, ніж сім’ї вхідних і вихідних характеристик, можуть бути одержані з перших. Розглянемо статичні гібридні характеристики БТ для кожної схеми ввімкнення окремо.

7.1.1 Статичні характеристики біполярного транзистора у схемі зі спільною базою

Теоретично статичні характеристики БТ в ССБ можуть бути одержані за допомогою рівнянь Еберса – Молла. Але в цих рівняннях не враховують опір бази і модуляцію її товщини  залежно від зміни напруги .

Тому на практиці застосовують експериментально зняті статичні характеристики. Схему для зняття характеристик БТ зі спільною базою зображено на рисунку 7.2.

 

Рисунок 7.2 – Схема лабораторного заняття статичних  характеристик БТ зі спільною базою

Слід зауважити, що при одержанні характеристик для транзистора потрібно змінити полярність напруги  і .

Вихідні характеристики

Це залежності . Графіки сім’ї характеристик показано на рисунку 7.13.

 

Рисунок 7.3 – Статичні вхідні характеристики БТ зі спільною базою

При =0 (колектор замкнено з базою) вхідна характеристика відтворює пряму гілку ВАХ ЕП

=.                                 (7.2)

При негативній напрузі на колекторі характеристика зміщується вгору, в бік більших струмів емітера. Причина цього зміщення:

при збільшенні негативної  зменшується активна ширина бази , зростає градієнт концентрації дірок у базі (рисунок 7.4), і тому при незмінній напрузі  збільшується ;

 

Рисунок 7.4 – Модуляція товщини бази БТ та її вплив на  розподіл  концентрації неосновних носіїв

при збільшенні запірної напруги  на КП зростає зворотний струм колектора , який, проходячи через розподілений опір бази , створює на ньому спадання напруги зворотного зв’язку  (рисунок 7.5). Ця напруга, узгоджена з напругою  за напрямом, сприяє більшому відкриванню ЕП і зростанню внаслідок цього струму . Під впливом перелічених причин у емітерному колі БТ при =0 і негативній напрузі на колі проходить невеликий струм емітера.

Для того  щоб його усунути, треба до емітера прикласти невелику негативну напругу.

 

Рисунок 7.5 – Утворення напруги зворотного зв’язку на розподіленому опорі бази

Вихідні характеристики

Вихідні характеристики БТ у ССБ – це графік залежності

,

зображені на рисунку 7.6.

 

Рисунок 7.6 – Статичні вихідні характеристики БТ зі спільною   базою

Ураховуючи вплив напруги  на зворотний струм колектора, рівняння для струму колектора (6.10) можна записати у вигляді

.                    (7.3)

Одержана формула описує вихідні характеристики при різних струмах емітера.

Межею між режимом відсічення (<0) та активним режимом (>0) є характеристика при =0, яка є зворотною гілкою ВАХ КП. При збільшенні негативної напруги  струм колектора швидко досягає значення . Подальше зростання  зумовлюється зростанням струмів генерації та витоку КП. При деяких високих напругах  (для транзистора МП14 при =0 ці напруги перевищують 15В) у КП виникає пробій, що супроводжується значним зростанням колекторного струму.

При >0 вихідні характеристики зменшуються в бік більших колекторних струмів на величину  згідно з формулою (7.3). У загальному випадку це зміщення має нееквідистантний характер, тобто рівним приростам вхідного струму  відповідають нерівні прирости вихідного струму . Це явище викликане залежністю , зображеною на рисунку 7.6, яка свідчить, що статичний коефіцієнт передачі струму  не є постійною величиною для різних струмів емітера. Для більших колекторних та емітерних струмів пробій КП відбувається при менших напругах і може перетворитися в тепловий. З метою унеможливлення пробою режим роботи приладу треба вибирати нижче кривої максимально допустимої потужності , що розсіюються колектором (пунктирна гіпербола на рисунку 7.6).

При >0 та >0 переходи транзистора вмикаються у прямому напрямі, і прилад переходить до режиму насичення. В цьому режимі різко зменшується , тому що зростає інжекційна складова колекторного струму, яка компенсує керовану, екстракційну складову.

Характеристики прямої передачі

Це залежності (рисунок 7.7).

 

Рисунок 7.7 – Сім’я характеристик прямої передачі БТ зі спільною базою

 Вони грунтуються на рівняннях (6.10) або (7.3). З рівняння (7.3) бачимо, що при =0 характеристика починається з точки, яка є початком координат (=0, =0), а нахил цієї характеристики визначається залежністю  від . При >0 характеристика починається з точки =, а зміна її нахилу зумовлюється залежністю (рисунок 7.7). Характеристику прямої передачі можна одержати з сім’ї вихідних характеристик, фіксуючи .

Характеристики зворотного зв’язку

Сім’я характеристик зворотного зв’язку

показана на рисунку 7.18. При збільшенні  зменшується     активна

 

Рисунок 7.8 – Сім’я характеристик зворотного зв’язку БТ зі спільною базою

ширина бази транзистора , і за рахунок зростання градієнта концентрації дірок у базі (див. рисунок 7.4) зростає струм . Для підтримання його постійного значення, як того вимагають умови зняття характеристик, потрібно зростанням  компенсувати зменшення напруги . Ця обставина зумовлює від’ємний нахил характеристик. У базі транзистора зменшення  приводить при збільшенні   до відновлення попереднього градієнта концентрації дірок, тобто нахилу графіка (рисунок 7.9).

 

Рисунок 7.9 – Розподіл концентрації дірок у базі при знятті  характеристик зворотного зв’язку БТ зі спільною базою