Статические характеристики биполярных транзисторов

 

В качестве статических характеристик БТ используются функциональные зависимости между токами и напряжениями, прикладываемыми к их электродам: входная характеристика I₁ = f(U₁) при U₂ = const; характеристикаобратной связи U₁=f(U₂) при I₁ = const; характеристика прямой передачи I₂=f(I₁) при U₂ = const; выходнаяхарактеристика I₂ = f(U₂) при I₁ = const.

Для определения параметров и расчета функциональных узлов достаточно иметь входные и выходные характеристики БТ в схемах с общей базой и общим эмиттером.

Для определенности и преемственности изложения будем рассматривать

p-n-p транзистор.

 

Схема с общей базой

Семейство входных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимость I_Э = f (U_ЭБ) при фиксированных значениях параметра U_КБ - напряжения на коллекторном переходе (рисунок 5.5, а).

При U_КБ = 0 характеристика подобна ВАХ p-n -перехода. С ростом обратного напряжения U_КБ (U_КБ < 0 для p-n-p транзистора) происходит уменьшение ширины базовой области (эффект Эрли). Это приводит смещение характеристики вверх: I_Э растет при выбранном значении U_ЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_Э = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение U_ЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при U_КБ < 0 и U_ЭБ = 0 существует небольшой ток эмиттера I_Э0, обусловленный влиянием падения напряжения на сопротивлении базы при протекании через нее I_{КБО .} Он становится равным нулю только при некотором обратном напряжении U_ЭБ0.

 

 

а)	б)
Рис. 5.5. Характеристики БТ в схеме включения с ОБ: а) входные характеристики; б) выходные характеристики

 

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости I_К = f (U_КБ)при заданных значениях тока эмиттера I_Э (рисунок 5.5, б). Выходная характеристика p-n-p транзистора при I_Э = 0 и обратном напряжении U_КБ < 0 подобна обратной ветви p-n перехода (диода). При этом в соответствии с (5.11) 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 (дырок в

p-n-p транзисторе) доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток при U_КБ = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов и ускоряющего обратного напряжения, приложенного к коллекторному p-n переходу. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок в базу из эмиттера и коллектора. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока будут одинаковы по величине (например, точка А на рисунке 4.5, б). Чем больше заданный ток I_Э, тем большее прямое напряжение U_КБ требуется для получения I_К = 0.

Область в первом квадранте на рисунке 5.5, б, где U_КБ < 0 (обратное) и параметр I_Э > 0 (что означает прямое напряжение) соответствует активному режиму (АР). Значение коллекторного тока в АР определяется формулой (5.11) I_К = aI_Э + I_КБО. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении тока эмиттера I_Э. В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли (уменьшение ширины базовой области), поэтому интегральный коэффициент передачи тока a можно считать постоянным, не зависящим от значения | U_КБ |. Следовательно, в идеализированном БТ выходные характеристики оказываются горизонтальными (I_К = const). Реально же эффект Эрли при росте | U_КБ | приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию в базе и росту a. При этом незначительно увеличивается выходная проводимость. Так как значение a близко к единице, то относительное увеличение очень мало и может быть обнаружено только измерениями. Поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх «на глаз» не заметно (на рисунке 5.5, б масштаб не соблюдается).

 

Схема с общим эмиттером

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимости I_Б = f (U_БЭ), причем заданным параметром является напряжение U_КЭ (рисунок 5.6, а). Для p-n-p транзистора отрицательное напряжение U_БЭ (U_БЭ<0) означает прямое включение эмиттерного перехода, так как (U_ЭБ=-U_БЭ)>0.

Если при этом U_КЭ = 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход будет включен в прямом направлении: U_КБ=U_КЭ+U_ЭБ= = U_ЭБ > 0. Поэтому входная характеристика при U_КЭ = 0 будет соответствовать режиму насыщения (РН), а ток базы будет равным сумме токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряжения U_ЭБ, так как оно приводит к усилению инжекции через оба перехода (U_КБ = U_ЭБ) и соответствующему возрастанию потерь на рекомбинацию, определяющих базовый ток.

Вторая характеристика на рисунке 5.6, а (U_КЭ < 0) относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение U_КЭ должно быть в p-n-p транзисторе отрицательным и по модулю превышать напряжение U_ЭБ. В этом случае (U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ = U_КЭ - U_БЭ) < 0.

 

а)	б)
Рис. 5.6. Характеристики БТ в схеме включения с ОЭ: а) входные характеристики; б) выходные характеристики

 

Формально ход входной характеристики в активном режиме можно объяснить с помощью выражения (5.14) или (5.17): I_Б =(1 - a)∙I_Э - I_КБ0. При малом напряжении U_БЭ инжекция носителей практически отсутствует (I_Э = 0) и ток I_Б = -I_КБ0, т.е. отрицателен. Увеличение прямого напряжения на эмиттерном переходе U_ЭБ = -U_БЭ вызывает рост I_Э и величины (1 - a) I_Э. Когда (1 - a) I_Э = I_КБ0, ток I_Б = 0. При дальнейшем росте напряжения U_БЭ [(1 - a) I_Э]> I_КБ0 и I_Б меняет направление и становится положительным (I_Б > 0) и сильно зависящим от напряжения перехода.

Влияние U_КЭ на I_Б в активном режиме можно объяснить тем, что рост | U_КЭ | означает рост |U_КБ | и, следовательно, уменьшение ширины базовой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики незначительно вниз).

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимости I_К = f(U_КЭ) при заданном параметре I_Б (рисунке 5.6, б).

Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном - к нормальному активному режиму. Переход от первого режима ко второму, как уже отмечалось, происходит при значениях | U_КЭ |, превышающих | U_БЭ |. На характеристиках в качестве параметра берется не напряжение U_БЭ, а входной ток I_Б. Поэтому о включении эмиттерного перехода приходится судить по значению тока I_Б, который связан с входной характеристикой (рисунок 5.6, а). Для увеличения I_Б необходимо увеличивать | U_БЭ |, следовательно, и граница между режимом насыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений.

Если параметр I_Б = 0 («обрыв» базы), то в соответствии с (4.22) I_К = I_КЭ0 = (b + 1) I_КБ0. В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ) I_К = I_КБ0, если задать отрицательный ток I_Б = - I_КБ0. Выходная характеристика с параметром

I_Б = - I_КБ0 может быть принята за границу между активным режимом (АР) и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту границу условно принимают характеристику с параметром I_Б = 0.

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режиме в схеме с общим эмиттером во много раз больше, чем в схеме с общей базой (h_22Э» bh_22Б) Объясняется это различным проявлением эффекта Эрли. В схеме с общим эмиттером увеличение U_КЭ, а следовательно и U_КБ, сопровождается уменьшением тока базы, а он по определению выходной характеристики должен быть неизменным. Для восстановления тока базы приходится регулировкой напряжения U_БЭ увеличивать ток эмиттера, а это вызывает прирост тока коллектора D I_К, т.е. увеличение выходной проводимости (в схеме с ОБ ток I_Э при снятии выходной характеристики поддерживается неизменным).

Влияние температуры на статические характеристики БТ

Влияние температуры на положение входной характеристики схемы с ОБ при поддержании неизменным напряжения коллектор-база аналогично влиянию температуры на ВАХ полупроводникового диода. В нормальном активном режиме ток эмиттерного перехода можно представить формулой

. (5.23)

С ростом температуры тепловой ток I_Э0 растет быстрее, чем убывает экспонента из-за увеличения j_Т = kT / q. В результате противоположного влияния двух факторов входные характеристики схемы с ОБ смещаются влево при выбранном токе I_Э на величину D U» (1...2) мВ/°С (рисунок 5.7, а).

а)	б)
Рис. 5.7. Зависимость входных характеристик от температуры: а) для схем ОБ; б) для схем ОЭ

 

Начало входной характеристики в схеме с ОЭ определяется тепловым током коллекторного перехода I_КБО который сильно зависит от температуры, так что начало характеристики при увеличении температуры опускается (рисунок 5.7, б). При больших значениях тока базы характеристики ведут себя по тем же причинам так же, как и в схеме с ОБ.

Влияние температуры на выходные характеристики схем с ОБ и ОЭ в АР удобно анализировать по формулам (5.11) и (5.22):

и .

Снятие выходных характеристик при различных температурах должно проводиться при поддержании постоянства параметров (I_Э = const в схеме с ОБ и I_Б = const в схеме с ОЭ). Поэтому в схеме с ОБ при I_Э = const рост I_К будет определяться только увеличением I_КБО (рисунок 5.8, а).

Однако обычно I_КБО значительно меньше aI_Э, изменение I_К составляет доли процента и его можно не учитывать.

В схеме с ОЭ положение иное. Здесь параметром является I_Б и его надо поддерживать неизменным при изменении температуры. Будем считать в первом приближении, что коэффициент передачи b не зависит от температуры. Постоянство произведения (b∙I_Б) означает, что температурная зависимость I_К будет определяться слагаемым (b + 1)I_КБО. Ток I_КБО (как тепловой ток перехода) примерно удваивается при увеличении температуры на 10°С, и при b >> 1 прирост тока (b + 1) I_КБО может оказаться сравнимым с исходным значением коллекторного тока и даже превысить его.

 

а)	б)
Рис. 5.8. Зависимость выходных характеристик БТ от температуры. а) для схем включения с ОБ; б) для схем включения ОЭ

 

На рис. 5.8, б показано большое смещение выходных характеристик вверх. Сильное влияние температуры на выходные характеристики в схеме с ОЭ может привести к потере работоспособности конкретных устройств, если не принять схемотехнические меры для стабилизации тока или термостатирование.

 

5.5. Дифференциальные параметры биполярного транзистора

 

Семейства статических характеристик наглядно связывают постоянные токи электродов с постоянными напряжениями на них. Однако при работе устройств с сигналами малой амплитуды возникает задача установить количественные связи между небольшими изменениями (дифференциалами) токов и напряжений от их исходных значений. Эти связи характеризуют коэффициентами пропорциональности - дифференциальными параметрами.

Возможны шесть вариантов выбора независимых и зависимых переменных для описания функциональной связи токов и напряжений в четырехполюснике. На практике применяют два из них – систему h -параметров и систему y -параметров.

Рассмотрим наиболее распространенные дифференциальные параметры биполярных транзисторов - h -параметры, приводимые в справочниках по транзисторам. Для введения этой системы параметров примере в качестве независимых переменных при описании статического режима берут входной ток I_ВХ=I₁ (I_Э или I_Б) и выходное напряжение U_ВЫХ =U₂ (U_KБ или U_КЭ):

 

. (5.24)

 

Тогда уравнение четырехполюсника можно записать в виде:

. (5.25)

Частные производные в выражениях (5.25) являются дифференциальными h -napaметрами, т.е.

, (5.26)

(h₁₁ – входное сопротивление, h₁₂ – коэффициент обратной передачи по напряжению, h₂₁ – коэффициент передачи входного тока и h₂₂ – выходная проводимость). Названия и обозначения этих параметров взяты из теории четырехполюсников для переменного тока.

Для схемы с общей базой

. (5.27)

Эти уравнения устанавливают и способ нахождения по статическим характеристикам и метод измерения h -параметров. Полагая dU_КБ = 0, т.е. U_КБ = const, можно найти h_11Б и h_21Б, а считая dI_Э = 0, т. е. I_Э = const. определить h_12Б и h_22Б.

Аналогично для схемы с общим эмиттером можно переписать (5.27) в виде:

. (5.28)

Приращения статических величин в нашем случае имитируют переменные токи и напряжения.

Модели БТ

Основная задача моделирования состоит в определе­нии связи между физическими параметрами и электрическими характеристиками транзистора. Для этого транзисторы представляют в виде моделей, разновидностью которых являются эквивалентные схемы, состоящие из более простых элементов (диодов, источников тока или напряжения, резисторов, конденсаторов и др.). Модели используют для расчета характеристик и параметров электронных схем.