Статичні вольтамперні характеристики біполярного транзистора

Самостійна робота 22

Статичні характеристики біполярного транзистора

Біполярний транзистор — напівпровідниковий елемент електронних схем, із трьома електродами, один з яких служить для керування струмом між двома іншими. Термін «біполярний» підкреслює той факт, що принцип роботи приладу полягає у взаємодії з електричним полем часток, що мають як позитивний, так і негативний заряд.

На рис. 54 показана схема заміщення біполярного транзистора. На цій схемі функції I₁=f₁(U_еб), I₂=f₂(U_кб) описують нелінійні характеристики емітерного та колекторного переходів. Генератор струму α_NI₁ характеризує зібраний колектором, при нормальному увімкненні транзистора (Uеб > 0, Uкб < 0), інжекційний струм емітера, при нормальному увімкненні транзистора (Uеб > 0, Uкб < 0). Генератор α_II₂ характеризує зібраний емітером, при інверсному увімкненні транзистора (Uеб < 0, Uкб > 0), інжекційний струм колектора.

Для поданої на рис. 54 схеми можна записати:

(4_7)
де (4_8)

Підставивши (4.8) в (4.7), отримаємо вирз для вхідної J_Е(U_ЕБ,U_КБ) та вихідної J_К(U_ЕБ,U_КБ) вольтамперних характеристик транзистора в схемі з СБ:

(4_9)
Рис. 54. Схема заміщення біполярного транзистора pnp типу.

Графіки вольтамперных характеристик біполярного транзистора для схеми зі спільною базою наведені на рис. 55. Можна виділити три основні області, які відповідають різним режимам роботи транзистора. Побудуємо розподіл неосновних носіїв для характерних точок, що розміщені в кожній з цих областей (рис. 55). При побудові розподілу врахуємо, що ширина бази є малою (W<<Lp), і експоненційний розподіл інжектованих носіїв можна замінити лінійним. Таким чином, для побудови розподілу носіїв заряду необхідно визначити відповідні до зміщень на переходах граничні значення концентрацій носіїв а потім з'єднати їх прямою лінією. Граничні значення концентрацій будуть рівними:

(4_10)

Для струмів через емітерний та колекторний переходи і напруг на них будуть справедливими наступні співвідношення:

(4_11)
Рис. 55. Статичні вольтамперні характеристики біполярного транзистора в схемі зі спільною базою.

Активна область (активний режим) (т. А на рис. 55), відповідає підсилювальному режимові. Для неї викнуються умови U_еб > 0, U_кб < 0, отже, у ввідповідності до (4_10), p_n(0) > p_n0, pn(W)<p_n0. Оскільки, як правило, |U_КБ| >> |U_T|, то p_n(W) ≈ 0. Відповідний розподіл носіїв заряду для т. A показаний на рис. 56. Збільшення струму емітера викличе зростання U_ЕБ і, у відповідності до (4_10) зростанням p_n(0) та, у відповідності до (4_11) зростанням градієнта концентрації. Зменшення струму емітера (напруги на емітерному переході) буде супроводжуватись зменшенням p_n(0) та зменшенням зростання градієнту.

Режим насичення (т. B та т. C на рис. 55), відповідає режимові при якому струм колектора обмежений і не забезпечує відведення усіх інжектованих носіїв заряду, які підходять до колектора, границі режиму насичення визначаються умовами U_ЕБ > 0 та U_КБ ≤ 0, отже, у відповідності до (4_10), p_n(0) > p_n0, pn(W) ≥ p_n0. В т. B U_ЕБ > 0 та U_КБ = 0, відповідно p_n(0) > p_n0 та p_n(W) = 0. В т. C при збільшення емітерного струму зростання U_ЕБ не супроводжується збільшенням колекторного струму, однак викликає збільшення концентрації носіїв заряду біля колектора, тобто, згідно з (4_11) напруга на колекторному переході стає більшою 0. Таким чином в т. C U_ЕБ > 0 та U_КБ > 0, відповідно, p_n(0) > p_n0 та p_n(W) > p_n0. Оскільки в т. С струм такий самий, як і в т. B, градієнт концентрації залишився попереднім.

Рис. 56. Розподіл носіїв у базі транзистора в різних режимах (положення робочих точок див. рис. 55)

Режим відсічки (т.D на рис. 55) відповідає режимові, при якому інжекційний струм емітера, що відповідає сигналові, відсутній, отже, на колектор не поступають інжектовні носії і транзистор знаходиться в закритому стані. Межі режиму відсічки визначаються умовами U_ЕБ ≤ 0 та U_КБ < 0, отже, у відповідності до (4_10) p_n(0) ≤ p_n0, pn(W) ≈ 0. В т. D U_ЕБ < 0 та U _КБ < 0 (|U_КБ| >> |U_T|), відповідно, p_n(0) < p_n0 та p_n(W) = 0. Як видно з рис. 55, що відповідає т.D, поблизу емітера градієнт концентрації змінив свій напрям, тобто через емітерний перехід почав протікати зворотній струм. Якщо струм через емітерний перехід буде равний нулю, то, відповідно буде равним нулю і емітерний струм. В режимі відсічки неосновні носії в транзисторі виникають тільки в результаті генераційних процесів в об'ємі матеріалу.

Розглянуті процеси інжекції та збирання носіїв колектором не злежать від схеми увімкнення транзистора, відповідно і розглянуті режими - активний, насичення та відсічки можут мати місце і в каскадах зі спільним емітером та спільним колектором, однак, оскільки при зміні спільного електрода змінюються вхідні та вихідні струми і напруги, то відповідно і передаточні характеристики різних каскадів будуть відрізнятись, так, як будуть відрізнятись і вольтамперні характеристики транзистора в різних схемах увімкнення.

Найрозповсюдженішим у напівпровідникових схемах є увімкнення біполярного транзистора за схемою зі спільним емітером. Вольтамперні характеристики для транзистора в схемі СЕ можна, отримати шляхом перебудови характеристик для схеми СБ з урахуванням співвідношень між струмами та напругами в схемах СБ та СЕ (див. рис. 57).

Рис. 57. Позначення струмів через електроди транзистора та різниці потенціалів
між електродами для схеми СЕ

У схемі зі спільним емітером вхідною напругою буде U_БЕ, вихідною - U_КЕ, при цьому U_БЕ = -U_ЕБ, тобто якщо подати один і той же сигнал на каскади СЕ та СБ, то на виході цих каскадів сигнал буде в протифазі. Як видно з рис. 57 напруга на виході транзистора U_КЕ = U_БЕ + U_КБ, тобто вона складається з вихідної напруги в СБ та перевернутої по фазі вхідної напруги в СБ. Вихідний струм в СЕ так само, як і в СБ рівний Iк. В СЭ вхідний базовий струм рівний Iб = Iе - Iк = Iе(1-α), тобто він в (β+1) разів менший, аніж у схемі СБ, відповідноно вхідний опір у транзистора в СЕ повинен бути більшим аніж в СБ.

Рис. 58. Статичні вольтамперні характеристики транзистора в схемі зі спільним емітером.

Вольтамперні характеристики для схеми СЕ показані на рис. 58 на графіках позначені точки, які відповідають точкам на вольтамперних характеристиках для схеми СБ (рис 55). Необхідно звернути увагу на те, що для режиму насичення характеристики не заходять в третій квадрант, тобто напруга Uке не змінює знак. Дійсно в СЕ: Uке = Uкб - Utб < 0, так як в режимі насичення Uкб > 0, Uеб > 0 та Uеб > Uкб. До відмінностей потрібно також віднести і те, що тепловий струм I*к₀, що виміряний при Iб = 0, в (β+1) разів більший, аніж струм Iк₀, виміряний при Iе = 0. В СБ меншим є вихідний опір транзистора у порівнянні зі схемою СЕ (менший нахил вихідних ВАХ).

Література

Терещук Р. М., Терещук К. М., Седов С. А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. — Київ: Наукова думка, 1988. С. 183—191.

Дата добавления: 2014-12-24