Характеристики

ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Зависимости между токами и напряжениями в транзисторах выражаются статическими характеристиками транзисторов, снятыми при постоянном токе и отсутствии нагрузки в выходной цепи. Характеристики необходимы для рассмотрения свойств транзисторов и для практических расчетов транзисторных схем.

В транзисторах взаимно связаны всегда четыре величины: i_1} i₂, u_ь u₂ — входные и выходные токи и напряжения. Одним семейством характеристик эту зависимость показать нельзя. Необходимо два семейства. Наиболее удобно рассматривать семейство входных характеристик вместе с семейством выходных характеристик

Для каждой из трех схем включения транзистора существует свое семейство характеристик. Пользуясь характеристиками, надо обращать внимание на то, к какой схеме они относятся. Мы рассмотрим основные характеристики для наиболее распространенных схем — с общим эмиттером и с общей базой. Эти характеристики приводятся в справочниках.

Поскольку напряжения и токи тран­зисторов типа п~р — п и р — п — р имеют разные знаки, то иногда характеристики строят с учетом этого, т. е. отрицатель­ные значения напряжения и тока откла­дываются на осях влево и вниз. Однако удобнее их откладывать вправо и вверх в любом случае. Именно так строятся приводимые далее характеристики. А по­лярность напряжений на транзисторе и направление токов в его цепях всегда определяются соответственно типу тран­зистора независимо от того, как изоб­ражены его характеристики.

Входные и выходные характеристики транзистора аналогичны характери­стикам полупроводникового диода. Действительно, входные характеристики относятся к эмиттерному переходу, который работает при прямом напряжении. Поэтому они аналогичны характеристике для прямого тока диода. Выходные характеристики подобны характеристике для обратного тока диода, так как они отображают свойства коллекторного перехода, работающего при обратном напряжении.

Рассмотрим прежде всего характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ.

На рис. 5.1, а даны входные характеристики i_б=f(U_бэ) при постоянных выходных напряжениях (u_к._э = const). Характеристика при u_к._э = 0 идет из начала координат, так как, если все напряжения равны нулю, нет никакого тока.

Из схемы рис. 5.1, б видно, что при uк-э ⁼ 0, т. е. когда коллектор и эмиттер замкнуты накоротко, к обоим переходам приложено прямое напряжение и_б._э = Е. Ток базы при этом является суммой прямых токов эмиттерного и коллек­торного переходов, но получается не­большим, так как прямое напряжение эмиттерного перехода составляет всего лишь десятые доли вольта (сотни милливольт), а поперечное сопротивление базы г_б0 — сотни ом.

В транзисторах небольшой мощности ток базы составляет десятки или сотни микроампер. Рассматриваемая характеристика подобна обычной характе­ристике для прямого тока полупроводникового диода. При u_к._э > 0 характе­ристика сдвигается вправо, ток базы уменьшается и при малых u_б._э стано­вится отрицательным. Это объясняет рис. 5.1, в, на котором показана схема ОЭ при u_б._э = 0, т. е. при отсутствии источника Ei. В этом случае источник Е₂ кроме начального тока эмиттера i_{3 H} создает еще в цепи базы ток i_{6 обр} обратного по сравнению с обычным током базы направления. Оба этих тока, скла­дываясь, образуют начальный ток коллектора Следует отметить, что ток создает на сопротивлении базы г_б0 небольшое падение напряжения, которое является прямым для эмиттерного перехода и несколько увеличивает начальный ток эмиттера i₃. Если теперь включить источник E₁ и постепенно увеличивать его напряжение, то он будет действовать в цепи базы навстречу источнику Е₂. Ток уменьшится и при некотором значении u_б._э (когда действие источников Е₁ и Е₂ в цепи базы уравновесится) станет равным нулю. При дальнейшем увеличении Uб-э будет возрастать положительный ток базы, составляющий, как обычно, часть тока эмиттера.

Уменьшение тока базы при повышении u_к._э происходит еще и вследствие явления модуляции толщины базы. Чем выше u_к._э, тем больше напряжение на коллекторном переходе u_к._б. Толщина этого перехода увеличивается, а толщи­на базы уменьшается, и тогда в базе рекомбинирует меньше носителей, дви­жущихся от эмиттера к коллектору. Сле­довательно, несколько возрастает ток i_K и уменьшается ток i₆. Однако изменение u_к._э (например, с 1 до 10 В, как показано на рис. 5.1, о) мало влияет на ток базы. Входные характеристики при разных значениях u_к._э расположены очень близ­ко друг к другу. В справочниках обычно приводится лишь одна входная характеристика для рекомендуемого значения u_к._э. Иногда дается и характеристи­ка при u_к._э = 0.

Семейство выходных характеристик показано на рис. 5.2, а. Как правило, эти характеристики даются при различных постоянных токах базы. Это объясняется тем, что вследствие сравнительно малого входного сопротивления транзистора источник входного переменного напряжения, имеющий часто большое внутреннее сопротивление, работает в режиме генератора тока. Таким образом, обычно бывает задан входной ток транзистора и удобно вести расчеты с помощью семейства выходных харак­теристик, связывающих выходной ток и напряжение с входным током.

Первая характеристика при i_б = 0 выходит из начала координат и весьма

Рис. 5.2. Выходные характеристики транзистора при включении его по схеме ОЭ

напоминает обычную характеристику для обратного тока полупроводникового диода. Условие i₆ = 0 соответствует разомкнутой цепи базы. При этом через весь транзистор от эмиттера к коллек­тору проходит известный нам сквозной ток i_к._э0 (рис. 5.2, б).

Если i_б > 0, то выходная характе­ристика расположена выше, чем при i_б = 0, и тем выше, чем больше ток i₆.Увеличение тока базы означает, что за счет повышения напряжения u_бэ соот­ветственно увеличился, ток эмиттера, частью которого является ток i₆. Следовательно, пропорционально возрастает и ток коллектора. Благодаря линейной зависимости между токами пологие участки соседних выходных характеристик расположены приблизительно на одинаковых расстояниях друг от дру­га. Однако в некоторых транзисторах эта линейность несколько нарушается.

Выходные характеристики показывают, что при увеличении u_к._э от нуля до небольших значений (десятые доли вольта) ток коллектора резко возрастает, а при дальнейшем увеличении u_к._э ха­рактеристики идут с небольшим подъемом, что означает сравнительно малое влияниеэтого напряженияна ток коллектора. Действительно, чтобы увеличить i_K, надо увеличить ток эмиттера. Но все же при повышении и_к._э происходит следующее. Вследствие уменьшения толщины базы уменьшается ток базы, а так как характеристики снимаются при условии i_бэ= const, то для поддержания прежнего значения тока базы приходится увели­чивать напряжение u_б._э. За счет этого несколько возрастает i_э, а следовательно, и ток коллектора. При увеличении напряжения u_к._э увеличивается и та его часть, которая приложена в виде прямого напряжения к эмиттерному переходу. В результате этого также возрастают токи i_эи i_K.

Характеристики на рис. 5.2, а показывают, что чем больше токи i_K, тем раньше, т. е. при меньших значениях u_к._э, наступает электрический пробой. Область пробоя, как правило, нерабочая область транзистора, за исключением некоторых специальных типов.

Перейдем к характеристикам транзистора, включенного по схеме ОБ.

Входные характеристики при u_к.б = const (рис. 5.5) аналогичны характеристике для прямого тока дио­да, поскольку ток эмиттера является именно таким током. При uкб = 0 характеристика идет из начала координат, так как ток равен нулю. А если u_к.б>0, то характеристика проходит немного выше, т. е. возникает ток эмиттера, и при u._б = 0 протекает небольшой начальный ток i,. Условие u_э._б = 0 соот­ветствует короткому замыканию эмиттера и базы. Характеристики, для раз­личных м_к.₆ расположены очень близко друг к другу, и в справочниках обычно приводится только одна характеристика для некоторого нормального u_к._б. Малое влияние напряжения u_к._б на ток эмиттера объясняется тем, что поле, создаваемое напряжением u_k0, сосредоточено в коллекторном переходе. Но все же с увеличением u_к._б ток i, несколько возрастает, что объясняется влиянием поперечного сопротивления базы г_б0.

Из схемы на рис. 5.1, в видно, что при E_t — u_э-б = 0 обратный ток базы создает на сопротивлении г_б0 некоторое напряжение, которое является прямым для эмиттерного перехода. Поэтому возникает ток I_эн, и тогда С увеличением u_к._б несколько увеличивается ток i_{6 обр}, следовательно, возрастает напряжение на г_бо и ток i_эн. Если же от источника Е подано такое напряжение u_э._б, что ток i₆ изменит свое направление, то он будет, как обычно, составлять часть тока эмиттера (см. рис. 5.1, б). В этом случае на сопротивлении г_б0 ток /_б создает напряжение, которое действует навстречу на­пряжению Е_и т. е. уменьшает u_э._б. С увеличением u_к._б уменьшается толщина базы, а вследствие этого уменьшается ток i₆ и напряжение на сопротивлении г_б0. В результате возрастает напряжение u_эб и ток эмиттера.

На рис. 5.6, а показано семейство выходных характеристик i_K = f (u_кб) при i_э = const. Они даются для постоянных значений тока i_э, потому что входное сопротивление транзистора мало и источник усиливаемых колебаний обычно работает как генератор тока, т. е. в режиме, близком к короткому замыканию. При i_э = 0 характеристика проходит через начало координат, так как без тока i_э и при u_к._б = 0 не может быть и кол­лекторного тока. Эта обычная характеристика обратного тока п — р-перехода. Условие соответствует разомкнутой цепи эмиттера, а это означает, что включен только коллекторный переход, к которому приложено обратное напряжение. В этом, случае протекает известный нам начальный ток коллектора i_K0.

При некотором значении u_к._б начинается электрический пробой коллектор­ного перехода и ток коллектора резко возрастает.

Рабочие участки выходных характеристик для различных i_э представляют собой прямые линии, идущие с очень небольшим наклоном, что означает малое влияние напряжения u_к._б на ток коллектора. Действительно, для увеличения тока i_K надо увеличивать ток эмиттера, чтобы из эмиттера в базу инжектировалось больше носителей. Но если i_э = const, то коллекторный ток при возрастании u_к._б увеличивается главным образом только за счет уменьшения толщины базы, в результате чего в базе снижается рекомбинация инжектированных носителей с основными носителями базы. Следовательно, больше инжектированных носителей достигает коллектора, ток i_K увеличивается, а ток базы уменьшается.

Особенность выходных характеристик в том, что при u_к._б = 0 и i_э >.0 ток коллектора довольно велик — почти такой же, как и при u_к._б > 0. Это объясняется тем, что благодаря сопротивле­нию базы г_б0 в данном режиме на кол­лекторном переходе имеется некоторое напряжение. Оно представляет собой напряжение, созданное на г_б0 током базы (рис. 5.6, б). У многих транзисторов выходные характеристики имеют вид прямых линий, начиная от u_кб = 0. Зависимость между токами i_к и i_э почти линейна. Поэтому выходные характеристики при одинаковом изменении тока i_Э располагаются почти на одном и том же расстоянии друг от друга. Чем больше токи, тем быстрее, т. е. при меньших u_к._б, произойдет переход к электрическому пробою.

На рис. 5.6, а штриховыми линиями показано, что при перемене знака на­пряжения u_к.б уже при небольших его значениях ток коллектора резко уменьшается, а затем изменяет свое направление и быстро возрастает. Это объясняется тем, что напряжение u_к._б другого знака по сравнению с обычным является для коллекторного перехода прямым. При увеличении его на десятые доли вольта сначала компенсируется то небольшое напряжение, которое (как было объяснено) возникло на коллекторном переходе за счет падения напряжения от тока i_б на сопротивлении базы. Затем напряжение на коллекторном переходе становится прямым и ток i_K резко возрастает в обратном направлении.

Выходные характеристики для схемы ОБ, снятые при постоянных значениях входного напряжения u_б, а не входного тока, как правило, не применяются, и мы их рассматривать не будем.

Одна из возможных схем для снятия характеристик транзистора типа р — п — р, включенного по схеме ОЭ, показана на рис. 5.8. В ней напряжение u_к-э регулируется с помощью двух переменных резисторов R₃ и R₄. Напряже­ние, снимаемое с резистора R₄, подается на резистор Rз, а с последнего напря­жение снимается на транзистор. Это позволяет получать весьма малое напряжение и_к._э и более плавно изменять его. Нулевое напряжение надо устанавливать резистором R₃. Источником Е₂ может быть батарея на 20 — 30 В или выпрямитель. Измерение малых и_к._э надо делать с учетом падения напряжения на миллиамперметре коллекторного тока.

Ток базы измеряется микроамперметром, а для измерения напряжения u_б._э применяется милливольтметр. Изме­рение напряжения на входе транзистора представляет некоторые трудности, так как даже некоторые высокоомные вольтметры потребляют ток, соизмеримый с током базы. В данной схеме для определения истинного значения щ._э надо из показания милливольтметра вычесть падение напряжения на микроам­перметре, которое легко найти умноже­нием тока i₆ на сопротивление микро­амперметра. Переменный резистор R₂ должен иметь небольшое сопротивление (десятки ом). В качестве источника Е₁ удобно взять один сухой элемент. Ре

-

Рис. 5.8. Схема для снятия характеристик транзистора

зистор R₁ служит для того, чтобы напряжение на R₂ составляло лишь несколько десятых долей вольта. Можно также во входную цепь включить два переменных резистора, как это показано для цепи коллектора.

Схема, аналогичная рассмотренной, применяется также для снятия характе­ристик при включении транзистора по схеме ОБ. Вместо микроамперметра в ней должен быть включен миллиампер­метр для измерения тока эмиттера.

Дата добавления: 2014-01-14