Влияние температуры на статические характеристики транзистора

Схема с общим эмиттером.

Схема с общей базой

Семейство входных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимость при фиксированных значениях пара­метра - напряжения на коллекторном переходе. Формула Эберса-Молла для тока эмиттера в схеме с ОБ запишется в виде:

. (6.1)

При , как следует из (6.1), входная вольтамперная характеристика совпадает с вольтамперной характеристикой прямосмещенного р-п -перехода (рис.6.1, а). С рос­том обратного напряжения на коллекторном переходе ( > 0 для п-р-п транзистора) вследствие уменьшения ширины базовой области за счет эффекта Эрли происходит смещение характеристики вверх:

Рис.6.1. Входные а) и выходные б) вольтамперные характеристики биполярного транзистора п-р-п типа в схеме с ОБ..

растет при вы­бранном значении . Если поддерживается постоянным ток эмиттера ( = const), чтобы градиент концентрации дырок в базовой области оставался постоянным, то необходимо понизить напряжение , поэтому характеристика сдвигается влево. Следует заметить, что при > 0 и = 0 существует неболь­шой ток эмиттера, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении . Рассмотренные входные характеристики транзистора соответствуют активному режиму работу транзистора.

Если на коллекторный переход приложено прямое напряжение < 0, то транзистор находится в режиме насыщения и возникает двухсторонняя инжекция электронов в область базы – характеристика смещается влево в область меньших токов эмиттера (см.рис.6.1, а). В точке А за счет уменьшения напряжения ток эмиттера уменьшается до нуля. Затем левее точки А преобладает инжекция через коллекторный переход и становится отрицательным.

Выходные вольтамперные характеристики транзистора описываются зависимостями , снятые при постоянных значениях входного тока . Эта зависимость может быть математически представлена формулой (4.27), вытекающей из модели Эберса-Молла:

. (6.2)

Выходные вольтамперные характеристики представлены на рисунке 6.2, б. При = 0 из (6.2) получим

, (6.3)

т.е. имеем вольтамперную характеристику обратно смещенного р-п перехода. В (6.3)

(6.4)

является обратным тепловым током коллекторного перехода. Заштрихованная область на рисунке 6.1, б, лежащей между кривой при = 0 и осью напряжений определяет режим отсечки транзистора.

Если > 0 то при > 0 транзистор п-р-п типа находится в нормально активном режиме и для тока коллектора на основе (6.2) с учетом (6.4) получим

, (6.5)

т.е. ток коллектора в активном режиме практически не зависит от напряжения на коллекторе и растет пропорционально току эмиттера. В реальных транзисторах за счет эффекта Эрли, как известно, растет коэффициент передачи тока эмиттера (см. рис.5.1,б), что вызовет некоторый рост тока .

При > 0 и < 0 п-р-п транзистор переходит в режим насыщения – возникает двухсторонняя инжекция. Против тока , текущий из эмиттера в коллектор, из коллекторного перехода потечет инжекционный ток, что приведёт к уменьшению тока коллектора, и при некотором ток = 0. Чем боль­ше заданный ток , тем большее прямое напряжение потребу­ется для получения = 0.

С ростом напряжения в активном режиме возможен лавинный пробой коллекторного перехода, что приводит к значительному росту коллекторного тока (штриховые линии на рис. 6.1, б). Пробой характеризуется напряжением пробоя , значение которого уменьшается с ростом тока эмиттера.

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ представля­ет собой зависимости , причем параметром является на­пряжение . Учитывая, что из уравнения токов транзистора (3.14) ток базы можно записать как разность токов эмиттера и коллектора, на основе модели Эберса-Молла можем получить:

(6.6)

Для п-р-п -транзистора напряжение > 0 смещает эмиттерный переход в прямом направлении и при = 0 из (6.6) получим характеристику прямосмещенного р-п -перехода (рис.6.2,а). Эта характеристика качественно совпадает с аналогичной характеристикой схемы с ОБ, однако значение входного тока базы в схеме с ОЭ в меньше входного тока эмиттера в схеме с ОБ. Эта характеристика будет соответствовать режиму насыщения транзистора. Действительно, для схемы с ОЭ (см.рис.3.2,б) справедливо равенство . При = 0 имеем . Так как > 0 (прямое смещение), то отсюда вытекает, что при этих условиях и коллекторный переход смещен в прямом направлении. Ток базы, поэтому, равен сумме базовых токов из-за одновременной инжекции электронов из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряже­ния , так как оно

Рис.6.2. Входные а) и выходные б) вольтамперные характеристики биполярного

транзистора п-р-п типа в схеме с ОЭ.

приводит к усилению инжекции в обоих перехо­дах и, соответственно, возрастанию процесса реком­бинации, определяющий базовый ток.

Вторая кривая на рисунке 6.2, а соответствует обратному напряжению на коллекторном переходе (для п-р-п -транзистора > 0). При условии транзистор переходит в активный режим, и изменение тока базы описывается формулой (см. раздел 3.4). При изменении до точки А инжекция электронов в базу мала и , т.е. ток базы отрицателен. Увеличение прямого напряжения вызывает рост тока эмиттера и ток базы становится положительным и растет почти по экспоненте. Как видно из рисунка, в активном режиме ток базы меньше, чем при = 0 и входная характеристика смещается, в отличие от схемы с ОБ, вправо. Уменьшение тока базы вызвано эффектом Эрли. Действительно, при обратном смещении коллекторного перехода ширина базы уменьшается, уменьшается и вероятность рекомбинации в области базы, что уменьшает ток базы.

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ предста­вляет собой зависимости при заданном параметре токе базы (рис.6.2,б). В принципе, исходя из модели Эберса-Молла, можно выразить ток коллектора в схеме с ОЭ через ток базы и напряжения , однако получается довольно сложное выражение, которое трудно интерпретировать. Поэтому проведем только качественный анализ этих характеристик.

При токе = 0 в цепи коллектора протекает тепловой ток , который больше, чем в схеме с ОБ, в раз. Этот ток определяет режим отсечки (РО) транзистора (на рис. 6.2,б область отсечки заштрихована). Если ток > 0, то на характеристике можно выделить два участка. Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения (РН), на этом участке справедливо неравенство , где - напряжение между базой и эмиттером при заданном токе базы, и оба перехода смещены, как было показано выше, в прямом направлении. Переход от первого участка ко второму происходит при значениях . Второй участок характеризуется малым наклоном и соответствует нормальному актив­ному режиму. Для второго участка справедливо равенство , т.е. ток коллектора растет пропорционально току базы. Для увеличения необходимо увеличивать , следовательно, чтобы обеспечить условие перехода , граница между режимом на­сыщения и нормальным активным режимом будет сдвигаться в сторону больших значений .

Как видно из выходных характеристик, в нормальном активном режи­ме ток коллектора растет, причем в схеме с общим эмиттером во много раз больше, чем в схеме с общей базой. Объясняется это различным проявлени­ем эффекта Эрли. В схеме с общим эмиттером увеличение сопровождается уменьшением тока ба­зы, а он по определению выходной характеристики должен быть неизменным. Для восстановления тока базы приходится регули­ровкой напряжения увеличивать ток эмиттера, а это вызывает рост тока коллектора в нормальном активном режи­ме.

Пробой коллекторного перехода в схеме в схеме с ОЭ происходит при напряжении (штриховые участки характеристик на рис.6.2,б), которое заметно меньше, чем в схеме с ОБ: , где С=2…6.

Из сравнения рис. 6.1,б и 6.2,б видно, что в схеме с ОЭ, в отличие от схемы с ОБ, выходные характеристики полностью расположены в первом квадранте. Это определяется соотношением , из которого следует, что характеристики сдвигаются вправо в первый квадрант на значение тем больше, чем больше ток базы.

Влияние температуры на положение входной характеристики схемы с ОБ при поддержании неизменным параметра анало­гично ее влиянию на вольтамперную характеристику полупроводникового диода. В нормаль­ном активном режиме ток эмиттерного перехода можно предста­вить формулой

.

С ростом температуры тепловой ток растет быстрее, чем убывает экспонента из-за увеличения теплового потенциала . В резуль­тате противоположного влияния этих двух факторов входные характери­стики схемы с ОБ смещаются влево при выбранном токе на вели­чину (рис.6.3,а). Влияние температуры на выходные характеристики можно анализировать на основе формулы . Выходные характеристики снимаются при =сonst, коэффициент очень слабо зависит от температуры, поэтому рост будет определяться только увеличением при повышении

а) б)

Рис.6.3. Температурная зависимость входных а) и выходных б) вольтамперных характеристик биполярного транзистора п-р-п типа в схеме с ОБ.

температуры, значение которого удваивается при увеличении температуры на 10⁰. Однако обычно при рабочих токах значительно меньше и, поэтому, изменение выходного тока с ростом температуры незначительно и его можно не учи­тывать (рис.6.3,б).

В схеме с ОЭ входным током является ток базы, выражение для которого на основе (6.6) можно приближенно записать в виде: . При = 0 в цепи базы течет ток (рис.6.4,а), являющийся тепловым током коллекторного перехода. Как известно, этот ток возрастает с ростом температуры, поэтому начало входной характеристики при увеличении тем­пературы опускается вниз (рис.6.4,а), затем с ростом , как и в схеме с ОБ, начинает смещаться влево, т.е. ток базы растет. Заметим, что на рисунке 6.4,а приведен только начальный участок входных характеристик.

а)

Рис.6.4. Температурная зависимость входных а) и выходных б) вольтамперных характеристик биполярного транзистора п-р-п типа в схеме с ОЭ.

Для оценки влияния температуры на выходные характеристики схемы с ОЭ в активном режиме воспользуемся формулой для коллекторного тока: . Снятие выходных характеристик при различных температурах должно проводиться при поддержании постоянным тока базы. В первом приближении можно считать, что коэф­фициент передачи также не зависит от температуры, т.е. произведение остается постоянной при изменении температуры. Это оз­начает, что температурная зависимость будет определяться сла­гаемым . Ток примерно удваивается при увеличении температуры на 10°, тогда, учитывая, что >>1 при­рост тока может оказаться сравнимым с исходным значе­нием коллекторного тока и даже превысить его. Таким образом, выходные характеристики в схеме с ОЭ будут значительно смещаться вверх (рис.6.4,б). Сильное влияние температуры на выходные характе­ристики в схеме с ОЭ может привести к потере работоспособности электронных устройств, если не принять схемотехнические меры для стабилизации тока коллектора или не осуществлять термостатирование.

В простейшем случае для повышения температурной стабильности схемы с ОЭ достаточно в цепь эмиттера включить резистор, что обеспечит появление в транзисторе отрицательной обратной связи по току. Как известно, наличие такой обратной связи позволяет приближать нестабильность по температуре схемы с ОЭ к нестабильности с ОБ.

Дата добавления: 2015-05-06