Вольт-амперні характеристики транзисторів розділяють на статичні і динамічні.
Статичні характеристики є графічним відображенням залежностей між струмами і напругами на вході і виході транзистора. Ці характеристики використовуються в розрахунках параметрів оптимальних режимів його роботи. Можливі різні комбінації струмів і напруг в залежностях, але практично використовуються тільки вхідні і вихідні статичні характеристики для двох основних схем включення – із спільною базою і із спільним емітером.
Для схем із спільною базою вхідні статичні характеристики – це залежність струму емітера ІЕ від напруги між емітером і базою UЕБ при незмінній напрузі між колектором і базою UКБ: ІЕ = f(UЕБ) при UКБ = const. Показана залежність аналогічна вольт-амперній характеристиці прямо включеного p-n переходу. Напруга UКБ мало впливає на струм емітера, оскільки вона зосереджена на колекторному переході і майже не впливає на проходження зарядів через емітерний перехід. Тому в довідниках для даного типу транзистора наводиться лише дві вхідні характеристики – одну для UКБ = 0 В, і другу, зняту при UКБ ¹ 0 В, наприклад при UКБ = –5 В.
Робота транзистора, при якій і на емітерний, і на колекторний переходи подані зворотні напруги відповідає режиму відсікання.
Вихідні статичні характеристики транзистора для схеми із спільною базою складаються із залежностей струму колектора ІК від напруги між колектором і базою UКБ при незмінних значення емітерного струму ІЕ: ІК = j(UКБ) при ІЕ = const.
Графіки колекторного струму ІК аналогічні вольт-амперній характеристиці зворотно включеного p-n переходу. При робочій полярності напруги UКБ , коли колекторний перехід включений в зворотному напрямку[11], вихідні характеристики уявляють собою майже прямі лінії з невеликим відхилом від горизонталі. Це пояснюється тим, що колекторний струм створюється за рахунок дифузії носіїв зарядів, які проникають із емітера через базу в колектор. Тому величина колекторного струму в основному визначається величиною струму емітера і незначно залежить від напруги UКБ, прикладеної до колекторного переходу.
При вхідному струмі ІЕ = 0 і UКБ > 0 характеристика виходить з початку координат, а потім проходить на невеликій висоті майже паралельно осі абсцис, що відповідає звичайній характеристиці зворотного струму p-n переходу. Струм ІКБ 0, що визначається такою характеристикою, є некерованим і є одним з параметрів транзистора. Із збільшенням струму ІЕ колекторний струм збільшується на DІК = aІЕ – ІКБ 0, що і відображує сімейство графіків.
Невеликий нахил характеристик пояснюється впливом напруги UКБ на ширину бази: при збільшенні напруги база звужується за рахунок розширення колекторного переходу, послаблюється рекомбінація в базовому шарі і дещо зростає коефіцієнт передачі струму a, що і зумовлює деяке збільшення струму колектора ІК = aІЕ + ІКБ 0 при ІЕ = const. Нахил характеристик круто зростав би при наближенні UКБ до напруги пробою p-n переходу.
При зміні полярності напруги UКБ струм ІК різко зменшується і досягає нуля при значеннях UКБ близько десятих долей вольта. В цьому випадку колекторний перехід працює в прямому напрямку, струм через цей перехід різко збільшується і проходить в напрямку, зворотному нормальному робочому струму. При цьому транзистор може вийти з ладу. Відповідні ділянки характеристик на рисунку показані пунктирними лініями, вони не є робочими і звичайно на графіках не наводяться.
Робота транзистора, при якому емітерний перехід включений в прямому напрямку (UЕБ < 0), а колекторний – в зворотному (UКБ > 0), відповідає активному (підсилюючому) режиму, а коли обидва переходи виявляються прямо включеними (UЕБ < 0, UКБ < 0) – режиму насичення.
Вхідні статичні характеристики для схеми із спільним емітером є графіками залежності струму бази ІБ від напруги UБЕ при незмінному значенні UКЕ: ІБ = f(UБЕ) при UКЕ = const.
Якщо коло колектора розімкнене (ІК = 0), крива проходить через початок координат.
З ростом напруги UКЕ струм ІБ зменшується, оскільки при збільшенні UКЕ зростає напруга, що прикладається до колекторного переходу в зворотному напрямку, майже всі носії швидко втягуються в колектор і ймовірність їх рекомбінації в базі зменшується.
При UКЕ = 0 (колектор і емітер замкнені на коротко) і UБЕ > 0 обидва переходи з’єднані паралельно і приєднані до джерела в прямому напрямку.
При збільшені напруги на колекторі UКЕ характеристики зміщуються вправо і вниз, тобто струм ІБ зменшується. Це пояснюється звуженням ширини бази, що супроводжується ослабленням рекомбінації носіїв. Зміщення графіків вниз при малих напругах (UКБ < 1 В) відбувається тому, що обидва переходи включені зустрічно і базовий струм стає рівним різниці струмів: ІБ = ІЕ – ІК. При подальшому збільшенні напруги UКЕ зсув вхідних характеристик незначний, і вони практично співпадають. Тому в довідниках звичайно наводяться одна-дві криві.
Вихідні статичні характеристики транзистора для схеми із спільним емітером складаються із залежностей струму колектора ІК від напруги між колектором і емітером при фіксованому струмі бази: ІК = f(UКЕ) при ІБ = const.
В схемі із спільним емітером напруга, що прикладається до колекторного переходу дорівнює UКЕ – UБЕ, оскільки ці напруги між точками колектор–база виявляються включеними зустрічно. Тому при |UКЕ | < |UБЕ | напруга на колекторному переході відповідає прямій напрузі. Це зумовлює стрімке зростання струму на початковій ділянці – від UКЕ = 0 до |UКЕ | = |UБЕ |. Далі, при |UКЕ | > |UБЕ | (аж до допустимого значення UКЕ), крутизна характеристик зменшується, вони майже горизонтальні.
Положення кожної з вихідних характеристик залежить, головним чином, від струму бази (ІБ1 < IБ2 < … < IБ5).
На сімействі вихідних характеристик виділені три області, властиві трьом режимам роботи транзистора: режим відсічки (1), активний режим (підсилення) (2) і режим насичення (3). Графік, відповідний струму бази ІКБ 0, проходить через початок координат і при UКЕ > 1 В визначає зону відсічки. Активна зона розташована між зонами відсічки, насичення і лінією, яка визначає ІК через допустиму потужність, що розсіюється колектором (наводиться в довідниках).
Статичні характеристики транзистора в схемі із спільним колектором подібні характеристикам транзистора в схемі із спільним емітером. Вхідним колом транзистора є базово-колекторний перехід, що має великий внутрішній опір, оскільки виявляється включеним в зворотному напрямку. Керуючим струмом є невеликий струм бази; вихідні струми (ІЕ або ІК) відрізняються незначно.
Динамічними характеристикамитранзистора визначається режим роботи транзистора – динамічний режим, коли у вихідному колі є навантаження, а на вхід подається певний сигнал. Динамічний режим відрізняється від статичного сильним взаємним впливом параметрів транзистора і елементів схеми. В цьому режимі напруга джерела живлення ЕК (на рисунках для схем включення а, б, в – Е2) неперервно перерозподіляється між опором навантаження Rн і вихідними електродами транзистора у відповідності з виразом:
UКЕ= ЕК– ІКRн.
Наведений вираз є рівнянням динамічного режиму для вихідного кола. Зміна напруги на вході транзистора викликає відповідну зміну струму емітера, бази, а отже , і струму колектора ІК. Це призводить до зміни напруги на Rн, в результаті чого змінюється напруга UКЕ.
Побудова динамічних характеристик здійснюється з метою вибору оптимального (найкращого) режиму роботи транзистора. Початковими є дані про вхідний сигнал і потужність, що споживається навантаженням, а також статичні вхідні і вихідні характеристики та параметри транзистора, що наводяться в довідниках.
Найчастіше використовуються вихідні і вхідні динамічні характеристики.
З рівняння динамічного режиму випливає рівняння:
ІК= (ЕК– UКЕ) / Rн= ЕК/ Rн– UКЕ/ Rн.
Пряма лінія, що відповідає останньому рівнянню, називається навантажувальною прямою або лінією навантаження. Вона уявляє собою вихідну динамічну характеристику і будується на сімействі статичних вихідних характеристик за двома точками – А і В. Розташування лінії навантаження на статичних характеристиках однозначно визначається напругою джерела живлення ЕК і опором резистора Rн. В точці А ІК = 0, а UКЕ = ЕК. Це відповідає закритому стану емітерного переходу транзистора. При цьому струм в опорі навантаження відсутній і падіння напруги на навантаженні дорівнює нулю. Отже, вся напруга джерела живлення ЕК виявляється прикладеною до ділянки колектор – емітер транзистора.
Точка перетину лінії навантаження із віссю струмів В є точка, для якої виконується умова ІК = ЕК / Rн, оскільки струм колектора у випадку повністю відкритого (або закороченого) транзистора обмежувався би тільки величиною опору Rн.
Всі проміжні точки лінії навантаження характеризують можливі напруги і струми у відповідних колах транзистора при подачі сигналу з урахуванням опору навантаження. Будь якому струму бази відповідає певне значення струму колектора і колекторної напруги. Так на рисунку показано, що струму бази ІБ2 відповідає напруга UКЕ(ІБ2) та струм через навантаження ІК(ІБ2).
Вхідна динамічна характеристика уявляє собою залежність вхідного струму від вхідної напруги в динамічному режимі при незмінних напрузі живлення і опорі навантаження.
Оскільки вхідні статичні характеристики розташовуються досить щільно, іноді для спрощення аналізу роботи і розрахунку параметрів схеми з транзистором вхідну динамічну характеристику не будують, а приймають за таку одну із вхідних статичних характеристик, що відповідає деякій напрузі на колекторі, відмінній від нуля.