Характеристики и параметры

Рассмотрим характерные схемы включения транзисто­ра и соответствующие характеристики.

Схема с общей базой. Приведенная схема включения транзистора в электрическую цепь называется схемой £ об­щей базой, так как база является общим электродом для ис­точников напряжения. Изобразим ее с использованием ус­ловного графического обозначения транзистора (рис. 1.56).

Транзисторы традиционно характеризуют их так назы­ваемыми входными и выходными характеристиками. Для схемы с общей базой входной характеристикой называют зависимость тока i_э от напряжения и_бэ при заданном на­пряжении и_кб, т. е. зависимость вида

где f— некоторая функция.

Входной характеристикой называют и график соответ­ствующей зависимости (это справедливо и для других ха­рактеристик).

Выходной характеристикой для схемы с общей базой называют зависимость тока i_к от напряжения и_кб при за­данном токе i_э, т. е. зависимость вида

где f— некоторая функция.

Входные харттеристит дт схемы с общей базой. Каж­дая входная характеристика в значительной степени оп­ределяется характеристикой: эмиттерного перехода и по­этому аналогична характеристике диода. Изобразим входные характеристики кремниевого транзистора КТ603А (максимальный постоянный ток коллектора — 300 мА, максимальное постоянное напряжение коллектор-база — 30 В при t < 70° С) (рис. 1.57) . Сдвиг характерис­тик влево при увеличении напряжения и_кб объясняется проявлением так называемого эффекта Эрли (эффекта мо­дуляции толщины базы).

Указанный эффект состоит в том, что при увеличении напряжения и_кб коллекторный переход расширяется (как и всякий обратно смещенный p-n-переход). Если концен­трация атомов примеси в базе меньше концентрации ато­мов примеси в коллекторе, то расширение коллекторно-

го перехода осуществляется в основном за счет базы. В любом случае толщина базы уменьшается. Уменьшение толщины базы и соответствующее уменьшение ее сопро­тивления приводит к тому, что при неизменном токе i_э напряжение и_бэ уменьшается. Как было отмечено при рас­смотрении диода, при малом по модулю обратном напря­жении на р-n-переходе это напряжение влияет на шири­ну перехода больше, чем при большом напряжении. Поэтому различные входные характеристики, соответству­ющие различным напряжениям и_кб, независимо от типа транзистора практически сливаются, если и_кб > 5 В (или даже если и_кб > 2 В).

Входные характеристики часто характеризуют диффе­ренциальным сопротивлением r_диф, определяемым анало­гично дифференциальному сопротивлению диода.

Теперь

Выходные характеристики для схемы с общей базой. Изобразим выходные характеристики для транзистора КТ603А(рис. 1.58).

Как уже отмечалось, если коллекторный переход сме­щен в обратном направлении (и_кб > 0), то ток коллектора примерно равен току эмиттера: i_K » i_э. Это соотношение сохраняется даже при и_кб = 0 (если ток эмиттера достаточ­но велик), так как и в этом случае большинство электро­нов, инжектированных в базу, захватывается электри­ческим полем коллекторного перехода и переносится в коллектор.

Только если коллекторный переход смещают в прямом направлении (и_кб < 0), ток коллектора становится равным нулю, так как при этом начинается инжекция электронов из коллектора в базу (или дырок из базы в коллектор). Эта

инжекция компенсирует переход из базы в коллектор тех электронов, которые были инжектированы эмиттером. Ток коллектора становится равным нулю при выполнении условия |u_кб| < 0,75 В.

Режим, соответствующий первому квадранту характе­ристик (и_кб > 0, i_к > 0, причем ток эмиттера достаточно велик), называют активным режимом работы транзисто­ра. На координатной плоскости ему соответствует так называемая область активной работы.

Режим, соответствующий второму квадранту (и_кб < 0), называют режимом насыщения. Ему соответствует область насыщения.

Обратный ток коллектора I_ko мал (для КТ603А I_ko » 10 мкА при t £ 25°С). Поэтому выходная характеристика, со­ответствующая равенствам i_э = 0 и практически сливается с осью напряжений.

При увеличении температуры ток I_ko возрастает (для КТ603 I_ko » 100 мкА при t £ 85° С) и все выходные харак­теристики несколько смещаются вверх.

Режим работы транзистора, соответствующий токам коллектора, сравнимым с током I_ko, называют режимом отсечки. Соответствующую область характеристик вбли­зи оси напряжений называют областью отсечки.

В активном режиме напряжение и_кб и мощность р_к = i_K • и_кб, выделяющаяся в виде тепла в коллекторном пе­реходе, могут быть значительны. Чтобы транзистор не пе­регрелся, должно выполняться неравенство

где Р_{к макс} — максимально допустимая мощность (для КТ603А Р_{к макс} = 500 мВт при t £ 50° С)-

График зависимости (гипербола) изобра-

жен на выходных характеристиках пунктиром.

Таким образом, в активном режиме эмиттерный пере­ход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в

 

где f— некоторая функция.

Очень важно уяснить следующих два факта.

1. Характеристики для схемы с общим эмиттером не
отражают никакие новые физические эффекты по срав­нению с характеристиками для схемы с общей базой и-не
несут никакой принципиально новой информации о свой­ствах транзистора. Для объяснения особенностей ха­рактеристик с общим эмиттером не нужна никакая
информация кроме той, что необходима для объяснения
особенностей характеристик схемы с общей базой. Тем не
менее характеристики для схемы с общим эмиттером
очень широко используют на практике (и приводят в
справочниках), так как ими удобно пользоваться.

2. При расчетах на компьютерах моделирующие про­граммы вообще никак не учитывают то, по какой схеме
включен транзистор. Программы используют математи­ческие модели транзисторов, являющиеся едиными для
всевозможных схем включения. Тем не менее, очень полез-

но уметь определить тип схемы включения транзисто­ра. Это облегчает понимание принципа работы схемы.

Входные характеристики для схемы с общим эмиттером.Изобразим характеристики уже рассмотренного транзис­тора КТ603А (рис. 1.60). Теперь эффект Эрли проявляется в том, что при увеличении напряжения и_кэ характеристики сдвигаются вправо. Дифференциальное сопротивление теперь определяется выражением

Выходные характеристики для схемы с общим эмитте­ром.Изобразим эти характеристики для транзистора КТ603А(рис. 1.61).

Обратимся к ранее полученному выражению

В соответствии с первым законом Кирхгофа

и с учетом предыдущего выражения получим

Для приращения тока коллектора DiK и тока базы Di6 можно записать:

откуда

Введем обозначение:

Коэффициент b_CT называют статическим коэффициен­том передачи базового тока. Его величина обычно состав­ляет десятки — сотни (это безразмерный коэффициент).

Легко заметить, что

Введем обозначение

В итоге получаем

Это выражение в первом приближении описывает вы­ходные характеристики в области активной работы, не учитывая наклона характеристик.

Для учета наклона выражение записывают в виде

где

В первом приближении * r_к (сопротивле-

ние r_к определено выше).

Часто пользуются так называемым дифференциальным коэффициентом передачи базового тока b.

По определению

Для транзистора КТ603А при t = 25°С b = 10...80.

Величина b зависит от режима работы транзистора. Приведем типичный график зависимости b от тока эмит­тера (он практически равен току коллектора) для и_кб = 2 В (рис. 1.62).

Для нормальной работы транзистора на постоянном токе, кроме рассмотренного выше условия р_к £ P_к.макс. должны выполняться условия

где I_к.макс и U_{кэ.макс} — соответственно максимально допус­тимый постоянный ток коллектора и максимально допу­стимое постоянное напряжение между коллектором и эмиттером.

Для рассмотренного выше транзистора КТ603А I_к.макс = 300мА, U_{кэ.макс} = 30 В (при t £ 70° С).

Изобразим схематически на выходных характеристиках для схемы с общим эмиттером так называемую область безопасной работы, в которой указанные условия выпол­няются (рис. 1.63).

Обычно допустимо предполагать (с той или иной по­грешностью), что выходные характеристики для схемы с общим эмиттером расположены на отрезках прямых, рас­ходящихся веерообразно из одной точки на оси напряже­ний (рис. 1.64).

Напряжение U₉ (это положительная величина) называ­ют напряжением Эрли. Для транзистора КТ603А U_э » 40 В.

Инверсное включение транзистора. Иногда транзисторработает в таком режиме, что коллекторный переход сме-

щен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном.
При этой коллектор играет роль эмиттера, а эмиттер —
роль коллектора. Это так называемый инверсный режим.
Ему соответствует так называемый инверсный коэффици­ент передачи базового тока b₁. Из-за отмеченных выше
несимметрии структуры транзистора и различия в концен­трациях примесей в слоях полупроводника обычно
b₁ << b. Часто b₁ » 1.

Изобразим выходные характеристики для схемы с об­щим эмиттером и для прямого, и для инверсного вклю­чения (рис. 1.65).