Лекции в ворде (Лк11)

Посмотреть архив целиком

15.1.2. Статические вольт-амперные характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой

При любом включении транзистор характеризуется семейством входных и выходных характеристик. На рис. 15.8,а показаны зависимости коллекторного тока от разности потенциалов между коллектором и базой UКБ для pnp-транзистора или выходные ВАХ транзистора с ОБ (или выходными ВАХ), поскольку они характеризуют выходную цепь транзистора.

На рис. 15.8,б показаны зависимости тока эмиттера от разности потенциалом между эмиттером и базой UЭБ, или входные ВАХ транзистора с ОБ (или просто входными ВАХ), поскольку они характеризуют входную цепь транзистора.



















а б

Рис. 15. 8. Выходные и входные ВАХ pnp-транзистора с ОБ

Следует напомнить, что для pnp-транзисторов при нормальном включении эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный переход – в обратном. Соответственно для npn-транзисторов при нормальном включении Uэб<0, Uкб>0 и Iэб<0, Iкб>0. Обычно все ВАХ рисуют в первом квадранте, т.е. по существу по осям откладывают модули соответствующих токов и напряжений.

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают три режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором эмиттерный переход находится в открытом состоянии, а коллекторный в закрытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах.

В импульсных схемах транзистор работает в режиме электронного ключа. При этом ток коллектора в открытом состоянии транзистора (когда ключ замкнут) ограничивается не транзистором, а внешними сопротивлениями. Говорят, что выходной ток не растёт с ростом входного тока, а достигается насыщение роста. Отсюда возник термин – «режим насыщения». В режиме насыщения оба pn-перехода смещены в прямом направлении. Разомкнутому состоянию электронного ключа соответствует режим отсечки тока, или просто «режим отсечки». В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении. Таким образом, возможны три состояния (три режима работы транзистора) – активный, насыщения и отсечки.

Учитывая симметричную структуру транзистора, функции эмиттера и коллектора можно поменять местами. При этом включение транзистора называют инверсным. Очевидно, что как и при нормальном включении, здесь также возможны три режима – активный, насыщения и отсечки.

Рассмотрим влияние режимов работы транзистора (и его ВАХ) более подробно. Если положить UКБ=0, то, как видно из рис. 15.8,б входная характеристика транзистора соответствует характеристике pn-перехода, включенного в прямом направлении. Если UКБ 0, то входная характеристика изменяется, т.е. транзистор – прибор, в котором существует обратная связь и сигнал в выходной цепи может оказывать влияние на сигнал входной цепи.

При UЭБ=0 и UКБ=0 концентрация в базе равновесная pn, градиент концентрации в базе отсутствует, токи через эмиттерный и коллекторный переходы равны нулю (т.0).

На ВАХ можно выделить три области, соответствующие различным режимам работы транзистора: активную область, область насыщения и область отсечки.

Если эмиттер смещен в прямом направлении, происходит инжекция носителей заряда в базу. В случае узкой базы распределение концентрации неосновных носителей в базе можно считать линейным.

а

Рис. 15.9. Распределение неосновных носителей в базе pnp-транзистора при UЭБ– положительное, UКБ=0 (т. А)

Доходя до коллектора, инжектированные носители создают ток в выходной цепи (т. А на рис. 15.8). Возрастание UЭБ будет сопровождаться увеличением тока эмиттера (т. В на рис. 15.8), а также ростом pn(0), ростом градиента концентрации неосновных носителей зарядаpn/∂x, и, следовательно, возрастанием тока через базу, что уменьшает скорость рекомбинации и ток базы.

В активном усилительном режиме при UЭБ>0, UКБ<0, pn(0)>pn0, pn(W)<pn0. Как правило, |UКБ|>>|| поэтому можно считать pn(W)≈0 (рис. 15.10,а). Получим (т. А’ на рис. 15.8) Отметим, что в активном режиме переходы транзистора имеют различную ширину: запертый коллекторный переход значительно шире открытого эмиттерного перехода.

а

б

нормальное включение,

UКБ=const, UЭБ – переменное

нормальное включение, UЭБ =const, UКБ – переменное

Рис. 15.10. Распределение неосновных носителей в базе pnp-транзистора при нормальном включении в схеме с ОБ

Если при постоянном токе эмиттера увеличивать обратное смещение на коллекторе, ширина ОПЗ коллекторного перехода будет возрастать, ширина базы уменьшается (эффект Эрли, рис. 15.10,б) и градиент концентрации в базе в этом случае может остаться постоянным только при уменьшении концентрации неосновных носителей у ЭП. Это соответствует уменьшению напряжения на эмиттере и смещению характеристик влево (т. С на рис. 15.8).

Если напряжение на ЭП равно нулю, отрицательное напряжение на коллекторе приводит к уменьшению концентрации дырок в базе, состояние термодинамического равновесия на ЭП нарушается, что в свою очередь вызывает приток дырок из эмиттера, появляется градиент концентрации в базе, и ток эмиттера при UКБ < 0 отличен от нуля (т. D на рис. 15.8).

Если положить IЭ = 0, то выходная характеристика будет соответствовать ВАХ pn-перехода, включенного в обратном направлении (рис. 15.8,а). Проходящий при этом в коллекторной цепи ток IКБ0 является неуправляемым и часто называется тепловым, поскольку он создается неосновными носителями, генерируемыми в области базы и эмиттера. Ток IКБ0 надо именно измерять, так как аналитически оценить все составляющие тока невозможно.

С увеличением напряжения на коллекторе ток коллектора растет. Величина наклона кривых характеризуется сопротивлением . С увеличением напряжения на коллекторе ширина базы уменьшается, вследствие чего уменьшается вероятность рекомбинации дырок в базе, и при постоянном токе эмиттера ток дырок, доходящих до коллектора, должен возрастать с повышением напряжения на КП. Поэтому сопротивление коллектора должно уменьшаться.

Завершая рассмотрение активного режима, отметим, что основной вклад в ток через базовый электрод (ток базы) вносит рекомбинационная составляющая. Равная ей рекомбинационная составляющая тока эмиттера определяет его отличие от тока коллектора, создаваемого практически исключительно сквозным потоком дырок (). С учетом того, что база транзистора делается очень узкой и слабо легируется, потери электронов на рекомбинацию в базе очень невелики, и IБ<< IЭ.

Инверсный режим (инверсный активный режим) работы транзистора аналогичен активному режиму с той лишь разницей, что в этом режиме в открытом состоянии находится коллекторный переход, а в закрытом эмиттерный переход. Коэффициент усиления по току в инверсном режиме для pnp-транзистора можно записать по аналогии с :




(15.27)



(15.34)

В связи с тем, что усилительные свойства транзистора в инверсном режиме оказываются значительно хуже, чем в активном режиме, транзистор в инверсном режиме практически не используется.

Режим насыщения (т. А и т. Е на рис. 15.8) соответствует режиму, при котором оба перехода транзистора находятся в открытом состоянии. Границы режима насыщения определяются условиями UЭБ>0 и UКБ≥0, следовательно, pn(0)>pn0, pn(W)≥pn0. В точке А UЭБ>0 и UКБ=0, соответственно pn(0)>pn0 и pn(W)=0, в точке Е UКБ>0 и Uк.б>0, соответственно pn(0)>pn0 и pn(W)>pn0. (рис. 15.11).

а