1.1.5. Статические характеристики транзистора в схеме с об

Статические характеристики для схемы с ОБ (рис. 1.7) обычно представляются в виде семейства выходных (коллекторных) характеристик I_c(V_c) с параметром I_e (1.15а) и семейства входных (эмиттерных) характеристик I_e(V_e) с параметром V_c:

I_c = αI_e – I_e0[exp(qV_c/kT)-1] (1.15а)

В последнем случае связь между напряжением и током, действующими на эмиттере определяется соотношением:

V_e = , (1.15б)

где I_e0 и I_c0—обратные токи эмиттера и коллектора при разомкнутом коллекторе и эмиттере соответственно, а α — коэффициент передачи коллекторного тока, который учитывает обратное влияние тока коллектора на ток эмиттера.

В зависимости от того, как включены р—n-переходы транзистора, различают три режима работы транзистора.

1. Активный режим (эмиттерный переход открыт, коллекторный закрыт, т. е. V_c <0). В нем имеет место эффективное управление транзистором, и он может выполнять функции активного элемента — быть усилителем, генератором и т. д.

2. Режим отсечки (оба перехода закрыты, т. е. I_e<0), ток коллектора неуправляем.

3. Режим насыщения (оба перехода открыты, т. е. V_c >0), ток коллектора неуправляем.

Последние два режима транзистора используются в ключевых импульсных схемах.

Рис. 1.7. Статические характеристики транзистора при включении по схеме с ОБ: а—коллекторные (выходные); б—эмиттерные (входные).

Рассмотрим более детально активный режим. Для него справедливы соотношения V_c < 0; |V_c|>>kT/q, V_e>>kT/q, при которых выражения (1.15а) и (1.15б) переходят в следующие:

I_c = αI_e+I_c0 (1.16а)

V_e = (1.16б)

Выражение (1.16а) широко используется на практике. Как видно из рис. 1.7а, в активной области ток коллектора практически не зависит от напряжения на коллекторе. При изменении тока эмиттера на величину ΔI_e зависимость I_c(V_c) сдвигается на величину ΔI_c = αΔI_e. Реальные коллекторные характеристики за счет зависимости α и I_c0 от I_e и V_c .имеют конечный наклон, который резко увеличивается в области, близкой к пробою, когда напряжение на коллекторе V_c достигает напряжения лавинного пробоя V_M. При больших обратных смещениях на коллекторе начинаются процессы ударной ионизации, и при любом I_e коллекторный ток увеличивается в М раз: I_c(V_M) =MI_c0, где М—коэффициент ударной ионизации, описывающейся полуэмпирической формулой

M = (1.17)

где n=3 для базы из п—Ge и р—Si и n=5 для базы из р—Ge и п—Si. Лавинное умножение тока в области больших V_c приводит также к увеличению α, т. е. α_M=Мα.

Влияние V_c на эмиттерные характеристики не столь существенно, и последние образуют довольно плотный пучок. Кривая при V_c = 0 является обычной диодной характеристикой.

1.1.6. Статические характеристики в схеме с оэ

При включении с ОЭ семейством выходных характеристик являются I_c(V_c) с параметром I_b, а входных— I_b(V_b) с параметром V_c. Для активного режима работы эти зависимости (рис. 1.13)

имеют вид

I_c = (1.18а)

I_b = (1.18б)

где r_c — усредненное сопротивление коллектора.

Рис. 1.8. Статические характеристики транзистора при включении по схеме с ОЭ: а—выходные; б—входные

Коэффициент при I_b называется коэффициентом передачи базового тока в схеме с ОЭ:

B₀ = α/(1-α) (1.19)

Поскольку последний член в правой части (1.18а) мал, им можно пренебречь, и тогда семейство выходных характеристик описывается выражением:

I_c = B₀I_b + I^*_c0 . (1.20)

Здесь I^*_c0 = (1+ B₀) I_c0.

Из сравнения рис. 1.7 и 1.8 можно отметить основные различия между включением с ОЭ и с ОБ.

1. Кривые коллекторного семейства с ОЭ не пересекают ось ординат. Поскольку |V_ce| = |V_cb| + |V_e|, они получаются путем сдвига кривых в схеме с ОБ (рис. 1.7) на величину V_e, которая зависит от I_b, и область насыщения, в которой коллекторный переход отпирается, в зависимости от I_b перемещается в область более отрицательных значений V_ce.

2. Ток при разомкнутой базе (I_b =0) равен I^*_c0 = (1+ B₀) I_c0. Из (1.20) следует, что минимальное значение коллекторного тока I_c = I_c0 получается при I_b = -I_c0, т. е. в .интервале токов от I_b = 0 до I_b = - I_c0 транзистор в схеме ОЭ управляется отрицательным входным током, и, следовательно, области отсечки соответствуют значения тока I_b <-I_c0.

3. Входные характеристики (рис. 1.8,6) сдвинуты вниз на величину I_c0. Вид их подобен семейству эмиттерных характеристик но, поскольку I_b <-I_c0, эти кривые имеют другой масштаб тока.

В предпробойной области коэффициент передачи а увеличивается в М раз. Напряжение лавинного пробоя V_B в схеме с ОЭ, определяемое из условия Mα = 1, оказывается равным

V_B = V_M(1-α)^1/3 (1.21)

При α~0,95 получаем V_B = 0,4V_M. Пробой в схеме с ОЭ происходит при значительно меньших напряжениях, чем в схеме с ОБ.

Рассмотрение статистических характеристик в схемах с ОБ и с ОЭ показывает, что для описания свойства транзисторов необходимо знать следующие параметры: коэффициент передачи тока базы B₀, коэффициент передачи тока эмиттера а, обратный ток коллекторного перехода /ко. Рассмотрим, 'каким образом эти величины определяются через физические параметры транзистора.

а) Коэффициент передачи эмиттерного тока α

Коэффициент передачи тока в схеме с ОБ равен

α = γβ  (1.22)

Подставляя в (1.22) типичные для сплавных триодов значения σ_n/σ_p= 0,001 и полагая W=(0,1—0,3)L_p получаем α =0,95—0,98.

Чем меньше толщина базы W и отношение W/L_p а также разница в уровнях легирования эмиттера и базы σ_n/σ_p, тем лучше выполняется условие α 1.

Так как α ≤1, входной I_e и выходной I_c токи транзистора в схеме ОБ почти одинаковы, следовательно, усиление по току отсутствует. Однако, включив в выходную цепь сопротивление r_c (рис. 1.6,б), можно получить усиление по мощности, поскольку сопротивление нагрузки R_н значительно превышает сопротивление эмиттерного перехода r_e.

б) Коэффициент усиления транзистора по току B₀

Как следует из (1.19), при α~1 коэффициент передачи тока базы B₀ >>1. Так, например, при характерных для сплавных транзисторов значениях α = 0,95—0,99 получаем B₀ = 20—100. Следовательно, выходной ток I_c во много раз превышает входной ток I_b. Это означает, что при включении транзистора в схемах с ОЭ можно получить значительное усиление по току.

В реальных схемах α, а следовательно, B₀ зависят от тока I_c и напряжения V_c. Зависимость α(I_c) имеет явно выраженный максимум. Рост α вначале объясняется ростом γ с возрастанием инжекционного тока и в дальнейшем ростом β из-за ускорения диффузии в базе за счет появления тянущего поля при высоких уровнях инжекции. Однако увеличение инжекции электронов из базы в эмиттер и уменьшение времени жизни дырок в базе при их высокой концентрации приводят к уменьшению γ и β соответственно и, следовательно, к уменьшению α.

В области V_c < V_M коэффициент α зависит от V_c вначале очень сильно, возрастая из-за расширения области объемного заряда коллекторного перехода. В дальнейшем повышение α ограничивается из-за обратной связи между V_c и V_e и уменьшения V_e с ростом V_c. Все это приводит к тому, что семейства выходных характеристик при больших токах становятся неэквидистантными, причем этот эффект заметнее проявляется в семействе для схемы с ОЭ, поскольку зависимость B₀(I_c) выражена гораздо сильнее из-за малости члена 1— α.

в) Обратный ток коллекторного перехода I_c0

Ток I_c0 является неуправляемым током коллекторного перехода (при разомкнутой цепи эмиттера) и характеризует минимальное значение тока, при котором транзистор может работать при данном напряжении на коллекторе. Оценка дает для I_c0 значение порядка нескольких микроампер.