Что такое семейство выходных вольтамперных характеристик транзистора
Перейти к содержимому

Что такое семейство выходных вольтамперных характеристик транзистора

Характеристики биполярного транзистора.

Характеристики биполярного транзистора в основном нелинейные и выражаются сложными формулами, неудобными на практике. Поэтому проще и нагляднее использовать графики зависимости параметров транзистора между собой. Так же удобнее изображать измеренные показания параметров конкретного транзистора графическим способом.

Статические характеристики биполярного транзистора c ОЭ

Статические характеристики биполярного транзистора отражают зависимость между напряжениями и токами на его входе и выходе при отсутствии нагрузки, и будут разные в зависимости от выбранного способа включения транзистора. В основном применяются характеристики транзистора со схемами включения с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ).

Для снятия на входе и выходе характеристик биполярного транзистора с ОЭ можно использовать схему как на рис.1 . В ней при помощи потенциометров R1 и R2 подаются нужные напряжения в базовую и коллекторную цепи с определенным током.

Входные характеристики биполярного транзистора

На рис.2 , для сравнения, показаны входные характеристики биполярного транзистора с ОЭ германиевого и кремневого транзисторов. Они выражают (при определенном напряжении между коллектором и эмиттером Uкэ ) зависимость базового тока Iб от приложенного между базой и эмиттером напряжением Uбэ . По форме они нелинейны и похожи на графики диодов, т.к. эмиттерный переход транзистора можно представить в виде диода включенным в прямом направлении.
Для каждого типа биполярных транзисторов при увеличении коллекторного напряжения характеристики немного смещаются в сторону увеличения базового напряжения, но на практике это увеличение не учитывается.
Из графиков еще видно , что в схеме с ОЭ базо-эмиттерное Uбэ в германиевых транзисторах не превышает 0,4В, а в кремниевых — 0,8В. При превышении этих входных напряжений токи могут стать недопустимо большими, которые приведут к его пробою.

Так как входная характеристика биполярного транзистора нелинейна, значит и входное сопротивление, зависящее от напряжения на входе и тока, тоже нелинейно.
Для примера определим Iб и Iк транзистора МП42Б с коэффициентом усиления β=50 ( рис.3 ) в разных точках графика.
В точке А базовый Iб=0,02mA и тогда Iк равен
Iк=β•Iб=50•0.02=1mA.
Можно наоборот определить на графике по известному Iк=13mA базовое напряжение Uэб . Iб при таком Iк равен:
Iб=Iк/β=13/50=0,26mA.
Значит Uэб=0,25В ( точка В ).
На этой же характеристике так же можно найти сопротивление на входе транзистора для постоянного (Iпост) переменного (Iпер) (дифференциально динамического) токов.
Сопротивление по Iпост относится к постоянной составляющей сигнала, а по переменному Iпер — к переменной составляющей сигнала. Входное сопротивление по Iпост имеет существенное значение для согласования между собой транзисторных каскадов и определяется по закону Ома:
R_=U/I .
В точке А на графике оно будет равно:
Rвх_= Uбэ/Iб = 0,1/ 0,02•10ˉ³ = 5 кОм.
Таким же образом находим сопротивление в точке Б — Rвх_= 1,6 кОм, и в точке В — Rвх_= 1 кОм.
Сопротивление по Iпер находим тоже по закону Ома, но в только в дифференциальной форме:
Rвх

= ∆U/∆I ,
где ∆U и ∆I — приращения напряжения и тока возле выбранной точки.
Для примера определим сопротивление по Iпер в точке Б ) ( рис.4 ). Задаем приращения (желтый треугольник на рисунке):
∆Uбэ = 0,225-0,175 = 0,05 В,
∆Iэ = 0,16-0,06 = 0,1 mA.
Тогда сопротивление равно:
Rвх

=0,05/0,1•10ˉ³ = 500 Ом
Аналогично вычислим Rвх

= 4кОм, а в точке В — 400 Ом. Обычно в схеме с ОЭ это сопротивление бывает в пределах от 500 Ом до 5 кОм.

Выходные характеристики биполярного транзистора

Выходные характеристики биполярного транзистора показывают зависимость коллекторного Iк от выходного напряжения Uэк при определенном базовом Iб .

На рис.5 приведено семейство выходных характеристик биполярного транзистора.
На графике видно, что выходные характеристики нелинейны, и что при увеличении Uэк от нуля до 0,4÷0,8 вольт Iк увеличивается быстро, а затем приращение уже мало и почти не зависит от величины Uэк , а зависит от Iб . Отсюда можно сделать вывод: в основном базовый Iб управляет коллекторным Iк.

По выходной характеристике биполярного транзистора МП42Б ( рис.6 ) определим в точке Б коллекторный ток при Uкэ = 5,7 В и Iб = 40 μA. Он будет равен Iк = 4,5 mA.
А для точки А ток базы при Uкэ = 5,7 В и Iк = 8 mA будет Iб = 80 μA.

Так же по выходной характеристике можно найти выходные сопротивления для Iпост и Iпер.
Сопротивление по Iпост в точке Б будет равно:
Rвых_= Uкэ/Iк = 5,7/4,5•10ˉ³ = 1,3 кОм.
Сопротивление по Iпер при приращении:
∆U = 8-3 = 5 В; ∆I = 4,5-4 = 0,5 mA
равно:
Rвых

= ∆U/∆I = 5/0,5•10ˉ³ = 10 кОм.
Оно может достигать 50 кОм.

Статические характеристики биполярного транзистора с ОБ.

Для снятия входных и выходных характеристик биполярного транзистора с ОБ используют схему как на рис7 . В ней при помощи потенциометров R1 и R2 подаются нужные напряжения в базовую и коллекторную цепи с определенным током.

Входные характеристики биполярного транзистора

Входные характеристики биполярного транзистора с ОБ показывают, как зависит Iэ от напряжения между эмиттером и базой Uэб при выбранном Uкб ( рис.8 ) для транзисторов разной проводимости.
Сравнив с входной характеристикой биполярного транзистора с ОЭ видим, что они похожи, но и имеют различия.
Это, во-первых, при увеличении коллекторного напряжения ветви характеристик германиевых и кремниевых транзисторов смещаются влево, Во-вторых, эммитерный Iэ в этом случае намного больше чем базовый Iб при включении с ОЭ и масштаб измерения по оси ординат уже не в микроамперах, а в милиамперах.
По входным характеристикам биполярного транзистора с ОБ можно определить такие же параметры как и с ОЭ: зависимость Iэ от Uэб , входные сопротивления Rвх_ и Rвх

.
По параметрам входной характеристики ( рис.9 ) найдем сопротивления на входе в точке А :
∆Uэб= 0,225-0,175 = 0,05 В,
∆Iэ = 16- 6 = 10 mA.
Rвх_= Uбэ/Iэ = 0,2/10•10ˉ³ =20 Ом,
Rвх

= ∆Uэб/∆Iэ =0,05/10•10ˉ³ = 5 Ом.
Вывод: на входе сопротивления в схеме с ОБ на много меньше чем с ОЭ и обычно не превышают 100 Ом.

Выходные характеристики биполярного транзистора

На рис.10 показано семейство выходных характеристик биполярного МП42Б которые выражают зависимость Iк от выходного напряжения Uбк при определенном эмиттерном токе Iэ . Они чем то похожи на выходные характеристики с ОЭ, но имеют и большие различия.
Одним из отличий является то, что Iк протекает даже тогда, когда коллекторное напряжение равно нулю. Причина в наличии токового источника в цепи эмиттера.
Второе отличие — выходные характеристики в схеме с ОБ почти горизонтальны, а это значит, что выходное сопротивление больше чем при ОЭ и может достигать при Iпер до 2 МОм.

Статические характеристики прямой передачи по току биполярного транзистора

По характеристике прямой передачи транзистора по току, которая представляет собой связь между входным и выходным токами, можно определить токовые коэффициенты усиления в схеме с ОЭ и ОБ как на рис.11
Коэффициент усиления по току с ОЭ равен:
β=∆Iк/∆Iб
где ∆Iк=2,8-2=0,8 mA;
∆Iб=30-20=10 μА.
β=0,8/10•10ˉ³= 80.
Коэффициент усиления с ОБ равен:
α=∆Iк/∆Iэ
где ∆Iк=2,8-2=0,8 mA;
∆Iэ=3-2=1 mA;
α=0,8/1=0,8.
Можно сделать вывод, что при включении биполярного транзистора с ОБ усиление по току почти не происходит.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторыТермин «биполярный транзистор» связан с тем, что в этих транзисторах используются носители зарядов двух типов: электроны и дырки. Для изготовления транзисторов применяют те же полупроводниковые материалы, что и для диодов.

В биполярных транзисторах с помощью трехслойной полупроводниковой структуры из полупроводников различной электропроводности создаются два p–n-перехода с чередующими типами электропроводности (p–n–p или n–p–n).

Биполярные транзисторы конструктивно могут быть беcкорпусными (рис.1,а) (для применения, например, в составе интегральных микросхем) и заключенными в типовой корпус (рис. 1,б). Три вывода биполярного транзистора называются база , коллектор и эмиттер .

Биполярные транзисторы

Рис. 1. Биполярный транзистор: а) p–n–p-структуры без корпуса, б) n–p–n-структуры в корпусе

В зависимости от общего вывода можно получить три схемы подключения биполярного транзистора : с общей базой (ОБ), общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Рассмотрим работу транзистора в схеме с общей базой, (рис. 2).

Схема работы биполярного транзистора

Рис. 2. Схема работы биполярного транзистора

Эмиттер инжектирует (поставляет) в базу основные носители, в нашем примере для полупроводниковых приборов n-типа ими будут электроны. Источники выбирают так, чтобы E2 >> E1. Резистор Rэ ограничивает ток открытого p–n-перехода.

При E1 = 0 ток через коллекторный переход мал (обусловлен неосновными носителями), его называют начальным коллекторным током Iк0. Если E1 > 0, электроны преодолевают эмиттерный p–n-переход (E1 включена в прямом направлении) и попадают в область базы.

Базу выполняют с большим удельным сопротивлением (малой концентрацией примеси), поэтому концентрация дырок в базе низкая. Следовательно, немногие попавшие в базу электроны рекомбинируют с ее дырками, образуя базовый ток Iб. Одновременно в коллекторном p–n-переходе со стороны E2 действует много большее поле, чем в эмиттерном переходе, которое увлекает электроны в коллектор. Поэтому подавляющее большинство электронов достигают коллектора.

Эмиттерный и коллекторный токи связаны коэффициентом передачи тока эмиттера

Всегда ∆ Iк ∆ Iэ, а a = 0,9 — 0,999 для современных транзисторов.

В рассмотренной схеме Iк = Iк0 + aIэ » Iэ. Следовательно, схема биполярного транзистора с общей базой обладает низким коэффициентом передачи тока. Из-за этого ее применяют редко, в основном в высокочастотных устройствах, где по усилению напряжения она предпочтительнее других.

Основной схемой включения биполярного транзистора является схема с общим эмиттером, (рис. 3).

Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

Рис. 3. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

Для нее по первому закону Кирхгофа можно записать Iб = Iэ – Iк = (1 – a)Iэ – Iк0 .

Учитывая, что 1 – a = 0,001 — 0,1, имеем Iб << Iэ » Iк .

Найдем отношение тока коллектора к току базы:

Это отношение называют коэффициентом передачи тока базы . При a = 0,99 получаем b = 100. Если в цепь базы включить источник сигнала, то такой же сигнал, но усиленный по току в b раз, будет протекать в цепи коллектора, образуя на резисторе Rк напряжение много большее, чем напряжение источника сигнала.

Для оценки работы биполярного транзистора в широком диапазоне импульсных и постоянных токов, мощностей и напряжений, а также для расчета цепи смещения, стабилизации режима используются семейства входных и выходных вольтамперных характеристик (ВАХ ) .

Семейство входных ВАХ устанавливают зависимость входного тока (базы или эмиттера) от входного напряжения Uбэ при Uк = const, рис. 4,а. Входные ВАХ транзистора аналогичны ВАХ диода в прямом включении.

Семейство выходных ВАХ устанавливает зависимость тока коллектора от напряжения на нем при определенном токе базы или эмиттера (в зависимости от схемы с общим эмиттером или общей базой), рис. 4, б.

Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора: а – входные, б – выходные

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора: а – входные, б – выходные

Кроме электрического перехода n–p, в быстродействующих цепях широко используется переход на основе контакта металл–полупроводник – барьер Шоттки (Schottky). В таких переходах не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, и быстродействие транзистора зависит только от скорости перезарядки барьерной емкости.

Биполярные транзисторы

Рис. 5. Биполярные транзисторы

Параметры биполярных транзисторов

Для оценки максимально допустимых режимов работы транзисторов используют основные параметры:

1) максимально допустимое напряжение коллектор–эмиттер (для различных транзисторов Uкэ макс = 10 — 2000 В),

2) максимально допустимая мощность рассеяния коллектора Pк макс – по ней транзисторы делят на транзисторы малой мощности (до 0,3 Вт), средней мощности (0,3 — 1,5 Вт) и большой мощности (более 1,5 Вт), транзисторы средней и большой мощности часто снабжаются специальным теплоотводящим устройством – радиатором,

3) максимально допустимый ток коллектора Iк макс – до 100 А и более,

4) граничная частота передачи тока fгр (частота, на которой h21 становится равным единице), по ней биполярные транзисторы делят:

  • на низкочастотные – до 3 МГц,
  • среднечастотные – от 3 до 30 МГц,
  • высокочастотные – от 30 до 300 МГц,
  • сверхвысокочастотные – более 300 МГц.

д.т.н., профессор Л. А. Потапов

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Характеристики и параметры транзисторов: схемы, описание, формулы

рис. 1.56

Рассмотрим характерные схемы включения транзистора и соответствующие характеристики.

Схема с общей базой

Приведенная схема включения транзистора в электрическую цепь называется схемой с 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 iэ от напряжения и 6э при заданном напряжении uбэ, т. е. зависимость вида iэ= f (uбэ) |uкэ= const, где f — некоторая функция.

Васильев Дмитрий Петрович

Выходной характеристикой для схемы с общей базой называют зависимость тока iк от напряжения uкб при заданном токе iэ, т. е. зависимость вида iк = f (uкб) |iэ= const, где f — некоторая функция.

Входные характеристики для 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

B при t < 70° С) (рис. 1.57) . Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения uкб объясняется проявлением так называемого эффекта Эрли (эффекта модуляции толщины базы).

рис. 1.57

Указанный эффект состоит в том, что при увеличении напряжения uкб 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 коллекторного 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 iэ напряжение uбэ уменьшается.

Абрамян Евгений Павлович

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

rдиф= (duбэ/diэ) |iэ– заданный, uкб=const

Выходные характеристики для схемы с общей базой

рис. 1.58

Изобразим выходные характеристики для транзистора КТ603А (рис. 1.58).

Как уже отмечалось, если коллекторный переход смещен в обратном направлении (uкб> 0), то ток коллектора примерно равен току эмиттера: iк

Это соотношение сохраняется даже при uкб= 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.

Абрамян Евгений Павлович

Наклон выходных характеристик численно определяют так называемым дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода (с учетом эффекта Эрли): rк=duкб/diэ|uкб– аданный, iэ=constiк=αст· iэ+ iко+ 1/rк· uкб

Схема с общим эмиттером

рис. 1.59

Очень часто транзистор характеризуют характеристиками, соответствующими схеме, представленной на рис. 1.59. Эту схему называют схемой с общий эмиттером, так как эмиттер является общим электродом для источников напряжения.

Для этой схемы входной характеристикой называют зависимость тока iб от напряжения uбэ при заданном напряжении uкэ , т. е. зависимость вида iб= f (uбэ) |u кэ = const , где f — некоторая функция.

Выходной характеристикой называют зависимость тока iк от напряжения uкэ при заданном токе iб, т. е. зависимость вида i к = f (u кэ ) |i б = const,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 полезно 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).

рис. 1.60

Теперь эффект Эрли проявляется в том, что при увеличении напряжения uкэ характеристики сдвигаются вправо. Дифференциальное сопротивление теперь определяется выражением rдиф= (duбэ/diб) |iб– заданный , uкэ= const

Выходные характеристики для схемы с общим эмиттером

рис. 1.61

Изобразим эти характеристики для транзистора КТ603А (рис. 1.61).

Обратимся к ранее полученному выражению iк=αст·iэ+iко В соответствии с первым законом Кирхгофа iэ=iк+iб и с учетом предыдущего выражения получим iкαст· (iк+iб) +iко откуда iк=αст/ (1 -αст) ·iб+ 1 / (1 -αст) ·iко

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

Легко заметить, что 1 / (1 -αст) = βст + 1 Введем обозначение i′ко ≡ (βст + 1) ·iко В итоге получаемiк= βст ·iб+i′ко Это выражение в первом приближении описывает выходные характеристики в области активной работы, не учитывая наклона характеристик.

Для учета наклона выражение записывают в виде iк= βст ·iб+i′ко +uкб· ( 1 /r′к ),гдеr′к =duкэ/diк|uкэ – заданное, iб=const

В первом приближении r′к = ( 1 / 1 + β) · rк (сопротивление rк определено выше). Часто пользуются так называемым дифференциальным коэффициентом передачи базового тока β.

Для приращения тока коллектора ∆iк и тока базы ∆iб можно записать:

По определению β=diк/diб|iк – заданный, uкэ=const

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

рис. 1.62

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

Для нормальной работы транзистора на постоянном токе, кроме рассмотренного выше условия Pк< Рк макс, должны выполняться условия iк<iк максиuкэ≤u кэ макс где iк макси u кэ макс — соответственно максимально допустимый постоянный ток коллектора и максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эмиттером.

Для рассмотренного выше транзистора КТ603А iк макс= 300 мА,uкэ макс = 30 В (при t < 70° С).

рис. 1.63

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

рис. 1.64

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 Uэ (это положительная величина) называют напряжением Эрли. Для транзистора КТ603А Uэ

Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора при включении по схеме с общим эмиттером

При включении по схеме с ОЭ (рис. 12.2) транзистор задается входной характеристикой и семейством выходных характеристик.

Входная ВАХ. Она представляет собой зависимость тока базы iB от напряжения между базой и эмиттером мБЭ при фиксированном напряжении между коллектором и эмиттером: гБ = гББЭ) при икэ = const.

Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

Рис. 12.2. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

Если полярность и величина напряжения икэ соответствует запертому состоянию КБ-перехода, то входная ВАХ (рис. 12.3, а) мало зависит от величины икэ (незначительно смещается вправо с ее ростом).

Семейство выходных ВАХ. Выходными характеристиками транзистора являются зависимости iK = гккэ) при iB = const (показаны на рис. 12.3, б). На каждой кривой семейства выходных ВАХ можно выделить пологий участок (приближающийся к горизонтальному), где ток iK слабо зависит от напряжения икэ. Соответствующий режим принято называть активным.

Начальный (крутой) участок каждой кривой соответствует напряжениям г/кэ, соизмеримым с напряжением иБЭ и даже меньшим. При этом переход коллектор — база начинает открываться. Транзистор вступает в режим, называемый состоянием насыщения.

Характеристики биполярного транзистора при включении

Рис. 12.3. Характеристики биполярного транзистора при включении

а входная ВАХ; б семейство выходных ВАХ; в — передаточная характеристика

Передаточная характеристика транзистора. Под передаточной характеристикой понимается зависимость тока коллектора iK от тока базы /Б при фиксированном напряжении между коллектором и эмиттером: iK = iK(ib) при икэ = const, где обычно предполагается, что величина и полярность икэ обеспечивают активный режим работы транзистора.

Передаточная характеристика может быть снята экспериментально или найдена но известному семейству выходных характеристик. С этой целью на графике выходных ВАХ проводится вертикаль, соответствующая выбранному значению икэ = икэо, как это показано на рис. 12.3, б. Каждая точка пересечения этой вертикали с одной из кривых семейства выходных ВАХ дает совокупность величин iK и гБ, что позволяет но нескольким таким точкам построить требуемую зависимость (приведена на рис. 12.3, в). Вид передаточной характеристики свидетельствует о близкой к линейной связи между коллекторным и базовым токами транзистора в активном режиме.

Важным параметром передаточной характеристики является дифференциальный коэффициент усиления но току

Величина (3 (определяющая наклон передаточной характеристики) обычно вычисляется по приближенной формуле

Из соотношений (12.1)—(12.3) следует, что в активном режиме коллекторный, эмиттерный и базовый токи, а также их приращения связаны между собой следующим образом:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *