1.5. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Для использования транзисторов необходимо представление сведений о них в виде характеристик и параметров, которые позволяют правильно выбрать транзистор и определить режимы его работы.

Транзистор по схеме с ОЭ описывается семействами выходных и входных характеристик.

Выходной или коллекторной ВАХ транзистора называется зависимость коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером . снятая при неизменном токе базы . Для снятия этой характеристики можно воспользоваться схемой рис. 1.6 при поддержании постоянства . Семейство выходных ВАХ транзистора приведено на рис. 1.7, а. Зависимость , как видно из рисунка, является нелинейной и может быть разбита на ряд участков.

Рис. 1.7. Выходные (а) и входные (б) характеристики биполярного транзистора

На большей части характеристик при ток коллектора почти не зависит от напряжения (пологий участок характеристик).

На этом участке транзистор работает в режиме, рассмотренном в § 1.4, когда на эмиттерном переходе действует прямое напряжение, а на коллекторном — обратное. Ток коллектора выражается зависимостью . На пологом участке выходных характеристик транзистор может характеризоваться как прибор со свойствами управляемого источника тока, т. е. источника тока . значение которого можно изменять путем изменения тока .

Для изменения входного тока базы, например для его увеличения, увеличивают напряжение источника при этом растут прямое напряжение на эмиттерном переходе и инжекция носителей из эмиттера в базу и ток эмиттера увеличивается на значение . Увеличение тока базы обусловлено увеличением рекомбинации части дырок в тонкой базе Основная часть приращения эмиттерного тока вызывает приращение тока коллектора Величина в различных типах транзисторов лежит в диапазоне от 10 до 100.

Небольшой наклон пологого участка выходной характеристики обусловлен тем, что при увеличении напряжения увеличивается напряжение на коллекторном переходе и расширяется двойной электрический слой коллекторного перехода, что приводит к уменьшению толщины базы. В более тонкой базе меньше вероятность рекомбинации, поэтому значения коэффициентов передачи тока несколько увеличиваются. Из (1.4) видно, что при увеличении возрастает коллекторный ток.

Перейдем к рассмотрению крутого участка выходных характеристик транзистора. При уменьшении уменьшается напряжение на коллекторном переходе , и при напряжение изменяет свой знак. При дальнейшем уменьшении до нуля к коллекторному переходу приложено прямое напряжение. Навстречу току дырок из эмиттера в коллектор начинается противоположное движение основных носителей (дырок) из коллектора в базу. В результате коллекторный ток при таком уменьшении резко падает. Крутой участок выходных характеристик транзистора характеризуется потерей транзистором свойств усилительного элемента, эта часть характеристик используется в импульсной технике при реализации ключевого режима транзистора (см. §3.2). Напряжение, отсекающее крутой участок на выходных характеристиках транзистора, .

Резкое увеличение тока в транзисторах при значительных напряжениях вызвано, как и в диодах, лавинным размножением носителей в коллекторном переходе, т. е. явлением электрического пробоя этого перехода.

Для предотвращения необратимого пробоя транзистора ограничиваются напряжение на коллекторе и мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе (на рис. 1.7, а показаны ограничения рабочего участка характеристик). Предельные значения тока коллектора, при превышении которых уменьшается коэффициент , приводятся в справочниках.

Обратимся к рассмотрению входных характеристик транзистора — зависимостей тока базы от напряжения между базой и эмиттером: при постоянном напряжении При оба перехода в транзисторе работают при прямом напряжении, токи коллектора и эмиттера суммируют в базе. Входная характеристика в этом режиме представляет собой ВАХ двух переходов, включенных параллельно (рис. 1.7, б).

При на коллекторном переходе появляется обратное напряжение, на эмиттерном — сохраняется прямое. Этот режим подробно рассмотрен в § 1.4. Ток базы в этом режиме, обусловленный процессом рекомбинации неосновных носителей в базе, равен разности эмиттерного и коллекторного токов, он описывается выражением (1.3). Входная характеристика транзистора рис. 1.7, б в этом режиме строится по прямой ветви ВАХ эмиттерного перехода, но значения тока уменьшаются на коэффициент (1—а), показывающий, что ток базы — это лишь рекомбинационная составляющая эмиттерного тока.

Токи в транзисторе сильно зависят от температуры окружающей среды, что является общим недостатком полупроводниковых приборов. Рассмотрим зависимость тока коллектора от температуры при постоянном входном токе базы. В (1.4) входят члены, зависящие от температуры. Во-первых, с ростом температуры растет ток (значение его удваивается через каждые ), так как увеличивается концентрация неосновных носителей в слоях. Во-вторых, коэффициент передачи тока базы при увеличении температуры также увеличивается. Это объясняется тем, что при повышении температуры центры рекомбинации кристаллической решетки) постепенно заполняются и вероятность рекомбинации носителей в базе падает, при этом увеличиваются коэффициенты передачи токов в транзисторе и, следовательно, . При нагреве на может изменяться на десятки процентов.

Коэффициенты передачи токов транзистора зависят от частоты. Это связано с инерционностью процессов, происходящих в транзисторе при прохождении носителей заряда через базовый слой, и изменением концентрации носителей в базе при диффузии неосновных носителей к коллектору. За счет инерционности этих процессов приращения выходного тока запаздывают по фазе относительно приращений входного тока. При высокой частоте следования импульсов за время импульса ток коллектора не успевает дорасти до максимального значения и с ростом частоты амплитуда импульсов убывает. Для математического описания этих явлений коэффициент представляют в виде комплексной величины, зависящей от частоты (рис. 1.8):

Рис. 1.8. Зависимость модуля коэффициента передачи от частоты

где — значение коэффициента в области низких и средних частот; — частота, на которой модуль коэффициента .

В справочниках приводится граничная частота коэффициента передачи тока , на которой . Подставим в (1.5) и найдем модуль , что . Получим

По величине можно приближенно судить о рабочей области частот усилителя, выполненного на транзисторах. В современных транзисторах составляет Гц. Если нужно усиливать сигналы при применяется включение транзистора с общей базой, усиление при этом возможно до частоты .