Вольт-амперные характеристики транзистора (ВАХ)

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор представляет собой систему двух взаимодействующих р - n -переходов. В биполярном транзисторе физические процессы определяются носителями зарядов обоих знаков – основными и неосновными.

В зависимости от чередования р - и n -областей различают транзисторы
n-p-n типа и p-n-p типа.

Одна из крайних областей имеет более высокую степень легирования примесями и меньшую площадь. Её называют эмиттером Э. Другую крайнюю область называют коллектором. Среднюю область транзистора называют базой Б. Переход, образованный эмиттером и базой, называют эмиттерным переходом, а переход, образованный коллектором и базой, – коллекторным переходом.

Эмиттер имеет самую высокую концентрацию примесей. Концентрация примесей в коллекторе на 5 ÷ 6 порядков меньше. Концентрация примесей в базе еще на 5 ÷ 6 порядков меньше. Толщина базы меньше длины свободного пробега электронов.

Включим внешние источники напряжения Uэб и Uбк так, что эмиттерный переход транзистора включится в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. При этом произойдет инжекция электронов из эмиттера в базу. Под воздействием градиента концентрации инжектированные электроны будут двигаться по направлению к коллектору. Часть электронов рекомбинирует в базе.

Поскольку база относительно тонкая, ее толщина меньше длины свободного пробега электронов, то основная часть электронов пролетает базу и оказывается на границе перехода Б-К.

Электрическое поле перехода Б-К для электронов включено согласно и электроны втягиваются полем в структуру коллектора.

Таким образом, электроны выходят из эмиттера под действием диффузионных сил,
а втягиваются в коллектор под действием сил электрического поля. В результате рассмотренного процесса нарушается равновесное состояние зарядов всех полупроводниковых структур.

Равновесное состояние зарядов должно восстановиться за счет носителей зарядов внешних источников.

Ушедшие из эмиттера электроны восполняются электронами источника U эб, пришедшие в коллектор электроны компенсируются дырками источника U бк,

рекомбинировавшие дырки базы – дырками источника U бэ.

В результате во внешних цепях потекут токи I э, I к, I _б.

По закону Кирхгофа I _Э = I _К + I _б. I э = I к + I б.

Работу транзистора характеризуют параметром α

- Параметр называется коэффициент передачи тока эмиттера

Кроме основных носителей в коллекторе имеются неосновные носители - дырки.
Для них поле коллектора включено согласно и они начнут переходить в базу также нарушая равновесное состояние носителей коллектора и базы.

Равновесие восстанавливается приходом дырок от источника U_бк, создавая ток Iкб.

Таким образом, в коллектор втекает ток I _К и Iкб0. В базу втекает ток I _б и Iкб0

Вольт-амперные характеристики транзистора (ВАХ)

Свойства транзистора описывают с помощью характеристик. Для их получения воспользуемся моделью транзистора на постоянном токе моделью Молла-Эберса. P-n- переходы представим в виде двух диодов, подключенных к источникам напряжения.

Транзистор, имеющий входную и выходную цепи, можно рассматривать как четырехполюсник. Так как у транзистора всего три вывода, то один из выводов неизбежно должен быть общим для входной и выходной цепей.
В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим, различают три схемы включения транзистора:

• с общей базой (ОБ); с общим эмиттером (ОЭ); с общим коллектором (ОК).

Основными статическими вольт-амперными характеристиками биполярного транзистора являются входные и выходные характеристики.

Входные характеристики - зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении, являющимся параметром. I э = ƒ(U эб, U кб)

Напряжение U кб является параметром

Основными статическими вольт-амперными характеристиками биполярного транзистора являются входные и выходные характеристики.

Выходные характеристики - зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе, являющимся параметром. I к = ƒ(U кб, I э)
Характеристики, полученные при разных значениях параметра, образуют семейство характеристик.

Входная характеристика I э = ƒ(U эб, U кб)

Переход Э-Б включен в прямом направлении, чему соответствует пряма ветвь p-n-перехода.

ВАХ схемы включения общий эмиттер (ОЭ). В этом случае эмиттер является общим как для входной цепи так и для выходной.

Это означает, что ток коллектора в 100 раз больше тока базы.

Входная характеристика I б = ƒ(U бэ, U кэ). Переход Б - Э включен в прямом направлении, чему соответствует пряма ветвь p-n-перехода.

Параметры транзистора

α - статический коэффициент передачи тока эмиттера, В - статический коэффициент передачи тока базы

Рк.доп – допустимая мощность рассеяния коллекторной цепи.

Эта мощность выделяется в виде тепла.

Инерционные свойства транзисторов. При быстром изменении сигнала начинают проявляться инерционные свойства транзисторов.

Причины:

- конечная и различная скорость (энергия) носителей зарядов,

- конечная толщина базы,

- процессы насыщения и рекомбинации.

Эти причины ограничивают частотные свойства транзисторов.

Подадим во входную цепь транзистора – цепь базы скачок тока Из-за указанных причин ток коллектора начнет возрастать не сразу, а с некоторой задержкой.

Нарастание тока коллектора происходит по экспоненциальному закону, который характеризуется постоянной времени τ (читается тау). Нарастание тока коллектора происходит в течение времени t_ф.

Появление затягивания фронта свидетельствует о том, что коэффициенты и В зависят от времени (частоты). Эту зависимость характеризуют постоянной времени коэффициента В

Частотные параметры транзисторов:

- граничная частота ƒ_ГР (ω_гр) – частота, на которой коэффициент В уменьшается в √ 2 раз.

- частота единичного усиления |В(jω)| = 1.

Шумы транзистора. При работе транзистора возникают шумы. Шум – хаотическое изменение тока коллектора под действием внутренних и внешних факторов. Шумы обусловлены:

- дробовый шум - дискретность носителей зарядов, тепловой шум,

- поверхностные явления у p-n-переходов, рекомбинационные шумы.

- Величину шума оценивают коэффициентом шума К_Ш. К_Ш = U_Ш/U_Ш0 или К_ш[дБ] = 10 lg К_ш

- U_Ш – напряжение, которое необходимо подвести во входную цепь «нешумящего» транзистора для получения в выходной цепи напряжения, равного напряжению шумов.

- U_шо – напряжение тепловых шумов источника сигнала, подключенного ко входу транзистора.

- Шумы ограничивают минимальное значение входных сигналов.

Влияние изменения температуры на ВАХ. Токи в транзисторе сильно зависят от изменения температуры.

Ток удваивается при изменении температуры на каждые 8 -10 градусов

- Коэффициент В увеличивается при повышении температуры с темпом 3% на градус.

- На входной ВАХ ТКН = - 2 мВ/ºС

- Указанные факторы приводят к увеличению тока коллектора с повышением температуры.

Поэтому коллекторные ВАХ смещаются в область больших токов коллектора.

Если зафиксирован ток базы, то напряжение Uбэ с повышением температуры уменьшается.

Если зафиксировано напряжение Uбэ, то увеличивается ток базы с повышением температуры.

Предельные режимы работы транзистора

1. По температуре. Для Si – 100 – 120 ºC.
   Для приборов на основе GaAs рабочая температура может достигать 200 ºС.
2. По току I к.доп возможен перегрев.
3. По напряжению U кэ.доп возможен пробой.
4. По рассеиваемой мощности Р _К = I _К· U _К ≤ Р _к.доп.
5. Рабочая область.
6. Н – область насыщения.
7. О – область отсечки коллекторного тока.
8. | B(j·ω)| = 1.

123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: