Статические характеристики биполярного транзистора в схеме с общей базой

Входные вольт - амперные характеристики (ВАХ) описывают зависимость входного тока от входного напряжения. На рис.4а представлено семейство входных статических ВАХ БТ в схеме с ОБ в активном режиме

I_Э=I_Э(U_ЭБ) при U_КБ=const (19)

Поскольку эмиттерный переход включён в прямом направлении, ток эмиттера в активном режиме экспоненциально возрастает с увеличением U_ЭБ. Зависимость I_Э от значения фиксируемого параметра семейства U_ЭБ≤0 выражена слабо. При увеличении │U_КБ│ кривые слегка смещаются вверх. Рис.4^В позволяет дать этому качественное объяснение. При U_ЭБ=const и увеличении абсолютной величины обратного смещения от │U_КБ│ до │U`<sub>КБ</sub>│ толщина базы уменьшается от W доW` из-за расширения ОПЗ коллекторного перехода. Градиент концентрации неосновных носителей у эмиттерного перехода слегка возрастает, что соответствует увеличению I_Э и сдвигу входных характеристик вверх по оси токов. В режиме насыщения (U_ЭБ>0, U_КБ>0) кроме инжекции дырок через эмиттерный переход происходит их инжекция и из коллектора в базу. При постоянном напряжении U_ЭБ градиент концентрации дырок в базе уменьшается и даже может изменить знак. В результате при постоянном напряжении U_ЭБ с ростом выходного напряжения в области насыщения эмиттерный ток уменьшается. При U_КБ>0 характеристики сдвигаются вниз относительно кривой для U_КБ=0 (на рис. 4^А они не показаны).

Эффект модуляции ширины базы под действием обратного коллекторного напряжения, упоминавшийся выше, именуемый также эффектом Эрли, имеет разнообразные проявления. К их числу относится и возникновение обратной связи по напряжению между входом и выходом транзистора. Этот эффект представлен семейством характеристик рис.4^Б. Кривые можно получить перестроением семейства входных характеристик: достаточно рассмотреть несколько сечений I_Э=const. При I_Э=const градиент концентрации дырок в базе транзистора на границе эмиттерного перехода должен сохранятся. С увеличением │U_КБ│, сопровождающимся уменьшением ширины базы, та же величина I_Э достигается при меньших значениях концентрации дырок у эмиттера и, следовательно, при меньших значениях U_ЭБ (см. семейство рис.4^В).

Выходные вольт – амперные характеристики – это зависимость выходного тока от выходного напряжения. При постоянном входном токе- фиксируемом параметре семейства –выходные статические ВАХ БТ в схеме с ОБ I_К=I_К(U_КБ) при I_Э=const (20)

имеют вид, представленный схематически на рис.4^Г. Выходные характеристики напоминают обратную ветвь статической ВАХ p-n перехода. Принципиальное отличие состоит в том, что распределение неосновных носителей в базе, определяющее ток экстракции коллекторного перехода, зависит не только от уровня термической генерации и диффузионной длины, как в обычном диоде, а управляется главным образом током эмиттера, инжектирующего неосновные носители в базу тем интенсивнее, чем выше управляющее напряжение U_ЭБ.

Рис. 4. Статические характеристики p-n-p биполярного транзистора в схеме с общей базой:

а – входные ВАХ;

б – характеристики обратной связи по напряжению;

в – распределение дырок в базе при различных условиях работы в активном режиме;

г – выходные ВАХ;

д – характеристики прямой передачи тока;

I – область насыщения; II – активная область; III – область умножения носителей; IV – область отсечки.

Путём качественного анализа процессов зарядопереноса в транзисторной структуре в активном режиме получена формула (12) I_К=αI_Э+I_КБО . Согласно (12) с возрастанием I_Э характеристики смещаются вверх, что соответствует принципу действию транзистора.

На границе активной области (U_КБ=0) при I_Э>0, концентрация дырок у эмиттерного перехода больше равновесной, а у коллекторного перехода она совпадает с P_nО. Благодаря наличию градиента концентрации дырок в базе нарушается диффузионно-дрейфовое равновесие в коллекторном переходе: поток

дырок из базы в коллектор (диффузионный до p-n перехода и дрейфовый в ОПЗ) оказывается больше встречного потока из коллектора в базу. В результате ток коллектора отличен от нуля и близок к току эмиттера. Кривые пересекают ось токов и идут вниз лишь при переходе транзистора в режим насыщения, когда на коллекторный переход подаётся небольшое прямое смещение. При этом встречная инжекция дырок из коллектора в базу восстанавливает динамический баланс потоков дырок и при U_КБ~0,7В (для кремниевых транзисторов) полный ток коллектора обращается в ноль (см. рис. 4^Г).

Слабая зависимость I_К от U_КБ в активном режиме обусловлена слабым влиянием выходного напряжения на характер движения инжектированных носителей через базу в направлении коллекторного перехода. Тем не менее выходные характеристики реального транзистора имеют небольшой положительный наклон. Некоторое увеличение I_К при увеличении |U_КБ| и I_Э = const связано с уменьшением рекомбинации дырок при их пролёте через более тонкую базу (ещё одно проявление эффекта Эрли). Увеличение коэффициента переноса χ ведет к небольшому увеличению коэффициента передачи тока эмиттера α = χγ. Наблюдаемый наклон кривых принято характеризовать выходным дифференциальным сопротивлением биполярного транзистора

(21)

_{ПРИ ЛАВИННОМ =} γχМ, (22)

^{УМНОЖ В КОЛЛЕКТ.}

где М – коэффициент лавинного умножения в коллекторном переходе. При напряжении наступает пробой, ограничивающий диапазон рабочих напряжений коллектора. В эпитаксиально – планарных транзисторах ~ 30 ÷ 70 В. Пробой начинает развиваться на краях перехода у поверхности кристалла. В схеме с ОБ в активном режиме напряжение пробоя коллектора почти не зависит от входного тока эмиттера. Напряжение пробоя коллекторного перехода при разрыве эмиттерной цепи (I_Э=0) обозначают через . Это один из важнейших статических параметров биполярного транзистора.

Путём перестроения выходных ВАХ легко получить статические характеристики передачи тока биполярного транзистора в схеме с ОБ

I_К = I_К(I_Э) при U_КБ = const (23)

Достаточно воспользоваться сечениями семейства выходных характеристик плоскостями U_КБ = const. На рис 4д зависимости I_К = I_К(I_Э) показаны схематически. Поведение кривых соответствует формуле (12), отражающей главное свойство БТ, работающего в активном режиме. Наклон графиков слегка изменяется вследствие изменения коэффициента α = γχ при различных уровнях инжекции. Ещё раз отметим, что в области активного усиления, как правило, I_КБО<<αI_Э.