Статические характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

Входные ВАХ БТ в схеме с общим эмиттером представляют собой зависимости

I_Б = I_Б(U_БЭ) при U_КЭ = const . (24)

Они показаны на рисунке 5а. Активный режим p-n-p транзистора в схеме с общим эмиттером реализуется при U_БЭ<0, U_КЭ<0 и |U_БЭ|<|U_КЭ|. В соответствии с (16) I_Б = (1-α)I_Э – I_КБО . При U_БЭ→0, I_Э→0 и I_Б→-I_КБО (см рис 5^А). При достаточно больших токах эмиттера основную часть тока базы составляет компонента (1-α)I_Э, в которой, в свою очередь, ведущей является рекомбинационная составляющая (1-χ)γI_Э (см. рис. 3^В). Поскольку ток эмиттера экспоненциально зависит от напряжения U_БЭ, то входные характеристики (24) при достаточно больших I_Э должны напоминать прямую ветвь ВАХ p-n перехода (см. рис. 5^А). При U_БЭ = const и увеличении |U_КЭ| объём базы уменьшается (эффект Эрли), уменьшается и рекомбинационная составляющая базового тока (главным образом за счёт уменьшении рекомбинации по объёму базы). Это приводит к небольшому сдвигу входных характеристик вниз по оси токов.

При U_БЭ<0 и U_КЭ=0 оба перехода включены одинаково – в прямом направлении. Транзистор работает в режиме насыщения. Дырки инжектируются в базу как из эмиттера, так и из коллектора. При этом ток во входной цепи значительно выше, чем в активном режиме. Кривая для U_КЭ=0 на рис. 5^А должна идти значительно выше остальных, но масштаб по оси токов на рисунке не выдержан.

Воспользовавшись сечением семейства входных ВАХ плоскостями I_Б = const, путём перестроения легко получить характеристики обратной связи по напряжению БТ в схеме с общим эмиттером:

Рис. 5. Статические характеристики p-n-p биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (схематически):

а – входные характеристики;

б – характеристики обратной связи по напряжению;

в – распределение концентрации дырок в базе в активном режиме при постоянном токе базы и различных коллекторных напряжениях;

г – выходные ВАХ

д – характеристики передачи тока;

е – зависимость коэффициента передачи тока базы b от тока эмиттера.

U_БЭ = U_БЭ(U_КЭ) при I_Б = const . (25)

Они показанные схематически на рисунке 5^Б. Поведение кривых можно понять, опираясь на рисунок 5^В. При увеличении |U_КЭ| уменьшается объём базы. Чтобы ток базы оставался неизменным, должно оставаться постоянным полное количество дырок в базе, так как основная часть I_Б – это рекомбинационная составляющая I_RV. Поэтому для поддержания постоянным тока базы необходима более высокая концентрация дырок у эмиттера, то есть большее значение |U_БЭ|.

Семейство выходных ВАХ БТ в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

I_К = I_К (U_КЭ) при I_Б = const. (26)

Они показаны на рисунке 5^Г и заметно отличаются от выходных ВАХ транзистора в схеме с ОБ. Пологий участок характеристики соответствует активному режиму, когда вне зависимости от схемы включения транзистора выполняется равенство (12)

.

Заменив в нём в соответствии с первым законом Кирхгофа ток эмиттера на сумму токов коллектора и базы

, (27)

и разрешив затем относительно I_К, получим связь между током коллектора и током базы

(28)

Введём обозначение

(29)

и с учетом (18) перепишем (28) в виде

(30)

Это очень важное равенство. Являясь следствием формулы (12), оно удобно для анализа активного режима БТ, включенного по схеме с ОЭ. Величину β >> 1, определяемую формулой (29), называют коэффициентом передачи тока базы. Наряду с коэффициентом α это важнейший статический параметр, характеризующий усилительные свойства биполярного транзистора. В схеме с ОЭ усиление по току БТ может достигать нескольких десятков, что является важнейшим преимуществом этой схемы включения транзистора. Ток I_КЭО – это сквозной ток транзистора при холостом ходе во входной цепи (I_Б=0), на что указывает последний индекс О. Средний индекс Э указывает на схему включения с общим эмиттером, а индекс К – что это ток коллектора. Общий вид выходной ВАХ БТ в схеме с ОЭ напоминает обратную ветвь ВАХ диода. Однако в соответствии с (30) кривые располагаются тем выше, чем больше ток базы. В отличие от выходных характеристик БТ в схеме с ОБ, выходные ВАХ в схеме с ОЭ почти полностью располагаются в первом квадранте и имеют значительно больший наклон. Дифференциальное сопротивление коллектора

при I_Б= const (31)

почти на два порядка ниже, чем в схеме с ОБ. Это объясняется тем, что при увеличении |U_КЭ| для поддержания неизменным тока базы должен возрастать ток эмиттера, что в свою очередь приводит к увеличению тока коллектора (см. пояснение к рис 5^В). Таким образом, влияние модуляции ширины базы в схеме с ОЭ сказывается гораздо сильнее, чем в схеме с ОБ. (В своё время именно это называлось эффектом Эрли). Когда выходное напряжение становится ниже входного (|U_КЭ|<|U_БЭ|), коллекторный переход оказывается включенным в прямом направлении и транзистор переходит в область насыщения. На рисунке 5^Г граница области насыщения отмечена пунктирной кривой. Для поддержания тока базы на фиксированном уровне в режиме двойной инжекции необходимо снижать напряжение U_БЭ. Это сопровождается уменьшением I_Э и, соответственно, уменьшением тока коллектора. В результате выходные характеристики в области насыщения имеют резкий спад. Можно показать, что все крутые участки пересекают ось напряжений в точке |U_КЭ| = U₀ = φ_Т ln(1/α_I), где α_I - коэффициент передачи тока в активном инверсном режиме. При Т= 300К и α_I ≈ 0,1 имеем U₀ ≈ 0,063 В. При этом напряжении ток дырок, собираемых коллектором из базы, полностью компенсируется противоположно направленным током инжекции коллекторного перехода, и потому результирующий ток коллектора обращается в ноль. Ток коллектора при равном нулю входном токе I_Б=0, обозначаемый через I_КЭО, является неуправляемой частью выходного тока БТ в схеме с ОЭ. Согласно (18) и (29)

I_КЭО = (1+β) I_КБО , (32)

т.е. значительно больше, чем неуправляемая часть выходного тока в схеме с ОБ. Обсудим это обстоятельство подробнее. Коллекторный переход экстрагирует генерируемые в базе дырки. Образующиеся одновременно с ними электроны оказываются в энергетической яме (см. рис. 3^А) и не могут покинуть область базы, так как цепь базы разомкнута. Кроме того, поле коллекторного перехода перебрасывает в базу электроны, генерируемые в области коллектора и ОПЗ коллекторного перехода. В результате в базе за единицу времени скапливается количество электронов, соответствующее величине тока I_КБО. Для рекомбинации с этими электронами через эмиттерный переход должны инжектироваться дырки – база должна оставаться в целом электронейтральной. Это означает, что эмиттерный переход оказывается включенным под небольшое прямое напряжение, являющееся частью выходного напряжения U_КЭ (напряжение U_КЭ распределяется между коллекторным и эмиттерным переходами). Из-за малой толщины базы количество дырок, рекомбинирующих в базе в единицу времени, соответствует величине (1-α)I_Э. В установившемся режиме для поддержания электронейтральности базы ток эмиттера должен быть таким, чтобы выполнялось равенство

. (33)

При этом I_К = I_КЭО = I_Э (при I_Б=0) оказывается много больше тока I_КБО в полном соответствии с (18). Полезно также сопоставить равенство (33), полученное из соображений баланса зарядов в базе, с выражением (16) для тока базы в активном режиме

I_Б = (1-α) I_Э – I_КБО.

Легко видеть, что при выполнении условия (33) ток базы действительно равен нулю.

При больших напряжениях U_КЭ наблюдается резкое увеличение I_К, обусловленное пробоем коллекторного перехода. Напряжение пробоя БТ в схеме с ОЭ значительно меньше напряжения пробоя уединенного коллекторного перехода и сильно зависит от сопротивления R_Б, включенного в цепь базы. При разомкнутой входной цепи (I_Б=0, R_Б → ∞) напряжение пробоя оказывается минимальным и обозначается . Можно показать, что

. (34)

Показатель корня n тот же, что и показатель степени в формуле

, (35)

описывающей зависимость коэффициента лавинного умножения М коллекторного перехода от приложенного к нему обратного напряжения. Понижение напряжения пробоя в схеме с ОЭ объясняется проявлением внутренней положительной обратной связи в транзисторе, обсуждавшейся выше.

Итак, в схеме с общим эмиттером по сравнению со схемой с ОБ выходные характеристики в пологой части идут круче, неуправляемый выходной ток больше, а пробивное напряжение меньше.

На рисунке 5^Д показаны статические характеристики передачи тока БТ в схеме с ОЭ, которые легко получить перестроением семейства выходных характеристик, воспользовавшись сечением U_КЭ = const. Масштабы по осям токов существенно различны, поскольку усиление по току БТ в схеме с ОЭ может быть значительным и I_К >> I_Б . При U_КЭ =0 транзистор работает в режиме двойной инжекции и ток коллектора p-n-p транзистора направлен в сторону базы (I_К<0). Заметная нелинейность характеристик прямой передачи по току отражает достаточно сильную зависимость коэффициента β от уровня инжекции эмиттера (рис 5^Е).