Что такое семейство выходных вольтамперных характеристик транзистора

2 Семейства вольт-амперных характеристик биполярного транзистора

В общем случае параметры биполярного транзистора определяются его входными и выходными характеристиками.

Входные характеристики: I_ВХ = f(U_ВХ) при U_ВЫХ = соnst.

Выходные характеристики: I_ВЫХ = f(U_ВЫХ) при I_ВХ = соnst.

В приложении к конкретной схеме включения транзистора эти характеристики видоизменяются. Например, для схемы с ОЭ они имеют следующую форму записи:

— входные характеристики: I_Б = f(U_БЭ) при U_КЭ = соnst;

— выходные характеристики: I_К = f(U_КЭ) при I_Б = соnst.

На основе входных и выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ) БПТ иногда строятся, так называемые, производные семейства характеристик:

— характеристика передачи по току — I_К =f(I_Б) при U_КЭ = соnst (схема с ОЭ);

— характеристика обратной связи по напряжению – U_БЭ = f(U_КЭ) при I_Б = соnst (для схемы с ОЭ).

Входные ВАХ БПТ малой мощности изображены на рисунке 2.1а. Эти кривые подобны ВАХ полупроводникового диода. Входным параметром является напряжение между базой и эмиттером U_БЭ, выходным – ток базы I_Б.

Семейство выходных ВАХ транзистора в схеме с ОЭ представлено на рисунке 2.1 б. Штриховой линией (справа) обозначена область лавинного пробоя переходящая в тепловой. Очевидно, что и входные и выходные характеристики БПТ являются нелинейными. Граница перехода кривых тока коллектора на пологий участок определяет активный режим работы транзистора, левей расположен участок, где открываются оба p – n — перехода и наступает режим насыщения. Левая пунктирная кривая показывает начало выхода транзистора на активный режим (U_БК = 0). Режим отсечки соответствует области токов базы I_Б в области нулевых значений (нижняя пунктирная кривая). Рабочей считается область, расположенная между штриховыми линиями.

Особенностью входных характеристик в схеме ОЭ является различный характер зависимости тока базы от величины приложенного коллекторного напряжения I_Б = f(U_КЭ). Входным током в схеме ОЭ является ток рекомбинации в базе I_Б . При U_КЭ = 0 на коллекторном переходе действует небольшое внутреннее запирающее поле. При этом запорный (обедненный носителями заряда) слой коллекторного перехода распространен на некоторую глубину в сторону базы. Рекомбинация происходит в активной области, не занятой запорным слоем. При увеличении U_КЭ запорный слой расширяется за счет слаболегированной базы (так называемый эффект Эрли), активная область которой сужается и число рекомбинировавших пар уменьшается, следовательно, уменьшается ток базы, что можно увидеть на входной характеристике (см. рисунок 2.1 а). Этот процесс называется модуляцией (изменением) ширины базы. Эффект модуляции имеет место для выходных напряжений в пределах U_КЭ  35 В.

Лекция 4 Характеристики и параметры биполярного транзистора

Биполярный транзистор описывается в первую очередь семейством входных и выходных характеристик. Эти характеристики называют статическими, поскольку их снимают при отсутствии в цепях транзистора резисторов и относительно медленных изменениях токов и напряжений. Входными называют семейство вольт-амперных характеристик входной цепи транзистора, построенных для ряда фиксированных значений напряжения выходной цепи. Выходными называют семейство вольт-амперных характеристик выходной цепи транзистора, построенных для ряда фиксированных значений входного тока. Как видно из рис.1.7, каждой схеме включения соответствует определенное сочетание входных и выходных токов и напряжений. Поэтому вид и входных и выходных характеристик транзистора будет определяться схемой его включения.

Типичные входная и выходная статические характеристики транзистора типа n-p-n для схемы включения ОЭ представлены на рис.1.8 и 1.9. Характеристики транзистора типа p-n-p аналогичны, но значения напряжений U и U — отрицательные.

Входная характеристика транзистора в схеме ОЭ – это семейство зависимостей I_Б (U), построенных при постоянных значениях напряжения U. Однако, как видно из рис.1.8, приводятся две зависимости: одна для U = 0, а другая для значения напряжения U, соответствующего центру рабочего интервала значений данного параметра. Это связано с тем, что вольт-амперные характеристики входной цепи для рабочего интервала значений U практически не отличаются друг от друга. В данном случае зависимость I_Б (U) по существу является вольт-амперной характеристикой эмиттерного p-n перехода, поскольку коллекторный переход находится в закрытом состоянии. При U= 0, кроме эмиттерного, открытым будет и коллекторный переход, зависимость I_Б (U) представляет собой вольт-амперную характеристику уже двух переходов, включенных параллельно (токи эмиттера и коллектора суммируются в базе).

Рис.1.8. Входная характеристика Рис.1.9. Выходная характеристика биполярного транзистора биполярного транзистора

Выходная характеристика транзистора в схеме ОЭ, как видно из рис.1.9, — это семейство зависимостей I(U), построенных для ряда значений тока I_Б. Каждая вольт-амперная характеристика имеет три участка: начальный, на котором происходит резкое увеличение коллекторного тока при подъеме напряжения U; рабочий участок, где коллекторный ток незначительно увеличивается при увеличении напряжения U, при этом зависимость I (U) – линейная; участок пробоя коллекторного перехода. Резкое увеличение коллекторного тока в начале вольт-амперной характеристики соответствует закрытию коллекторного перехода, когда по абсолютному значению напряжение U становится больше напряжения U и обеспечивается перенос рабочих носителей заряда из базового слоя в коллекторный. При этом увеличение тока базы (при увеличении напряжения база-эмиттер) обусловлено увеличением поступления рабочих носителей заряда из эмиттерного слоя в базовый.

Соотношения (1.1) и (1.2) позволяют получить выражение для рабочих участков выходной характеристики.

I = β I_Б + I. (1.3)

В этом выражении I = I — является начальным током транзистора в схеме ОЭ, который получается при I_Б = 0. Параметр β = — коэффициент передачи тока в схеме ОЭ, который характеризует усиление транзистора по току. Поскольку значение α составляет 0,9 – 0,99, величина параметра β обычно находится в пределах 9 – 99.

Соотношение (1.3) правильно отражает линейное увеличение коллекторного тока при увеличении тока базы, но не передает зависимость тока I от напряжения U. Последнее учитывается введением в соотношение (1.3) дополнительного слагаемого, после чего оно принимает вид

I = β I_Б + + I, (1.4)

где r — дифференциальное сопротивление выхода транзистора в схеме ОЭ.

Область значений выходных параметров, при которых допускается эксплуатация транзистора, называется рабочей. Границы этой области, показанной на рис.1.9, определяются тремя факторами:

• максимальным значением напряжения U, превышение которого приводит к электрическому пробою коллекторного p-n перехода;
• максимальным значением коллекторного тока I, превышение которого приводит к перегреву эмиттерного p-n перехода;
• максимальным значением мощности, рассеиваемой в коллекторном переходе, Р, превышение которого приводит к перегреву этого перехода. На рис.1.9 последнему фактору соответствует гипербола

I U = Р. В маломощных транзисторах значение Р не превышает 0,3 Вт, в транзисторах средней мощности – 3 Вт. Современные транзисторы высокого уровня мощности обеспечивают рассеяние мощности до 100 Вт. Внутри рабочей области транзистор обычно эксплуатируется в составе усилителей. Начальный участок вольт-амперной характеристики, где происходит резкое увеличение коллекторного тока, используется в устройствах импульсной техники при работе транзистора в ключевом режиме. Как отмечалось, в рабочей области коллекторный ток весьма слабо зависит от напряжения U. Кроме того, из хода вольт-амперной характеристики входной цепи видно, что малому изменению напряжения U соответствует большое изменение базового тока. Из этого следует целесообразность установки электрического режима транзистора по величинам тока базы и напряжения коллектор-эмиттер, т.е. их выбора в качестве параметров режима прибора. В таком качестве они используются при построении статических характеристик: входные характеристики строятся для ряда значений напряжения U, а выходные – для ряда значений тока I_Б. 1.4. Схемы замещения биполярного транзистора При расчетах электрических цепей с транзисторами реальный прибор заменяется схемой замещения, которая может быть либо бесструктурной, либо структурной. В первом случае транзистор представляется в виде эквивалентного четырехполюсника, во втором – в виде эквивалентной схемы, отражающей физические связи между ее элементами. Хотя транзистор является нелинейным элементом, но как видно из рис.1.8 и 1.9, на входной и выходной характеристиках можно выделить участки, где зависимости между токами и напряжениями близки к линейным. Такие участки находятся внутри рабочей области. Поэтому транзистор, параметры которого соответствуют рабочей области, можно заменить эквивалентным четырехполюсником, линейными соотношениями которого связываются не значения его входных и выходных токов и напряжений, а величины приращений данных параметров. Поскольку электрический режим биполярного транзистора в схеме ОЭ определяется входным током I _Би выходным напряжением U, величины приращений его параметров целесообразно связать через h-параметры: Δ U = h Δ I _Б + h Δ U, (1.5) Δ I = h Δ I _Б + h Δ U. (1.6) Из соотношения (1.5) при Δ U = 0 следует h= , (1.7) а при Δ I_Б = 0 h =. (1.8) Аналогичным образом из соотношения (1.6) можно получить h =, (1.9) h=. (1.10) Согласно соотношениям (1.7) – (1.10) h является входным сопротивлением транзистора при постоянном значении напряжения U; h — коэффициент обратной связи по напряжению; h — коэффициент передачи тока в схеме ОЭ, характеризующий усилительные свойства транзистора при постоянном значении напряжения U; h — выходная проводимость транзистора при постоянном токе базы. Дифференцирование соотношения (1.4) при условии U = const показывает, что h = β. (1.11) Значения h-параметров транзистора рассчитываются, если известны входные и выходные характеристики. Обычно величина параметра h находится в пределах от нескольких сот до единиц тысяч Ом, а величина параметра h — в пределах 10 — 10 — 4 См. Величина параметра h практически равна нулю. В соответствии с рис.1.7,б эквивалентную схему транзистора можно представить в виде Т-образной схемы. Такая простейшая схема для случая включения транзистора с ОЭ приведена на рис.1.10, где приращения токов и напряжений обозначаются как i_Б, i_К, u_БЭ, u_КЭ. Для рабочей области прибора параметры элементов схемы можно считать постоянными величинами. Левая часть эквивалентной схемы транзистора отражает эмиттерный переход, находящийся в открытом состоянии. Поэтому в соответствии со схемой замещения p-n перехода (при ключе К на рис.1.4 в положении «а») резистор r_Э представляет собой сопротивление открытого перехода, величина которого невелика и лежит в пределах от единиц до нескольких десятков Ом. Резистор r_Б представляет сопротивление базового слоя, величина которого определяется входным сопротивлением прибора, поскольку сопротивление r_Э мало. Правая часть схемы рис.1.10 отражает коллекторный переход, находящийся в закрытом состоянии. Согласно схеме рис.1.4 (при ключе К в положении «б») он представляется параллельным соединением сопротивления r_К(Э) и емкости С_К. Кроме того, параллельно им включен источник тока βi_Б, отражающая факт переноса рабочих носителей заряда в коллекторный слой. На низких частотах емкостное сопротивление велико и шунтирующим действием емкости С_К на источник тока βi_Б можно пренебречь, в связи с чем подключение емкости С_К на рис.1.10 обозначено пунктиром. Рис.1.10. Эквивалентная схема биполярного транзистора Согласно эквивалентной схеме рис.1.10 с учетом малой величины сопротивления r_Э приращение коллекторного тока , что находится в соответствии с соотношением (1.4), поскольку при небольших изменениях электрического режима транзистора величина обратного тока I_К(0) практически не изменяется. Это подтверждает обоснованность введение второго слагаемого в правую часть соотношения (1.4). Нетрудно также убедиться, что согласно (1.10) r = .

ЭЛЕКТРО / Лекция 4 Характеристики и параметры биполярного транзистора

Биполярный транзистор описывается в первую очередь семейством входных и выходных характеристик. Эти характеристики называют статическими, поскольку их снимают при отсутствии в цепях транзистора резисторов и относительно медленных изменениях токов и напряжений. Входными называют семейство вольт-амперных характеристик входной цепи транзистора, построенных для ряда фиксированных значений напряжения выходной цепи. Выходными называют семейство вольт-амперных характеристик выходной цепи транзистора, построенных для ряда фиксированных значений входного тока. Как видно из рис.1.7, каждой схеме включения соответствует определенное сочетание входных и выходных токов и напряжений. Поэтому вид и входных и выходных характеристик транзистора будет определяться схемой его включения.

Типичные входная и выходная статические характеристики транзистора типа n-p-n для схемы включения ОЭ представлены на рис.1.8 и 1.9. Характеристики транзистора типа p-n-p аналогичны, но значения напряжений U и U — отрицательные.

Входная характеристика транзистора в схеме ОЭ – это семейство зависимостей I_Б (U), построенных при постоянных значениях напряжения U. Однако, как видно из рис.1.8, приводятся две зависимости: одна для U = 0, а другая для значения напряжения U, соответствующего центру рабочего интервала значений данного параметра. Это связано с тем, что вольт-амперные характеристики входной цепи для рабочего интервала значений U практически не отличаются друг от друга. В данном случае зависимость I_Б (U) по существу является вольт-амперной характеристикой эмиттерного p-n перехода, поскольку коллекторный переход находится в закрытом состоянии. При U= 0, кроме эмиттерного, открытым будет и коллекторный переход, зависимость I_Б (U) представляет собой вольт-амперную характеристику уже двух переходов, включенных параллельно (токи эмиттера и коллектора суммируются в базе).

Рис.1.8. Входная характеристика Рис.1.9. Выходная характеристика биполярного транзистора биполярного транзистора

Выходная характеристика транзистора в схеме ОЭ, как видно из рис.1.9, — это семейство зависимостей I(U), построенных для ряда значений тока I_Б. Каждая вольт-амперная характеристика имеет три участка: начальный, на котором происходит резкое увеличение коллекторного тока при подъеме напряжения U; рабочий участок, где коллекторный ток незначительно увеличивается при увеличении напряжения U, при этом зависимость I (U) – линейная; участок пробоя коллекторного перехода. Резкое увеличение коллекторного тока в начале вольт-амперной характеристики соответствует закрытию коллекторного перехода, когда по абсолютному значению напряжение U становится больше напряжения U и обеспечивается перенос рабочих носителей заряда из базового слоя в коллекторный. При этом увеличение тока базы (при увеличении напряжения база-эмиттер) обусловлено увеличением поступления рабочих носителей заряда из эмиттерного слоя в базовый.

Соотношения (1.1) и (1.2) позволяют получить выражение для рабочих участков выходной характеристики.

I = β I_Б + I. (1.3)

В этом выражении I = I — является начальным током транзистора в схеме ОЭ, который получается при I_Б = 0. Параметр β = — коэффициент передачи тока в схеме ОЭ, который характеризует усиление транзистора по току. Поскольку значение α составляет 0,9 – 0,99, величина параметра β обычно находится в пределах 9 – 99.

Соотношение (1.3) правильно отражает линейное увеличение коллекторного тока при увеличении тока базы, но не передает зависимость тока I от напряжения U. Последнее учитывается введением в соотношение (1.3) дополнительного слагаемого, после чего оно принимает вид

I = β I_Б + + I, (1.4)

где r — дифференциальное сопротивление выхода транзистора в схеме ОЭ.

Область значений выходных параметров, при которых допускается эксплуатация транзистора, называется рабочей. Границы этой области, показанной на рис.1.9, определяются тремя факторами:

• максимальным значением напряжения U, превышение которого приводит к электрическому пробою коллекторного p-n перехода;
• максимальным значением коллекторного тока I, превышение которого приводит к перегреву эмиттерного p-n перехода;
• максимальным значением мощности, рассеиваемой в коллекторном переходе, Р, превышение которого приводит к перегреву этого перехода. На рис.1.9 последнему фактору соответствует гипербола

I U = Р. В маломощных транзисторах значение Р не превышает 0,3 Вт, в транзисторах средней мощности – 3 Вт. Современные транзисторы высокого уровня мощности обеспечивают рассеяние мощности до 100 Вт. Внутри рабочей области транзистор обычно эксплуатируется в составе усилителей. Начальный участок вольт-амперной характеристики, где происходит резкое увеличение коллекторного тока, используется в устройствах импульсной техники при работе транзистора в ключевом режиме. Как отмечалось, в рабочей области коллекторный ток весьма слабо зависит от напряжения U. Кроме того, из хода вольт-амперной характеристики входной цепи видно, что малому изменению напряжения U соответствует большое изменение базового тока. Из этого следует целесообразность установки электрического режима транзистора по величинам тока базы и напряжения коллектор-эмиттер, т.е. их выбора в качестве параметров режима прибора. В таком качестве они используются при построении статических характеристик: входные характеристики строятся для ряда значений напряжения U, а выходные – для ряда значений тока I_Б. 1.4. Схемы замещения биполярного транзистора При расчетах электрических цепей с транзисторами реальный прибор заменяется схемой замещения, которая может быть либо бесструктурной, либо структурной. В первом случае транзистор представляется в виде эквивалентного четырехполюсника, во втором – в виде эквивалентной схемы, отражающей физические связи между ее элементами. Хотя транзистор является нелинейным элементом, но как видно из рис.1.8 и 1.9, на входной и выходной характеристиках можно выделить участки, где зависимости между токами и напряжениями близки к линейным. Такие участки находятся внутри рабочей области. Поэтому транзистор, параметры которого соответствуют рабочей области, можно заменить эквивалентным четырехполюсником, линейными соотношениями которого связываются не значения его входных и выходных токов и напряжений, а величины приращений данных параметров. Поскольку электрический режим биполярного транзистора в схеме ОЭ определяется входным током I _Би выходным напряжением U, величины приращений его параметров целесообразно связать через h-параметры: Δ U = h Δ I _Б + h Δ U, (1.5) Δ I = h Δ I _Б + h Δ U. (1.6) Из соотношения (1.5) при Δ U = 0 следует h= , (1.7) а при Δ I_Б = 0 h =. (1.8) Аналогичным образом из соотношения (1.6) можно получить h =, (1.9) h=. (1.10) Согласно соотношениям (1.7) – (1.10) h является входным сопротивлением транзистора при постоянном значении напряжения U; h — коэффициент обратной связи по напряжению; h — коэффициент передачи тока в схеме ОЭ, характеризующий усилительные свойства транзистора при постоянном значении напряжения U; h — выходная проводимость транзистора при постоянном токе базы. Дифференцирование соотношения (1.4) при условии U = const показывает, что h = β. (1.11) Значения h-параметров транзистора рассчитываются, если известны входные и выходные характеристики. Обычно величина параметра h находится в пределах от нескольких сот до единиц тысяч Ом, а величина параметра h — в пределах 10 — 10 — 4 См. Величина параметра h практически равна нулю. В соответствии с рис.1.7,б эквивалентную схему транзистора можно представить в виде Т-образной схемы. Такая простейшая схема для случая включения транзистора с ОЭ приведена на рис.1.10, где приращения токов и напряжений обозначаются как i_Б, i_К, u_БЭ, u_КЭ. Для рабочей области прибора параметры элементов схемы можно считать постоянными величинами. Левая часть эквивалентной схемы транзистора отражает эмиттерный переход, находящийся в открытом состоянии. Поэтому в соответствии со схемой замещения p-n перехода (при ключе К на рис.1.4 в положении «а») резистор r_Э представляет собой сопротивление открытого перехода, величина которого невелика и лежит в пределах от единиц до нескольких десятков Ом. Резистор r_Б представляет сопротивление базового слоя, величина которого определяется входным сопротивлением прибора, поскольку сопротивление r_Э мало. Правая часть схемы рис.1.10 отражает коллекторный переход, находящийся в закрытом состоянии. Согласно схеме рис.1.4 (при ключе К в положении «б») он представляется параллельным соединением сопротивления r_К(Э) и емкости С_К. Кроме того, параллельно им включен источник тока βi_Б, отражающая факт переноса рабочих носителей заряда в коллекторный слой. На низких частотах емкостное сопротивление велико и шунтирующим действием емкости С_К на источник тока βi_Б можно пренебречь, в связи с чем подключение емкости С_К на рис.1.10 обозначено пунктиром. Рис.1.10. Эквивалентная схема биполярного транзистора Согласно эквивалентной схеме рис.1.10 с учетом малой величины сопротивления r_Э приращение коллекторного тока , что находится в соответствии с соотношением (1.4), поскольку при небольших изменениях электрического режима транзистора величина обратного тока I_К(0) практически не изменяется. Это подтверждает обоснованность введение второго слагаемого в правую часть соотношения (1.4). Нетрудно также убедиться, что согласно (1.10) r = .

Вольт-амперные характеристики транзистора

Наиболее полно свойства биполярного транзистора описываются с помощью вольт-амперных (ВАХ) характеристик. При этом различают входные и выходные ВАХ транзистора. Поскольку все три тока (базовый, коллекторный и эмиттерный) в транзисторе тесно взаимосвязаны, при анализе работы транзистора необходимо пользоваться одновременно входными и выходными ВАХ.

Каждой схеме включения транзистора соответствуют свои вольт-амперные характеристики, представляющие собой функциональную зависимость токов через транзистор от приложенных напряжений. Из-за нелинейного характера указанных зависимостей их представляют обычно в графической форме.

Транзистор как четырехполюсник характеризуется входной и выходной статическими ВАХ, показывающими соответственно зависимость входного тока от входного напряжения (при постоянном значении выходного напряжения транзистора) и выходного тока от выходного напряжения (при постоянном входном токе транзистора). Статические выходные и входные ВАХ биполярного транзистора п-р-п -типа для схемы включения с ОБ приведены на рисунке 5, а и 5, б соответственно.

Рисунок 5

На рисунке 5, а можно выделить две области, соответствующие двум режимам работы транзистора: активный режим (U _КБ < 0 и коллекторный переход смещен в обратном направ­лении); режим насыщения (U _КБ > 0 и коллекторный переход смещен в прямом направлении).

На рисунке 6 показаны ВАХ р-п-р -транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

Входная ВАХ (рисунок 6, б) подобна прямой ветви ВАХ диода. Для выходной цепи транзистора, включенного по схеме с ОЭ (как и по схеме с ОБ), строится семейство выходных ВАХ (рисунок 6, а). Это обусловлено тем, что коллекторный ток транзистора зависит не только от напряжения, приложенного к коллекторному переходу, но и от тока базы. Каждая из выходных ВАХ биполярного транзистора характеризуется в начале резким возрастанием выходного тока I _К при возрастании выходного напряжения U _КЭ, а затем, по мере дальнейшего увеличения напряжения, незначительным изменением тока.

Рисунок 6

На выходной ВАХ транзистора можно выделить три области, соответствующие различным режимам работы транзистора: насыщения, отсечки и усиления, соответствующая активному состоянию транзистора, когда ½ U _БЭ ½ > 0; ½ U _КЭ½> 0.

Входные и выходные ВАХ транзисторов используются при графо-аналитическом расчете каскадов, содержащих транзисторы.

Поделиться с друзьями:

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

studopedia.su — Студопедия (2013 — 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление

Генерация страницы за: 0.006 сек.