Что такое статистическая характеристика прямой передачи по току

Характеристики биполярного транзистора

Статические характеристики биполярного транзистора c ОЭ

Статические характеристики биполярного транзистора отражают зависимость между напряжениями и токами на его входе и выходе при отсутствии нагрузки.
Эти характеристики будут разные в зависимости от выбранного способа включения транзистора. В основном применяются характеристики со схемами включения с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ).

Входные характеристики биполярного транзистора

Выходные характеристики биполярного транзистора

По выходной характеристике транзистора МП42Б ( рис.6 ) определим в точке Б коллекторный ток при Uкэ = 5,7 В и Iб = 40 μA. Он будет равен Iк = 4,5 mA.
А для точки А ток базы при коллекторном напряжении Uкэ = 5,7 В и Iк = 8 mA будет Iб = 80 μA.

Так же по выходной характеристике этого транзистора можно найти выходные сопротивления для постоянного и переменного токов.
Сопротивление по постоянному току в точке Б будет равно:
Rвых_= Uкэ/Iк = 5,7/4,5•10ˉ³ = 1,3 кОм.
Сопротивление по переменному току при приращении:
∆U = 8-3 = 5 В; ∆I = 4,5-4 = 0,5 mA
равно:
Rвых

= ∆U/∆I = 5/0,5•10ˉ³ = 10 кОм.
Это cопротивление может достигать 50 кОм.

Статические характеристики биполярного транзистора с ОБ.

Входные характеристики биполярного транзистора

.
По параметрам входной характеристики ( рис.9 ) найдем входные сопротивления в точке А :
∆Uэб= 0,225-0,175 = 0,05 В,
∆Iэ = 16- 6 = 10 mA.
Rвх_= Uбэ/Iэ = 0,2/10•10ˉ³ =20 Ом,
Rвх

= ∆Uэб/∆Iэ =0,05/10•10ˉ³ = 5 Ом.
Вывод: входные сопротивления в схеме с ОБ на много меньше чем с ОЭ и обычно не превышают 100 Ом.

Выходные характеристики биполярного транзистора

Статические характеристики прямой передачи по току биполярного транзистора

По характеристике прямой передачи транзистора по току, которая представляет собой связь между входным и выходным токами, можно определить коэффициенты усиления по току в схеме с ОЭ и ОБ как на рис.11
.Коэффициент усиления по току с ОЭ равен:
β=∆Iк/∆Iб
где ∆Iк=2,8-2=0,8 mA;
∆Iб=30-20=10 μА.
β=0,8/10•10ˉ³= 80.
Коэффициент усиления по току с ОБ равен:
α=∆Iк/∆Iэ
где ∆Iк=2,8-2=0,8 mA;
∆Iэ=3-2=1 mA;
α=0,8/1=0,8.
Можно сделать вывод, что при включении транзистора с ОБ усиление по току почти не происходит.

Источник

Тема 4. Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор, образованный двумя последовательно включенными взаимодействующими p-n-переходами и содержащий три или более вывода, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции носителей заряда. Процессы усиления в БТ объясняются возможностью управления большим током в выходной цепи ( коллектор или эмиттер) при небольших изменениях напряжения или тока во входной цепи ( эмиттер- база).

В зависимости от порядка чередования областей полупроводника, различают транзисторы а) р-n-р-типа и б) n-р-n-типа ( рис.4.1.)

Отличие между ними заключается в различной полярности источников внешних напряжений и в направлении протекания токов через электроды при одинаковом принципе работы. Эмиттером называется одна из крайних областей, которую легируют сильнее, что позволяет использовать ее в режиме инжекции. Промежуточную область называют базой а другую крайнюю область – коллектором. В область коллектора производится экстракция носителей заряда из базовой области. Электронно-дырочный переход между эмиттерной и базовой областями называют эмиттерным, а между коллекторной и базовой – коллекторным.

В зависимости от напряжения на переходах возможны следующие режимы работы транзистора:

режим отсечки – на обоих переходах обратное напряжение;

режим насыщения – на обоих переходах прямое напряжение;

инверсный режим – обратный по отношение к активному, то есть коллекторный переход смещен в прямом направлении, эмиттерный – в обратном.

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепи, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). На рис. 4.2. показаны полярности внешних источников напряжения и направления токов транзистора, соответствующие активному режиму работы, для трех схем включения.

Рис. 4.2. Схемы включения биполярного транзистора ( ОБ,ОЭ,ОК)

С ростом прямого смещения U_эб на эмиттерном переходе происходит уменьшение его потенциального барьера, что вызывает инжекцию дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер.

Рис.4.3. Внутренняя структура биполярного транзистора

При этом, как и ранее в полупроводниковых диодах, используется несимметричный р-п переход, при котором концентрация примеси в эмиттере много больше концентрации примеси в базе (концентрация основных носителей эмиттера много больше концентрации основных носителей базы). Это приводит к тому что инжекция дырок из эмиттера в базу преобладает над инжекцией электронов из базы в эмиттер. Ток инжекции имеет две составляющие: дырочную I_эp и электронную I_эn. Процесс инжекции характеризуется коэффициентом инжекции (эффективностью эмиттерного перехода) , показывающим, какую долю составляет от общего тока эмиттера ток инжектированных в базу носителей.

В результате инжекции происходит диффузия дырок через базу к коллекторному переходу. Этот процесс усиливается тем, что дырки, подошедшие к обратносмещенному коллекторному переходу, попадают в его ускоряющее поле U_кб и экстрагируют в коллектор, создавая управляемую составляющую тока коллектора I_{к упр}..

По мере продвижения по базе незначительная часть дырок рекомбинирует с собственными носителями базы – электронами, создавая рекомбинационную составляющую тока базы I_{б рек}. Коэффициент переноса неосновных носителей через базу характеризуется e = I_кp/I_эp, где I_кp – ток дырок, дошедших до коллекторного перехода в области базы.

При экстракции может также происходить ударная ионизация атомов полупроводника и лавинное умножение носителей заряда в коллекторном переходе, которое оценивается коэффициентом лавинного умножения М = I_{к упр}/I_кp. Произведение частичных коэффициентов передачи позволяет определить сквозной коэффициент передачи по току в схеме с ОБ (статический коэффициент передачи тока эмиттера) как Управляемая составляющая тока коллектора при этом равна .

Значения параметра лежат в диапазоне 0,95¼0,999.

Можно заметить, что в общем случае при малой ширине базы поле КП полностью формирует ток коллектора, то есть напряжение на коллекторном переходе при этом может отсутствовать. Однако в реальной схеме включения БТ напряжение Uкэ всегда имеется, что обусловлено включением нагрузки и необходимостью создания выходного тока в цепи коллектора.

Следовательно, кроме управляемого тока коллектора через коллекторный переход всегда протекает обратный неуправляемый ток , обусловленный экстракцией собственных неосновных носителей базы (дырок) и коллектора (электронов). Поэтому для полного тока коллектора справедливо выражение

(4.1)

Обратный неуправляемый ток сильно зависит от температуры, поэтому называют также тепловым током. совпадает по направлению с управляемым током коллектора , а в цепи базы противоположен току рекомбинации, поэтому полный ток базы определяется разностью .

Величина для германиевых транзисторов составляет десятки микроампер, а для кремниевых транзисторов – сотни наноампер, Поэтому можно считать, что .

Для БТ можно записать так называемое внутреннее уравнение транзистора, то есть выражение, связывающее токи всех трех выводов БТ:

, (4.2)

Выражение, связывающее выходной и входной ток транзистора, включенного по схеме с ОЭ, можно получить, подставив (4.2) в (4.1):

. (4.3)

Параметр называют статическим коэффициентом передачи по току в схеме с ОЭ (статический коэффициент передачи тока базы). Ток называют начальным током транзистора.

Коэффициент принимает значения, лежащие в диапазоне десятки – сотни раз. Очевидно, что величина характеризует способность транзистора усиливать малый по величине ток базы и это усиление будет тем больше, чем больше . Величина также будет расти при уменьшении потерь в базе и ширины базы, что позволит также повысить крутизну управления БТ при подаче небольшого сигнала во входную цепь БТ ( эмиттер-база).

В активном режиме работы токи коллектора и эмиттера БТ практически равны, а незначительный ток базы равен их разности.

Это приводит к тому, что в схеме с ОБ отсутствует усиление по току ( )., а в схеме с ОЭ величина имеет большое значение ( 50-100).

Усиление входного сигнала по напряжению и мощности возможно получить в обеих рассмотренных схемах включения ( ОБ и ОЭ). Поскольку ток коллектора формируется без участия Uк, величина коллекторного тока практически не зависит от напряжения на коллекторном переходе, поэтому дифференциальное сопротивление коллекторного перехода очень велико (переход включен в обратном направлении).

В связи с этим в цепь коллектора можно включать нагрузку с большим сопротивлением , что практически не изменит коллекторный ток. В то же время дифференциальное сопротивление прямовключенного эмиттерного перехода очень мало: и .

Можно увидеть, что изменение входного (эмиттерного) тока на величину практически приводит к такому же изменению коллекторного тока . При этом изменение потребляемой мощности в цепи эмиттера значительно меньше изменения мощности в выходной цепи . Это означает, что транзистор способен управлять большой мощностью в коллекторной цепи при небольших затратах мощности в эмиттерной цепи. Коэффициент усиления по мощности определяется выражением

(4.4)

Аналогичные выводы можно получить и для схемы с ОЭ, которая является универсальной ( то есть усиливает и по току и по напряжению и по мощности). Для схемы включения с ОК можно определить соотношение выходного тока эмиттера и входного тока базы как

Кi =I_э/I_б=(I_к+ I_б)/I_б= (1+ ). (4.5)

Статические ВАХ отражают зависимости между постоянными входными и выходными токами и напряжениями транзистора. Для любой схемы включения транзистора можно получить четыре семейства статических ВАХ: входные , выходные , прямой передачи по току и обратной связи по напряжению . В таком варианте ВАХ мы анализируем зависимость параметров транзистора от входного тока , так как параметры биполярного транзистора в рабочем режиме зависят от величины тока через прямосмещенный переход БТ. В то же время в выходной цепи определяющей является зависимость параметров от напряжения на обратносмещенном переходе, то есть .

На рис. 4.3. и рис 4.4.. приведены графики семейств статических ВАХ транзистора, имеющего p-n-p-структуру, для включения с ОБ.

Рис 4.4. Входные и выходные статические ВАХ p-n-p-транзистора с ОБ.

Входные характеристики представляют собой известные характеристики прямосмещенного р-п перехода. Выходные характеристики позволяют оценить поведение транзистора в различных режимах работы в соответствии с определением режимов.

Рис.4.5. Характеристики прямой передачи и обратной связи БТ с ОБ

Характеристики прямой передачи БТ являются линейными в рабочей области входных токов в соответствии с уравнением .

Поведение характеристик обратной связи объясняется эффектом модуляции ширины базы в области небольших значений U кб.

Для схемы включения БТ с ОЭ поведение входных характеристик ( рис. 4.6.) объясняется так же как и для схемы с ОБ. На выходных характеристиках требует пояснения отличное от схемы с ОБ расположение области режима насыщения

Рис.4.6. Входные и выходные характеристики БТ с ОЭ

В частности в схеме с ОЭ насыщение БТ наступает при выполнении условия Uкэ

Источник

Основные параметры и характеристики биполярного транзистора.

Продолжаем разбирать все, что связано с транзисторами и сегодня у нас на очереди одна из наиболее часто используемых схем включения. А именно схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ)! Кроме того, на базе этой схемы мы рассмотрим основные параметры и характеристики биполярного транзистора. Тема важная и интересная, так что без лишних слов переходим к делу!

Название этой схемы во многом объясняет ее основную идею. Поскольку схема с общим эмиттером, то, собственно, эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Вот как выглядит схема с ОЭ для n-p-n транзистора:

А вот так — для p-n-p:

Давайте снова разбирать все процессы для случая с использованием n-p-n транзистора. Для p-n-p суть остается той же, меняется только полярность.

Входными величинами являются напряжение база-эмиттер ( U_ <бэ>) и ток базы ( I_ <б>), а выходными — напряжение коллектор-эмиттер ( U_ <кэ>) и ток коллектора ( I_ <к>). Обратите внимание, что в этих схемах у нас отсутствует нагрузка в цепи коллектора, поэтому все характеристики, которые мы далее рассмотрим носят название статических. Другими словами статические характеристики транзистора — это зависимости между напряжениями и токами на входе и выходе при отсутствии нагрузки.

Характеристики биполярного транзистора.

Выделяют несколько основных характеристик транзистора, которые позволяют понять, как он работает, и как его использовать для решения задач.

И первая на очереди — входная характеристика, которая представляет из себя зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при определенном значении напряжения коллектор-эмиттер:

В документации на конкретный транзистор обычно указывают семейство входных характеристик (для разных значений U_ <кэ>):

Входная характеристика, в целом, очень похожа на прямую ветвь ВАХ диода. При U_ <кэ>= 0 характеристика соответствует зависимости тока от напряжения для двух p-n переходов включенных параллельно (и смещенных в прямом направлении). При увеличении U_ <кэ>ветвь будет смещаться вправо.

Переходим ко второй крайне важной характеристике биполярного транзистора — выходной! Выходная характеристика — это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы.

Для нее также указывается семейство характеристик для разных значений тока базы:

Видим, что при небольших значениях U_ <кэ>коллекторный ток увеличивается очень быстро, а при дальнейшем увеличении напряжения — изменение тока очень мало и фактически не зависит от U_ <кэ>(зато пропорционально току базы). Эти участки соответствуют разным режимам работы транзистора.

Для наглядности можно изобразить эти режимы на семействе выходных характеристик:

Участок 1 соответствует активному режиму работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. Как вы помните, в данном режиме незначительный ток базы управляет током коллектора, имеющим бОльшую величину.

Для управления током базы мы увеличиваем напряжение U_ <бэ>, что в соответствии со входными характеристиками приводит к увеличению тока базы. А это уже в соответствии с выходной характеристикой в активном режиме приводит к росту тока коллектора. Все взаимосвязано 🙂

На участке 2 транзистор находится в режиме насыщения. При уменьшении U_ <кэ>уменьшается и напряжение на коллекторном переходе U_ <кб>. И при определенном значении U_ <кэ>= U_ <кэ \medspace нас>напряжение на коллекторном переходе меняет знак и переход оказывается смещенным в прямом направлении. То есть в активном режиме у нас была такая картина — эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме же насыщения оба перехода смещены в прямом направлении.

В этом режиме основные носители заряда начинают двигаться из коллектора в базу — навстречу носителям заряда, которые двигаются из эмиттера в коллектор. Поэтому при дальнейшем уменьшении U_ <кэ>ток коллектора уменьшается. Кроме того, в режиме насыщения транзистор теряет свои усилительные свойства, поскольку ток коллектора перестает зависеть от тока базы.

Режим насыщения часто используется в схемах ключей на транзисторе. В одной из следующих статей мы как раз займемся практическими расчетами реальных схем и там используем рассмотренные сегодня характеристики биполярного транзистора!

Все параметры транзисторов довольно-таки сильно зависят как друг от друга, так и от температуры, поэтому в документации приводятся характеристики для разных значений. Вот, например, зависимость коэффициента усиления по току (в зарубежной документации обозначается как h_ ) от тока коллектора для биполярного транзистора BC847:

Как видите, коэффициент усиления не просто зависит от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды! Разным значениям температуры соответствуют разные кривые.

Основные параметры биполярных транзисторов.

Давайте теперь рассмотрим, какие существуют параметры биполярных транзисторов, и какие предельные значения они могут принимать.

И на этом заканчиваем нашу сегодняшнюю статью, большое спасибо за внимание! Подписывайтесь на обновления и не пропустите новые статьи 🙂

Источник