Характеристики транзисторов

Рассмотрим характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ. На рис. 4.7 приведены вход­ные характеристики I_Б(U_БЭ) при постоянных выходных нап­ряжениях (U_КЭ = const). Характе­ристика при U_КЭ = 0 идет из на­чала координат, так как, если все напряжения равны нулю, нет никакого тока.

Рис. 4.7. Входные характеристики транзистора при включении по схеме ОЭ

Уменьшение тока базы при повышении U_КЭ происходит вследствие явления модуляции толщины базы (эффект Эрли). Чем выше U_КЭ, тем больше напряжение на коллекторном переходе U_КБ. Толщина этого перехода увеличивается, а толщина базы уменьшается, и тогда в базе рекомбинирует меньше носителей, движущихся от эмиттера к коллектору. Следовательно, несколько возрастает ток I_К и умень­шается ток I_Б.

Семейство выходных характеристик I_К(U_КЭ) показано на рис. 4.8. Эти характеристики приводятся при различных постоянных токах базы (I_Б=const).

Рис. 4.8. Выходные характеристики транзистора при включении по схеме ОЭ

Первая характеристика при I_Б = 0 выходит из начала координат и напоминает обычную характеристику для обратного тока диода. Условие I_Б = 0 соответствует разомкнутой цепи базы. При этом через весь транзистор от эмиттера к коллектору проходит сквозной ток I_КЭ0.

Если I_Б > 0, то выходная характеристика расположена выше, чем при I_Б = 0, и тем выше, чем больше ток I_Б. Увеличение тока базы означает, что за счет повышения напряжения U_БЭ соответственно увеличился ток эмиттера, частью ко­торого является ток I_Б. Следовательно, пропорционально возрастает и ток кол­лектора I_К=βI_Б.

Модели транзисторов

На рис.4.9 изображена нелинейная модель Эберса-Молла для п-р-п транзистора.

Рис. 4.9. Модель Эберса-Молла

Токи инжекции эмиттерного І₁ и коллекторного І₂ р-п-переходов являются управляющими:

, (4.23)

. (4.24)

Источники тока α_NI₁ и α_II₂ моделируют явления экстракции. Параметры α_N и α_I – это коэффициенты передачи токов транзистора в нормальном и инверсном режимах.

Модель Эберса-Молла чаще используется для анализа схем с ОБ.

Для анализа схем с ОЭ используют нелинейную модель Гуммеля-Пуна (рис.4.10).

Рис. 4.10. Модель Гуммеля-Пуна

Источник тока I_КЭ моделирует явления переноса неосновных носителей через базу:

, (4.25)

где I_S = α_NI_Э0 = α_ІI_к0 – сквозной обратный ток (насыщения) транзистора.

Источники тока I_БЭ и I_БК моделируют явления рекомбинации в базе в нормальном и инверсном режимах

, (4.26)

, (4.27)

, . (4.28)

Нелинейные емкости С_Э и С_К являются суммами барьерных и диффузионных составляющих эмиттерного и коллекторного р-п-переходов.

В качестве собственных параметров помимо коэффициента передачи по току α_N принимают сопротивления в соответствии с эквивалентной схемой транзистора для переменного тока (рис. 4.11). Эта схема, называемая Т-образной, отображает структуру транзистора и учиты­вает его усилительные свойства.

Рис. 4.11. Эквивалентная Т-образная линейная схема транзистора

Со­противление r_Э представляет собой дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, r_К явля­ется суммой сопротивлений коллекторного перехода и коллекторной области, но последнее очень мало по сравнению с сопротивлением перехода. А сопротивление r_Б есть поперечное сопротивление базы.

На высоких частотах необходимо учитывать емкости: диффузионную эмиттерного и барьерную коллекторного переходов, что приводит к усложнению схемы.

Эквивалентная схема с источником тока для транзистора, включенного по схеме ОЭ, показана на рис. 4.12. В ней генератор βI_Б моделирует усиление тока базы, а со­противление коллекторного перехода по сравнению с предыдущей схемой зна­чительно меньше и равно r_к(1-α) или r_к /(β+1). Уменьшение сопротивления коллекторного перехода в схеме ОЭ объясняется тем, что в этой схеме некоторая часть напряжения U_КЭ приложена к эмиттерному переходу и усиливает в нем инжекцию. Вслед­ствие этого значительное число инжектированных носителей приходит к коллек­торному переходу и его сопротивление снижается.

Рис. 4.12. Эквивалентная Т-образная линейная схема транзистора,

включенного по схеме ОЭ

В настоящее время основными для биполярных транзмсторов считаются смешанные пара­метры, обозначаемые буквой h. Зависимость между переменными токами и напряжениями в транзисторе при использовании h-параметров можно выразить следующими уравнениями:

U_БЭ = h_11эI_Б + h_12эU_КЭ , (4.29)

I_К = h_21эI_Б + h_22эU_КЭ. (4.30)

Уравнениям (4.29) и (4.30) соответствует эквивалентная схема, изображенная на рис. 4.13,а.

Рис. 4.13. Эквивалентная схема транзистора с использованием h-параметров (а) и ее упрощенный вариант (б).

Для схемы ОЭ h-параметры опре­деляются по следующим формулам:

- входное сопротивление

h_11э = ∆U_БЭ /∆I_Б при U_КЭ = const (4.31)

и получается от сотен ом до единиц килоом;

- коэффициент обратной связи по напряжению

h_12э = ∆U_БЭ /∆U_КЭ при I_Б = const (4.32)

и обычно равен 10^-3 — 10^-4, т.е. напряжение, передаваемое с выхода на вход за счет обратной связи, составляет тысячные или десятитысячные доли выход­ного напряжения;

- коэффициент усиления тока

h_21э = β = ∆I_К /∆I_Б при U_КЭ = const (4.33)

и составляет десятки — сотни;

- выходная проводимость

h_22э = ∆I_К /∆U_КЭ при I_Б = const (4.34)

и равна десяткам или сотням микросименс, а выходное сопротивление 1/h_22э получается от единиц до десятков килоом.

Иногда транзистор представляют в виде эквивалентной П-образной схемы с проводимостями (рис.4.14), которые связаны с h-параметрами следующими соотношениями:

; g_N = βg_вэ; ; g_кэ = h_22э . (4.35)

Рис. 4.14. Эквивалентная П-образная схема транзистора

Генератор тока g_NU_ВЭ в этой схеме моделирует усиленного коллекторного тока.