Статические характеристики биполярных транзисторов

Уравнения Эберса-Молла (5.40) могут быть использованы для анализа статического режима БТ и нахождения статических характеристик, так как эти уравнения достаточно хорошо отража­ют основные особенности БТ при любых сочетаниях напряжений на переходах. Однако надо иметь в виду, что для кремниевых БТ токи I_КБО и I_ЭБО нельзя считать тепловыми, вызванными только концентрацией неосновных носителей в слоях, прилегающих к обедненному слою перехода. Необходимо также учитывать гене­рацию и рекомбинаций носителей в обедненном слое (см. § 3.5.1), В состоянии равновесия перехода генерационная и рекомбинационная составляющие уравновешиваются, а при обратном включе­нии преобладает ток термогенерации. Кроме того, в кремниевом БТ при обратных напряжениях становится существенным ток уте­чки, связанный с поверхностными состояниями. Ток утечки зави­сит от напряжения (ширины перехода) и сравнительно мало от температуры. Существенно также, что уравнения Эберса-Молла не учитывают эффекта Эрли.

Мы не будем приводить идеализированных статических вольт-амперных характеристик, получаемых из уравнений Эбер­са-Молла. а рассмотрим реальные характеристики, отмечая по­путно их отличия от идеализированных.

Обычно анализируют входные и выходные характеристики БТ в схемах с общей базой и общим эмиттером. Для определен­ности и преемственности изложения будем рассматривать p-n-p-транзистор.

Схема с общей базой

Семейство входных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимость I_Э = f(U_ЭБ) при фиксированных значениях пара­метра U_КБ – напряжения на коллекторном переходе (рис. 5.13).

При U_КБ = 0 характеристика подобна ВАХ р-n-перехода. С рос­том обратного напряжения U_КБ (U_КБ < 0, для р-n-р-транзистора) вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх; I_Э растет при вы­бранном значении U_ЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_Э = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение U_ЭБ, как показано на рис. 5.7 (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при U_КБ < 0 и U_ЭБ = 0 существует неболь­шой ток эмиттера, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении U_ЭБ.

Связь небольших приращений тока ∆ I_Э и напряжения ∆ U_ЭБ при U_КБ = const в любой точке характеристики учитывается дифференциальным параметром, называемым входным со­противлением:

(5.41)

Цифры в индексе означают, что оба приращения относятся к вход­ной цепи, а буква указывает на схему включения с ОБ. Влияние из­менения U_КБ на I_Э учитывается дифференциальным параметром – коэффициентом обратной передачи:

(5.42)

Названия дифференциальных параметров взяты из теории четы­рехполюсников (см. § 5.4).

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представ­ляет собой зависимости I_К = f(U_КБ) при заданных значениях параметра I_Э (рис. 5.13,6).

Выходная характеристика р-n-р-транзистора при I_Э = 0 и обрат­ном напряжении (U_КБ <0) подобна обратной ветви р-n-перехода (ди­ода). При этом в соответствии с (5.11) I_К = I_КБО, т.е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протека­ющий в цепи коллектор-база.

При I_Э > 0 основная часть инжектированных в базу носителей (дырок в р-n-р-транзисторе) доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток при U_КБ = 0 в результате ус­коряющего действия контактной разности потенциалов. Ток мож­но уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соот­ветствует режиму насыщения, когда существуют встречные пото­ки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока оди­наковы по величине (например, точка А' на рис. 5.13,б). Чем боль­ше заданный ток I_Э, тем большее прямое напряжение U_КБ требу­ется для получения I_К = 0.

Область в первом квадранте на рис. 5.13,б. где U_КБ < 0 (об­ратное) и параметр I_Э > 0 (что означает прямое напряжение U_ЭБ) соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется формулой (5.11) I_К = α I_Э + I_КБО. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличе­нии параметра Iэ. В идеализированном транзисторе не учитыва­ется эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент переда­чи тока а можно считать постоянным, не зависящим от значения U_КБ. Следовательно, в идеализированном ВТ выходные характе­ристики оказываются горизонтальными (I_К = const). Реально же эффект Эрли при росте | U_КБ | приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту α. Так как значение α близко к единице, то относительное увеличение α очень мало и может быть обнару­жено только измерениями. Поэтому отклонение выходных харак­теристик от горизонтальных линий вверх «на глаз» не заметно (на рис. 5.13,б не соблюден масштаб).

Наклон выходных характеристик, вызванный эффектом Эрли, учитывается дифференциальным параметрам – выходной проводимостью

(5.43)

Связь приращений коллекторного ∆ I_К и эмиттерного ∆ I_Э токов характеризуется дифференциальным коэффициентом передачи тока эмиттера h_21Б, который обычно мало отличается от интегрального коэффициента α:

(5.44)

5.3.2. Схема с общим эмиттером

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ представля­ет собой зависимости I_Б=f(U_БЭ), причем параметром является на­пряжение U_КЭ (рис. 5.14,а). Для р-n-р-транзистора отрицательное напряжение U_БЭ (U_БЭ < 0) означает прямое включение эмиттерного перехода так как U_ЭБ = – U_БЭ > 0. Если при этом U_КЭ = 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход бу­дет включен в прямом направлении: U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ = U_ЭБ > 0. Поэто­му входная характеристика при U_КЭ = 0 будет соответствовать ре­жиму насыщения (РН), а ток базы равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряже­ния U_ЭБ. так как оно приводит к усилению инжекции в обоих перехо­дах (U_КБ = U_ЭБ) и соответствующему возрастанию потерь на реком­бинацию, определяющих базовый ток.

Вторая характеристика на рис. 5.14,б относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение U_КЭ долж­но быть в р-n-р-транзисторе отрицательным и по модулю превы­шать напряжение U_ЭБ (см. § 5.1.1). В этом случае U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ = U_КЭ – U_БЭ < 0. Формально ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения (5.14) или (5.17); I_Б = (1 – α )I_Э – I_КБО. При малом напряжении U_БЭ инжекция носителей практически от­сутствует (I_Э = 0) и ток I_Б = – I_{КБО ,} т.е. отрицателен. Увеличение пря­мого напряжения на эмиттерном переходе U_ЭБ = – U_БЭ вызывает рост I_Э и величины (1 – α )I_Э. Когда (1 – α )I_Э = I_КБО. Ток I_Б = 0.

При дальнейшем росте U_БЭ (1 – α )I_Э > I_КБО и I_Б меняет направление и становится положительным (I_Б > 0) и сильно зависящим от напря­жения перехода.

Влияние U_КЭ на I_Б в НАР можно объяснить тем, что рост | U_КЭ | означает рост | U_КБ | и, следовательно, уменьшение ширины базо­вой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики вниз).

Как и в схеме с ОБ, для входных характеристик используются дифференциальные параметры: входное сопротивление

(5.45)

коэффициент обратной передачи

(5.46)

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ предста­вляет собой зависимости I_К = f(U_КЭ) при заданном параметре I_Б (рис. 5.14,б).

Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном – к нормальному актив­ному режиму. Переход от первого режима ко второму, как уже отмечалось, происходит при значениях | U_КЭ |, превышающих | U_БЭ |. На характеристиках в качестве параметра берется не напряжение U_БЭ, а входной ток I_Б. Поэтому о включении эмиттерного перехода приходится судить по значению тока I_Б, который связан с входной характеристикой на рис. 5.14,а. Для увеличения I_Б необходимо увеличивать | U_БЭ | следовательно, и граница между режимом на­сыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений (точки В, В′, В").

Если параметр I_Б = 0 («обрыв» базы), то в соответствии с (5.22) I_К = I_КЭО = (β + 1)I_КБО. В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ) I = I_КБО, если задать отрицательный ток I_Б = – I_КБО. Выходная ха­рактеристика с параметром I_Б = – I_КБО может быть принята за грани­цу между НАР и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту грани­цу условно принимают характеристику с параметром I_Б = 0.

Связи приращений величин в семействе выходных характери­стик представляются дифференциальными параметрами, подобны­ми (5.43) и (5.44):

выходной проводимостью

(5.47)

дифференциальным коэффициентом передачи тока базы

(5.48)

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режи­ме в схеме с общим эмиттером во много раз больше, чем в схеме с общей базой (h_22Э ≈ β h_22Б). Объясняется это различным проявлени­ем эффекта Эрли (§ 5.1.3). В схеме с общим эмиттером увеличение U_КЭ, а следовательно и U_КБ сопровождается уменьшением тока базы, а он по определению выходной характеристики должен быть неизменным. Для восстановления тока базы приходится регули­ровкой напряжения U_БЭ увеличивать ток эмиттера, а это вызывает прирост тока коллектора ∆ I_К, т.е. увеличение выходной проводимо­сти h_22Э (в схеме с ОБ ток I_Э при снятии выходной характеристики поддерживается неизменным).

5.3.3. Влияние температуры на статические характеристики БТ

Влияние температуры на положение входной характеристики схемы с ОБ при поддержании неизменным ее параметра анало­гично ее влиянию на ВАХ полупроводникового диода. В нормаль­ном активном режиме ток эмиттерного перехода можно предста­вить формулой

I_Э ≈ I_ЭО( exp U_ЭБ/φ_T – 1)

С ростом температуры тепловой ток I_ЭО растет быстрее, чем убывает экспонента из-за увеличения φ_Т = kT/q (см. § 3.4). В резуль­тате противоположного влияния двух факторов входные характери­стики схемы с ОБ смещаются влево при выбранном токе I_Э на величину ∆U ≈ -(1..2) мВ/°С (рис. 5.15,a).

Начало входной характеристики в схеме с ОЭ определяется теп­ловым током коллекторного перехода I_КБО. который сильно зависит от температуры, так что начало характеристики при увеличении тем­пературы опускается (рис. 5.15,б).

Влияние температуры на выходные характеристики схем с ОБ и ОЭ в НАР удобно анализировать по формулам (5.11) и (5.22):

I_K = α I_Э + I_КБ0 и

Снятие выходных характеристик при различных температурах должно проводиться при поддержании постоянства параметров (I_Э = const в схеме с ОБ и I_Б = const в схеме с ОЭ). Поэтому в схеме с ОБ при α = const рост I_К будет определяться только увеличением I_КБО при повышении температуры. Однако обычно I_КБО значительно меньше α I_Э, изменение I_К составляет проценты и его можно не учи­тывать (рис. 5.16,а). В схеме с ОЭ положение иное. Здесь парамет­ром является I_Б и его надо поддерживать неизменным при измене­нии температуры. Будем считать в первом приближении, что коэф­фициент передачи β не зависит от температуры. Постоянство β I_Б оз­начает, что температурная зависимость I_К будет определяться сла­гаемым (β + 1) I_КБО. Ток I_КБО (как тепловой ток перехода) примерно удваивается при увеличении температуры на 10°C, и при β >> 1 прирост тока (β+1) I_КБО может оказаться сравнимым с исходным значе­нием коллекторного тока и даже превысить его.

На рис. 5.16,б показано большое смещение выходных характе­ристик вверх. Сильное влияние температуры на выходные характе­ристики в схеме с ОЭ может привести к потере работоспособности конкретных устройств, если не принять схемотехнические меры для стабилизации тока или термостатирование.