Характеристики биполярных транзисторов

Входные характеристики транзистора отображают зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении. \(I_б = f(U_{бэ})\) при \(U_{кэ} =\) const. Вид таких характеристик, снятых при различных напряжениях на коллекторе, приведен на рис. 2.

График похож на характеристику диода в прямом смещении.

При \(U_{кэ} = 0\) характеристика идет ниже, так как переходы база-эмиттер и база-коллектор включены параллельно.

С ростом \(U_{кэ}\) (например, до 2В, 5В) кривая смещается вправо. Это связано с эффектом Эрли — при увеличении \(U_{кэ}\) эффективная ширина базы уменьшается, и для достижения того же тока базы \(I_б\) требуется чуть большее напряжение \(U_{бэ}\).

При \(U_{кэ} > 2-5В\) характеристики практически перестают смещаться и идут близко друг к другу.

При \(U_{кэ} = 0\) оба перехода транзистора оказываются включенными параллельно и входная характеристика представляет собой вольт-амперную характеристику двух параллельно включенных p-n-переходов.

При \(U_{кэ} > 0\) коллекторный переход включается в обратном направлении и в цепи базы протекает ток

Если \(U_{бэ} = 0\), то в цепи базы протекает ток \(I_б = -I_{кбо}\), направление которого противоположно обычному. Увеличение \(U_{бэ}\) сопровождается ростом рекомбинационной составляющей тока базы \((1 - \alpha)I_э\), и при некотором напряжении \(U_{бэ}\) ток базы становится равным нулю. Дальнейшее увеличение напряжения \(U_{бэ}\) сопровождается ростом тока базы. Поскольку рекомбинационная составляющая тока базы значительно меньше тока базы при \(U_{бэ} = 0\), то входная характеристика смещается в область меньших токов (в сторону оси напряжений).

Используются для определения входного сопротивления транзистора и расчета базового тока смещения.

Выходными статическими характеристиками транзистора является семейство характеристик зависимости выходного тока от входного тока при постоянном выходном напряжении \(I_к = f(U_{кэ})\) при \(I_б =\) const (рис. 3).

На графике видно три основные области работы транзистора:

1. Область отсечки (Cut-off): Транзистор закрыт. \(I_б ≈ 0\), \(I_к ≈ I_{кбо}\) (очень маленький ток утечки). Напряжение \(U_{кэ}\) близко к напряжению питания.
2. Активная область (Active Region): Транзистор работает как усилитель. Коллекторный ток \(I_к\) практически не зависит от \(U_{кэ}\) и определяется в основном током базы: \(I_к = β \cdot I_б + I_{кэо}\), где β — статический коэффициент усиления по току. Характеристики идут почти горизонтально с небольшим наклоном вверх (эффект Эрли).
3. Область насыщения (Saturation): Транзистор полностью открыт. \(U_{кэ}\) очень мало (десятые доли вольта — \(U_{кэ нас}\)). Коллекторный ток \(I_к\) ограничен в основном внешними элементами цепи (сопротивлением нагрузки) и слабо зависит от \(I_б\).

Если \(I_б = 0\), то в цепи коллектора протекает ток

Это указывает на то, что выходная характеристика при \(I_б = 0\) представляет обратную ветвь вольт-амперной характеристики p-n-перехода, у которого ток насыщения равен \(I_{кбо}\).

Увеличение тока базы вызывает увеличение тока коллектора, следовательно, выходные характеристики при увеличении \(I_б\) смещаются вверх.

Используются для определения коэффициента усиления по току (β), выходного сопротивления, расчета режима работы по постоянному току (точки покоя) и мощности, рассеиваемой на транзисторе.

Проходные характеристики отображают зависимость \(I_к = f(I_б)\) при \(U_{кэ} =\) const.

График почти прямая линия, выходящая из начала координат.

• Наклон этой прямой определяет статический коэффициент усиления по току в схеме ОЭ: \(β = I_к / I_б\) (или h21Э).
• При очень малых и очень больших токах характеристика может отклоняться от линейности.

Используются для наглядного определения коэффициента β и его зависимости от тока.

Зависимость коэффициента усиления от частоты показывает, как коэффициент усиления транзистора по току изменяется с ростом частоты входного сигнала.

Рассматривают коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ (h21Э или β).

• На низких и средних частотах коэффициент усиления β остается практически постоянным (\(β_0\)).
• Существует некая граничная частота \(f_β\), на которой модуль коэффициента усиления уменьшается до уровня \(0.707 \cdot β_0\) (-3 дБ по мощности).
• На частотах выше \(f_β\) коэффициент усиления начинает падать обратно пропорционально частоте (наклон -20 дБ/декаду на логарифмической шкале).
• Частота, на которой коэффициент усиления падает до 1 (единицы), называется граничной частотой единичного усиления \(f_T\). Это один из ключевых параметров для высокочастотных транзисторов.

Из-за наличия барьерных емкостей p-n переходов и времени пролета носителей заряда через базу падает усиление.

Показывают, как транзистор переключается между состояниями отсечки и насыщения под действием прямоугольного входного сигнала. Ключевой режим для цифровой техники.

Рассматривают реакцию коллекторного тока \(I_к(t)\) на скачок базового тока \(I_б(t)\).

Основные временные параметры:

1. Время задержки (\(t_d\)): Время, необходимое для зарядки барьерной емкости перехода база-эмиттер до порогового напряжения открытия. Ток \(I_к\) еще не начал расти.
2. Время нарастания (\(t_r\)): Время, за которое коллекторный ток \(I_к\) нарастает от 10% до 90% от своего максимального значения.
3. Время рассасывания (\(t_s\)): Время, необходимое для рассасывания избыточного заряда неосновных носителей в базе, когда транзистор выходит из насыщения. Это самое большое время в процессе выключения.
4. Время спада (\(t_f\)): Время, за которое коллекторный ток \(I_к\) спадает от 90% до 10% от своего максимального значения.

Используются для определения максимальной частоты переключения ключевых схем (цифровые схемы, импульсные блоки питания) и расчета потерь мощности при переключении.