.
Семейство выходных характеристик n-p-n-транзистора приведено на рис. 3.23. Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид:
. (3.38)
Особенностью выходной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером по сравнению с характеристикой в схеме с общей базой, является то, что она целиком лежит в первом квадранте. Это связано с тем, что в схеме ОЭ напряжение uКЭ распределяется между обоими переходами, и при uКЭ< uБЭ напряжение на коллекторном переходе меняет знак и становится прямым, в результате транзистор переходит в режим насыщения при uКЭ >0 (cм. рис. 3.23). В режиме насыщения характеристики сливаются в одну линию, то есть ток коллектора не зависит от тока базы. Так же, как и в схеме ОБ, идеализированная характеристика в активном режиме не зависит от напряжения uКЭ. Реально имеет место заметный рост тока iК с ростом uКЭ (см. рис. 3.23), связанный с эффектом Эрли. Этот рост выражен значительно сильнее, чем в схеме ОБ в связи с более резкой зависимостью от напряжения на коллекторном переходе коэффициента передачи тока базы b по сравнению с коэффицентом передачи тока эмиттера a. Также более резкой зависимостью b от тока эмиттера и, соответственно, от тока базы объясняется практическое отсутствие эквидистантности характеристик. При iБ=0 в цепи коллектора протекает ток iКЭ0= b iБЭ0. Увеличение тока в b раз по сравнению со схемой ОБ объясняется тем, что в схеме ОЭ при iБ=0 и uКЭ >0 эмиттерный переход оказывается несколько приоткрыт напряжением uКЭ, и инжектируемые в базу электроны существенно увеличивают ток коллектора.
3.6. Влияние температуры на работу биполярного транзистора
Влияние температуры на работу биполярного транзистора обусловлено тремя физическими факторами: уменьшением потенциальных барьеров в переходах, увеличением тепловых токов переходов и увеличением коэффициентов передачи токов с ростом температуры. Уменьшение потенциального барьера j К с ростом температуры также, как и в изолированном переходе, (см. раздел 2) приводит к усилению инжекции, в результате чего увеличивается входной ток транзистора. На рис. 3.24 приведены входные характеристики транзистора в схеме с общей базой, полученные при различных температурах (заметим, что входные характеристики в схеме ОЭ при различных температурах выглядят аналогично и отличаются лишь масштабом по оси токов так как iК >>iБ. Как видно из рисунка 3.24, увеличение входного тока с ростом температуры эквивалентно смещению характеристики в сторону меньших входных напряжений. Это смещение описывается температурным коэффициентом напряжения 
, который составляет для кремниевых транзисторов e = - 3 мВ/град. В расчетах транзисторных схем часто используют кусочно-линейную аппроксимацию входных характеристик. На рис. 3.24,б приведены идеализированные аппроксимированные характеристики без учета влияния сопротивления тела базы r¢Б. Как видно из рисунка при r¢Б =0 характеристики проходят вертикально и напряжение на переходе равно пороговому ½ - uЭБ½ = U*. Изменение этого напряжения с температурой также описывается коэффициентом e.
Увеличение тепловых токов переходов с ростом температуры, подробно рассмотренное в разделе 2, описывается приводимыми в справочниках температурными зависимостями токов IКБ0, IЭБ0. Типовые зависимости токов IКБ0 и IЭБ0 от температуры для кремниевого маломощного транзистора приведены на рис. 3.25.
|
|
Использование логарифмического масштаба по оси ординат позволило представить экспоненциальную зависимость токов от температуры в линейном виде. Как видно из рисунка, в рабочем интервале температур транзистора (-60 ° ...+ 80 ° C) токи IКБ0 и IЭБ0 могут изменяться на 1...2 порядка. Следует заметить, что отмеченный рост тепловых токов заметно сказывается на выходных характеристиках лишь германиевых транзисторов, что связано с относительно большой величиной самих тепловых токов. В кремниевых транзисторах тепловые токи очень малы, поэтому их изменение с температурой не оказывает заметного влияния на характеристики. Увеличение коэффициента передачи тока эмиттера a и тока базы b с ростом температуры обусловлено ростом времени жизни электронов в базе (см. раздел 1) и соответствующим ослаблением их рекомбинации с дырками. На рис. 3.26 приведены типичные температурные зависимости коэффициентов a и b , нормированных к значениям, полученным при комнатной температуре ( t =20 ° C). Из рисунка видно, что если изменение a с температурой выражено очень слабо (в рабочем интервале температур оно не превышает нескольких процентов), то изменение b может достигать нескольких сотен процентов.
Сказанное выше иллюстрируют приведенные на рис. 3.27 выходные характеристики транзистора в схемах ОБ и ОЭ, полученные при различных температурах. Как видно из рисунка, увеличение температуры приводит к смещению (дрейфу) характеристик в сторону более высоких токов коллектора. При этом в схеме ОБ при фиксированном токе эмиттера D iК= D a iЭ температурный дрейф характеристик выражен довольно слабо, что объясняется слабой температурной зависимостью коэффициента передачи тока эмиттера a - см. рис 3.26. У характеристик для схемы ОЭ, снимаемых при iБ =const, в связи с сильной температурной зависимостью коэффициента передачи тока базы b температурный дрейф очень велик - изменение тока коллектора D iК= D b iБ может достигать несколько десятков и даже сотен процентов. Температурная нестабильность характеристик транзистора в схеме ОЭ требует специальных мер по стабилизации рабочей точки. На рис. 3.27 приведены три типовые схемы задания режима работы транзистора по постоянному току. В схеме, приведенной на рис 3.27,а внешние элементы задают ток базы
.
Отсюда можно записать выражение для расчета коллекторного тока:
. (3.39)
Оценим изменение тока IК при изменении температуры на 20 ° С. Будем полагать EК=10 В, RБ=100 кОм, b (20 ° С)=100, U*(20 ° С)=0.7В и IКЭ0(20 ° С)=5мкА, откуда IК(20 ° С )=100 · 10/10 5-100 · 0.7/10 5+5 · 10 -6= =9.305 мА. Будем также считать, что изменение b при изменении температуры на 20 ° С составляет 50%, изменение U* определяется коэффициентом e = -2 мВ/град, изменение IКЭ0 определяется температурой его удвоения T* = 5 ° С. Тогда несложно определить значения b, U* и IКЭ0 при t ° =40 ° С: b (40 ° С) =1,5 ·100=150, U*(40 ° С)=0,7-20 ·2 ·10 -3=0,66 В и IКЭ0( 40 ° С)=2 4 ·5 ·10 -6=160 мкА. Тогда ток IК ( 40 ° С)=150·10/10 5-150 ·0,66/10 5+160·10 -6=14,17 мА, то есть ток IК изменился на 52,3 % и основной вклад в это изменение внес коэффициент передачи тока базы b. Расчет показывает, что эта схема обладает низкой температурной стабильностью. В схеме, приведенной на рис. 3.28,б, внешние элементы задают ток эмиттера
и 
.
Таким образом, в этой схеме обеспечивается высокая температурная стабильность (как в схеме ОБ), правда достигается она за счет использования дополнительного источника питания. Следует заметить, что указанная схема представляет собой по переменному току - схему ОЭ, а по постоянному току - схему ОБ. Третья схема (см. рис. 3.28,в) занимает промежуточное по термостабильности положение между двумя первыми схемами. В этой схеме фиксируется напряжение uБЭ и при рациональном выборе RБ1,RБ2 и RЭ температурная стабильность всего в 2 - 3 раза хуже, чем во второй схеме.
3.7. Пробой биполярного транзистора
Физические причины, вызывающие пробой переходов транзистора, те же, что и в полупроводниковом диоде (см. раздел 2). В то же время пробой переходов в транзисторах имеет определенную специфику, связанную с взаимодействием переходов и проявляющуюся главным образом в схеме с общим эмиттером, где напряжение uКЭ прикладывается к обоим переходам. В схеме ОБ напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода UКБ0 проб близко к напряжению пробоя изолированного перехода. Эмиттерный переход, как правило, работает при прямом смещении и его пробивное напряжение не представляет интереса, однако следует иметь в виду, что из-за сильного легирования эмиттера напряжение пробоя эмиттерного перехода мало - несколько вольт. В схеме ОЭ условия возникновения лавинного пробоя очень сильно зависят от режима базовой цепи. В случае, когда ток базы не ограничен (сопротивление в цепи базы RБ® 0) пробой коллекторного перехода происходит так же, как и в схеме ОБ, и возникает при том же пробивном напряжении на коллекторе UКБ0 проб. При фиксированном токе базы, когда базовая цепь питается от источника тока ( RБ® ¥ ), проявляется механизм положительной обратной связи, снижающей пробивное напряжения. Его суть состоит в том, что образующиеся в переходе в результате ударной ионизации пары носителей заряда разделяются полем перехода: электроны уходят на коллектор, увеличивая его ток, а дырки скапливаются в базе, увеличивая ее потенциал и снижая потенциальный барьер в эмиттерном переходе. В результате увеличивается инжекция электронов из эмиттера в базу и растет коллекторный ток. Соответственно уменьшается пробивное напряжение. Наиболее сильно накопление дырок в базе происходит при отсутствии базового тока ( iБ=0), что соответствует разомкнутой цепи базы ( RБ = ¥ ). В этом режиме пробивное напряжение UКЭ0 проб оказывается в несколько раз ниже, чем в схеме ОБ, и определяется выражением:
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 |
Основные порталы (построено редакторами)