Лабораторные работы по электронике Исследование полевых транзисторов Исследование биполярных транзисторов Полупроводниковые выпрямители Электронный усилитель на транзисторах Исследование варикапов

Вид характеристик зависит от способа включения транзистора. Для однозначного установления зависимости между токами и напряжениями транзистора достаточно иметь два семейства характеристик. На практике наибольшее применение получили входные и выходные характеристики. Характеристики прямой передачи и обратной связи применяются редко и могут быть легко получены из входных и выходных характеристик путем перестроения.

Входными характеристиками транзистора, включенного по схеме ОБ (рис. 2.5), называют семейство характеристик, выражающих зависимость UЭБ = f (IЭ) при UКБ = const (рис. 2.7). Так как h21Б ≈ 1, то при UКБ = 0 (коллектор замкнут с базой) можно считать, что с некоторым приближением входная характеристика представляет собой прямую ветвь вольт – амперной характеристики эмиттерного перехода, определяемой соотношением (2.1).

Отрицательное напряжение коллектора, которое не учитывается в формуле  (2.1), смещает входную характеристику в область увеличения токов эмиттера I Э (рис. 2.7). Это смещение вызвано двумя причинами. Во-первых, при повышении напряжения U КБ, в данном случае отрицательного, уменьшается ширина базы и увеличивается  градиент концентрации дырок в базе, что приводит к возрастанию тока эмиттера при неизменном напряжении UЭБ. Во-вторых, увеличивается обратный ток коллектора IКБ0, который, проходя по распределенному сопротивлению базы rб (рис. 2.8), создает  на нем падение напряжения U ос = rб IКБ0. Для большей наглядности на рис. 2.8  сопротивление rб вынесено во внешнюю цепь транзистора. Полярность напряжения обратной связи U ос такова, что его появление приводит к увеличению результирующего напряжения  на эмиттерном p-n-переходе при неизменном напряжении U ЭБ. Под влиянием выше перечисленных  факторов в цепи эмиттера при U ЭБ = 0 и отрицательном напряжении на коллекторе проходит небольшой эмиттерный ток. Для его устранения на эмиттер необходимо подать некоторое отрицательное напряжение.

Выходные статические характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ, отражают зависимость I К = f (U КБ) при I Э = const (рис. 2.9).

Как известно , ток коллектора можно представить в виде

  (2.8)

При включении коллекторного перехода в обратном направлении напряжение UКБ в уравнение (2.8) подставляется со знаком «минус», поэтому при | UКБ | > φT справедливо уравнение (2.3).

Границей между режимом отсечки и активным режимом является характеристика (рис. 2.9), снятая  при IЭ = 0. Из выражения (2.8) видно, что при IЭ = 0 выходная характеристика представляет  собой обратную ветвь ВАХ коллекторного p-n-перехода. При увеличении отрицательного  напряжения коллектора его ток быстро достигает значения IКБ0. Дальнейший рост отрицательного напряжения UКБ до определенного значения сопровождается незначительным  увеличением тока IК, причиной чего является рост токов генерации и утечки в коллекторном p-n-переходе. При достижении напряжением UКБ некоторого значения коэффициент лавинного  умножения становится больше единицы, что сопровождается резким возрастанием тока  IК и пробоем коллекторного перехода. Напряжение коллектора, при котором возникает пробой коллекторного перехода при IЭ = 0, называют пробивным напряжением коллектор-база  и обозначают UКБ Пр. Если ток IЭ не равен нулю, то выходная характеристика смещается в область больших токов коллектора на величину h21БIЭ. Поскольку значение h21Б зависит от тока IЭ и напряжения UКБ, выходные характеристики располагаются неравномерно при одинаковых изменениях тока эмиттера. При больших токах коллектора и эмиттера пробой коллекторного перехода происходит при меньших напряжениях UКБ и может перейти в тепловой пробой. Для исключения возможности теплового пробоя режимы работы транзистора необходимо выбирать ниже кривой максимально допустимой рассеиваемой коллектором мощности РКmax (штриховая линия на рис. 2.9).

 При UКБ > 0 и IЭ > 0 эмиттерный и коллекторный p-n-переход включены в прямом направлении, что соответствует режиму насыщения. В этом режиме происходит инжекция дырок в базу, как из эмиттера, так и из коллектора. Инжектируемые из коллектора дырки движутся навстречу экстрагируемым дыркам из базы. Поэтому в режиме насыщения наблюдается резкое уменьшение тока коллектора и даже изменение его направления. Области, расположенной ниже характеристики, снятой при IЭ=0, соответствует режим отсечки.

Рассмотрим режимы работы и статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. При включении биполярного транзистора по схеме с ОЭ цепь базы является входной, а цепь коллектора – выходной.

В режиме отсечки полярности и значения напряжений UКЭ и UБЭ таковы, что коллекторный и эмиттерный переходы смещены в обратном направлении (рис. 2.10). В этом случае через эмиттерный p-n-переход проходит обратный ток IЭБ0, а через коллекторный – ток IКБ0. Во входной цепи (цепи базы) проходит ток базы IБ = IКБ0 + IЭБ0.

В режиме насыщения p-n-переходы включаются в прямом направлении (рис. 2.11,а). Для включения эмиттерного p-n-перехода в прямом  направлении на базу подается отрицательное напряжение UБЭ. Для включения коллекторного p-n-перехода в прямом направлении на коллектор следует подавать положительное напряжение относительно базы. Коллекторный переход включается в прямом направлении или при положительном напряжении UКЭ, или при отрицательном, но меньшем по значению, чем UБЭ. В последнем случае напряжение на коллекторном переходе будет прямым и равным UКБ = | UБЭ | - | UКЭ |. Таким образом, в отличие от схемы ОБ режим насыщения в схеме с ОЭ может наступить и при отрицательном напряжении на коллекторе. В режиме насыщения в цепях транзистора проходят токи IК нас и IБ нас, значительно превышающие токи режима отсечки.

Схема включения транзистора типа p-n-p с ОЭ в активном режиме показана на рис. 2.11,б. Полярности напряжений приложенных между базой и эмиттером (UБЭ) и между коллектором и эмиттером (UКЭ) обеспечивают включение эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллекторного – в обратном направлении. При этом физические процессы, происходящие в транзисторе, аналогичны процессам в транзисторе, включенным по схеме с общей базой. Под действием напряжения UБЭ в цепи эмиттера проходит ток IЭ. В базе этот ток разветвляется. Основная его часть идет в коллектор, создавая управляемую составляющую тока коллектора, другая часть – в цепь базы, определяя ток базы рекомбинации. Навстречу току рекомбинации в базе проходит обратный ток коллектора IКБ0. Поэтому для схемы с ОЭ справедливо уравнение (2.3).

Поскольку в схеме с ОЭ входным является ток базы, уравнение (2.3) следует преобразовать так, чтобы установилась связь между током коллектора и током базы. Это достигается подстановкой в уравнение (2.3) равенства (2.6):

*

Отсюда

  (2.9)

Введя обозначение

  (2.10)

представим уравнение (2.9) в виде

   (2.11)

Из уравнений (2.9 – 2.11) следует, что ток коллектора состоит из управляемой составляющей h21ЭIБ, зависящей от входного тока, и неуправляемой (h21Э+1)IКБ0. Коэффициент пропорциональности h21Э устанавливает связь между управляемой составляющей тока коллектора и током базы. Его называют статическим коэффициентом передачи тока базы. Значения h21Э могут достигать сотен и тысяч.

Из выражения (2.11) видно, что в схеме с ОЭ неуправляемый ток коллектора в (h21Э + 1) раз больше, чем в схеме с ОБ. Это существенный недостаток схемы с ОЭ. Причина заключается в том, что ток IКБ0 является одной из составляющих базового (входного) тока, усиливаемого транзистором при его включении по схеме с ОЭ. Достоинство этой схемы – ее значительно большее входное сопротивление, чем у схемы с ОБ. Это обусловлено тем, что при одинаковых входных напряжениях (UБЭ = UЭБ) ток базы значительно меньше тока эмиттера, являющегося входным током схемы с общей базой.

Входные статические характеристики транзистора, включенного с ОЭ (рис. 2.12), отображают зависимость UБЭ = f (IБ) при UКЭ = const.

При UКЭ = 0 оба p-n-перехода транзистора включены в прямом направлении (рис. 2.11,б). Из эмиттера и коллектора осуществляется инжекция дырок в базу, где они частично рекомбинируют с электронами, и в цепи базы проходит ток рекомбинации обоих переходов.  Поэтому входная характеристика представляет собой вольт – амперную характеристику  двух параллельно включенных p-n-переходов.

При UКЭ = -4В коллекторный переход включается в обратном направлении (рис. 2.11,б) и в цепи базы проходит ток

Если UБЭ = 0, то IЭ = 0 и в цепи базы проходит ток IБ = - IКБ0. Увеличение напряжения UБЭ сопровождается ростом рекомбинационной составляющей тока базы (1- h21Б)IЭ, и при некотором напряжении UБЭ ток базы становится равным нулю. Дальнейшее увеличение напряжения UБЭ сопровождается ростом тока базы. Поскольку рекомбинационная составляющая тока базы при UКЭ < 0 значительно меньше тока базы, проходящего при UКЭ = 0, входная характеристика смещается в область меньших токов (в сторону оси напряжений). При увеличении отрицательного напряжения коллектора наблюдается смещение входных характеристик в сторону оси токов (вниз, штриховая кривая на рис. 2.12). Это вызвано образованием напряжения обратной связи Uос на распределенном сопротивлении базы вследствие прохождения через него обратного тока коллектора IКБ0. Результирующее напряжение на эмиттерном переходе UБЭ увеличивается, что приводит к увеличению инжекции дырок из эмиттера в базу и росту рекомбинационного тока базы. Этому способствует также модуляция толщины базы.

Выходными статическими характеристиками транзистора, включенного с общим эмиттером (рис. 2.13), является семейство характеристик IК = f (UКЭ) при IБ = const

Вид этих характеристик отражает особенности работы транзистора с ОЭ в различных режимах. Рассмотрим область, соответствующую границе режима отсечки. В этой области ход характеристик зависит от условий работы эмиттерного перехода, определяемых цепью базы.

Если в цепь базы включен источник напряжения UБЭ (рис. 2.10), смещающий эмиттерный переход в обратном направлении, то через эмиттерный переход проходит ток IЭБ0, обусловленный движением неосновных носителей.  Следовательно, происходит разделение потока неосновных носителей в коллекторный и эмиттерный переход. Поэтому через коллекторный переход проходит ток коллектора IКБ0.

В активном режиме и в режиме насыщения эмиттерный переход включается  в прямом направлении путем подачи отрицательного напряжения на базу (рис. 2.11) относительно эмиттера. Под действием этого напряжения в цепи базы проходит ток IБ1. За счет напряжения UБЭ при нулевом напряжении коллектора оба p-n-перехода транзистора смещены в прямом направлении. Транзистор работает в режиме насыщения, и через коллектор проходит ток инжекции, направление которого противоположно направлению коллекторного тока в активном режиме. В базе происходит накопление неосновных носителей заряда – дырок.

С появлением небольшого отрицательного напряжения на коллекторе ток инжекции из коллектора уменьшается, а ток, обусловленный экстракцией дырок из базы в коллектор, увеличивается. Поэтому при увеличении отрицательного  напряжения коллектора до значения UКЭ = UБЭ наблюдается значительный рост коллекторного тока. При | UКЭ | > | UБЭ | транзистор из режима насыщения переходит в активный режим работы. Рост коллекторного тока при дальнейшем увеличении отрицательного напряжения UКЭ замедляется, однако наклон выходных характеристик к оси токов в схеме с ОЭ оказывается больше, чем в схеме с общей базой. Это объясняется следующими причинами.

Во-первых, увеличение отрицательного напряжения UКЭ приводит к уменьшению ширины и тока базы (вследствие уменьшения рекомбинационной составляющей). Для восстановления первоначального значения тока базы (выходные характеристики снимаются при постоянных токах базы) необходимо увеличить напряжение UБЭ, что сопровождается ростом токов эмиттера и коллектора.

Во-вторых, возрастающее отрицательное напряжение на коллекторе увеличивает ударную - ионизацию в коллекторном переходе, что сопровождается ростом тока коллектора и может закончиться электрическим пробоем коллекторного перехода.

В схеме с ОЭ увеличение тока базы вызывает увеличение коллекторного тока, т.е. смещение выходных характеристик вверх. Расстояние между выходными характеристиками при одинаковых приращениях тока базы различны. Эта неравномерность расположения выходных характеристик связана с изменением статического коэффициента передачи тока базы h21Э при изменении тока эмиттера.

За последний период развития в области связи, наибольшее распространение получили оптические кабели (ОК) и волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) которые по своим характеристикам намного превосходят все традиционные кабели системы связи. Связь по волоконно-оптическим кабелям, является одним из главных направлений научно-технического прогресса. Оптические системы и кабели используются не только для организации телефонной городской и междугородней связи, но и для кабельного телевидения, видеотелефонирования, радиовещания, вычислительной техники, технологической связи и т.д.
Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике