Входные характеристики биполярного транзистора в схеме включения с общей базой

Входными характеристиками биполярного транзистора в схеме включения с общей базой называются зависимости тока эмиттера от напряжения эмиттер – база при постоянном значении напряжения коллектор – база. Входные характеристики приведены на рис.3. Входная характеристика при (зависимость 1, рис.3) аналогична прямой ветви вольтамперной характеристики полупроводникового диода. Эта характеристика начинается из начала координат, при увеличении входного напряжения ток эмиттера экспоненциально увеличивается:

. (6)

Однако при больших токах входные характеристики близки к линейным. Наклон линейного участка определяется в основном объемным сопротивлением базы .

 

Рис.3. Семейство входных характеристик

 

При напряжении (зависимости 2, 3, рис.3) кривые смещаются вверх относительно начала координат и к оси токов. Смещение характеристик вверх относительно начала координат объясняется падением напряжения на объемном сопротивлении базы r_Б при протекании тока I_К0 (рис.4).

 

Рис.4. Схема включения транзистора при Uэб = 0

 

При отрицательном напряжении на коллекторе через коллекторный переход протекает ток обратносмещенного p-n перехода I_К0, а так как база мало легирована примесями, то на будет создаваться падение напряжения , в результате чего эмиттер получает положительное смещение относительно базы и начинает инжектировать дырки, что приводит к появлению начального тока эмиттера при . Смещение характеристик влево при увеличении коллекторного напряжения объясняется эффектом модуляции толщины базы. Эффект модуляции заключается в изменении толщины базы при изменении напряжения на коллекторе.

На эмиттерный переход напряжение подается в прямом направлении, и оно мало изменяется при работе транзистора, поэтому эмиттерный переход узкий и ширина его изменяется незначительно. Коллекторный переход смещен в обратном направлении, поэтому его ширина больше и изменяется в широких пределах при изменении напряжения на коллекторе. А так как в биполярных транзисторах , то коллекторный переход расширяется в основном в область базы, уменьшая ее толщину:

, (7)

где – ширина коллекторного перехода в равновесном состоянии;
– толщина базы в равновесном состоянии.

Эффект модуляции толщины базы обуславливает наличие обратной связи, характеризующей влияние коллекторного перехода на эмиттерный переход из-за их близкого расположения.

Для пояснения физической сути обратной связи на рис.5 показано изменение распределения избыточной концентрации дырок в базе с увеличением коллекторного напряжения (пунктирная линия) при фиксированных значениях напряжения на эмиттером переходе (рис.5, а) и тока эмиттера (рис.5, б). На рис.5 – избыточная концентрация дырок в базе на границе эмиттерного перехода. Избыточная концентрация дырок зависит от величины приложенного напряжения к эмиттерному переходу. Чем выше прямое напряжение эмиттер – база, тем больше концентрация дырок в базе у эмиттерного перехода, тем больше градиент концентрации дырок в базе. Поскольку диффузионный ток эмиттера зависит от градиента концентрации дырок в базе : , то при постоянном напряжении на эмиттерном переходе и с увеличением по модулю напряжения на коллекторе возрастает градиент концентрации, а следовательно, и ток эмиттера.

На рис.5, б показано влияние на распределение дырок в базе, если поддерживать постоянной величину тока эмиттера. С увеличением (по модулю) толщина базы уменьшается. Чтобы ток эмиттера оставался постоянным, необходимо, чтобы с изменением градиент концентрации оставался неизменным. Поэтому с увеличением должна уменьшается избыточная концентрация дырок на границе эмиттерного перехода (). А это может быть достигнуто лишь путем уменьшения входного напряжения .

Уменьшение с ростом напряжения (по модулю) оценивают коэффициентом обратной связи по напряжению :

. (8)

Наиболее существенный сдвиг характеристик имеет место при малых .

При характеристика смещается незначительно, так как ширина коллекторного перехода, а следовательно, и толщина базы зависят от коллекторного напряжения не по линейному закону (7).

Входные характеристики кремниевого транзистора (рис.6,а) смещены от начала координат в сторону больших прямых напряжений. Как и у кремниевого диода, это смещение равно и объясняется тем, что контактная разность потенциалов у кремниевых транзисторов больше, чем у германиевых.

 

Входные характеристики германиевых транзисторов при различных температурах окружающей среды приведены на рис.6,б. С увеличением температуры входной ток увеличивается, входная характеристика смещается влево (примерно на (1÷2) мВ/°С) вследствие роста внутренней энергии основных носителей заряда и уменьшения контактной разности потенциала , а следовательно, и потенциального барьера. Изменение начального тока эмиттера с ростом температуры окружающей среды связано с экспоненциальной зависимостью от температуры неуправляемого тока коллекторного перехода. С увеличением тока возрастает падение напряжения на объемном сопротивлении базы, и это приводит к росту начального тока эмиттерного перехода.