Podręcznik: Charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego

1. Model stałoprądowy tranzystora bipolarnego

1.2. Charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego

RODZINY CHARAKTERYSTYK

Właściwości elektryczne tranzystora jako czwórnika można opisać:

równaniami impedancyjnymi

$\left\{\begin{matrix} U_{1}=f(I_{1},I_{2})\\ U_{2}=f(I_{1},I_{2}) \end{matrix}\right.$

(1.24)

równaniami admitancyjnymi

$\left\{\begin{matrix} I_{1}=f(U_{1},U_{2})\\ I_{2}=f(U_{1},U_{2}) \end{matrix}\right.$

(1.25)

równaniami mieszanymi

$\left\{\begin{matrix} U_{1}=f(I_{1},U_{2})\\ I_{2}=f(I_{1},U_{2}) \end{matrix}\right.$

(1.26)

Ze względu na łatwość pomiaru oraz bezpośrednią interpretację fizyczną, w dalszych rozważaniach wykorzystane będą równania mieszane. Wynikają z nich cztery rodziny charakterystyk statycznych:

Tablica 1.1

Charakterystyki:	zapis ogólny	w konfiguracji WB	w konfiguracji WE
Wejściowe	$U_{1}=f(I_{1})\mid _{U_{2}}$	$U_{EB}=f(I_{E})\mid _{U_{CB}}$	$U_{BE}=f(I_{E})\mid _{U_{CE}}$
Oddziaływania wstecznego	$U_{1}=f(U_{2})\mid _{I_{1}}$	$U_{EB}=f(U_{CB})\mid _{I_{E}}$	$U_{BE}=f(U_{CE})\mid _{I_{B}}$
Przejściowe	$I_{2}=f(I_{1})\mid _{U_{2}}$	$I_{C}=f(I_{E})\mid _{U_{CB}}$	$I_{C}=f(I_{B})\mid _{U_{CE}}$
Wyjściowe	$I_{2}=f(U_{2})\mid _{I_{1}}$	$I_{C}=f(U_{CB})\mid _{I_{E}}$	$I_{C}=f(U_{CE})\mid _{I_{B}}$

W literaturze często przedstawia się te rodziny charakterystyk na jednym rysunku w odpowiednio dobranym układzie współrzędnych:

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 1.9 Rodziny charakterystyk tranzystora w konfiguracji WB. (Przykładowe wartości liczbowe dla tranzystora indywidualnego małej mocy)

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 1.10 Rodziny charakterystyk tranzystora w konfiguracji WE. (Przykładowe wartości liczbowe dla tranzystora indywidualnego małej mocy)

CHARAKTERYSTYKI TRANZYSTORA NPN W KONFIGURACJI WB

Przebieg charakterystyk wejściowych I_E(U_EB) i wyjściowych I_C(U_CB) tranzystora npn pracującego w konfiguracji WB dla polaryzacji normalnej wyjaśnia idea sumowania prądów stanowiąca koncepcję modelu Ebersa-Molla. Tutaj szczególne punkty charakterystyk zostały zilustrowane wykresami rozkładu koncentracji nośników mniejszościowych w bazie (dla uproszczenia - równomiernie domieszkowanej). Interpretacja ta wykorzystuje związki między wartościami tej koncentracji na krańcach bazy i napięciami polaryzującymi złącza:

$n_{B}(0)\approx n_{0B}exp(-\frac{U_{EB}}{V_{T}}),$

$n_{B}(w_{B})\approx n_{0B}exp(-\frac{U_{CB}}{V_{T}}).$

(1.27)

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 1.11 Charakterystyki wejściowe (WB)

Napięcie U_EBF nazywane napięciem (potencjałem) pływającym na złączu emiterowym spowodowane jest oddziaływaniem wstecznym. Polaryzacja zaporowa złącza kolektorowego wymusza obniżenie koncentracji nośników mniejszościowych w całym obszarze bazy, co odpowiada zaporowej polaryzacji złącza emiter-baza przy rozwarciu tego złącza.

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 1.12 Charakterystyki przejściowe (WB)

Widoczny na rys. 1.12 wzrost współczynnika wzmocnienia prądowego a_F towarzyszący wzrostowi zaporowej polaryzacji złącza kolektor-baza, spowodowany jest wzrostem sprawności transportu a_T wynikającym ze zmniejszenia wartości prądu rekombinacji w krótszej bazie. Na skutek efektu Early’ego Early maleje bowiem czas przelotu nośników przez bazę. Ten sam efekt decyduje o nachyleniu charakterystyk oddziaływania wstecznego - |U_EB| maleje ze wzrostem polaryzacji zaporowej U_CB (przypadek I_E= const na rys. Rzjearl):

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 1.13 Charakterystyki oddziaływania wstecznego (WB)

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 1.14 Charakterystyki wyjściowe (WB)

Obszar zatkania tranzystora zaznaczono na rys. 1.14 z „niedomiarem”, ponieważ dokładną granicę tego obszaru stanowi charakterystyka dla U_EB = 0, która zgodnie z rys. Rchwewb leży powyżej I_E= 0. Różnica w praktyce jest pomijalna.

CHARAKTERYSTYKI TRANZYSTORA NPN W KONFIGURACJI WE

Podobnie jak poprzednio, szczególne punkty charakterystyk zostały tutaj zilustrowane wykresami rozkładu koncentracji nośników mniejszościowych w równomiernie domieszkowanej bazie, wykorzystując związki (1.27). Interpretację tę ograniczono do charakterystyk wejściowych i wyjściowych w konfiguracji WE:

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 1.15 Charakterystyki wejściowe (WE)

Zmniejszenie wartości prądu bazy towarzyszące wzrostowi napięcia wyjściowego dla ustalonej wartości napięcia wejściowego wynika z efektu Early’ego Early. Skrócenie bazy w takim przypadku zmniejsza bowiem wkład do prądu bazy zjawisk rekombinacji w tym obszarze. Dla bardzo małych wartości U_EB w pobliżu zera, główny wkład do prądu bazy mają zjawiska generacji nośników w złączu kolektor-baza, co powoduje ujemną wartość (zmianę kierunku przepływu) prądu bazy (utworzonego przez dziury odpływające do kontaktu bazy).

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 1.16 Charakterystyki wyjściowe (WE)

Na rys. 1.16 zaznaczono obszary nasycenia i zatkania tranzystora. W tym przypadku obszar zatkania przedstawiono z „nadmiarem”, ponieważ dokładną granicę tego obszaru stanowi charakterystyka dla U_EB = 0, która zgodnie z rys. 1.16 leży poniżej I_B= 0. W praktyce różnicę tę można pominąć. Większy niż w przypadku konfiguracji WB wzrost prądu kolektora w obszarze aktywnym wynika stąd, że przy ustalonej wartości prądu bazy wzrost U_CE powoduje nie tylko skrócenie bazy (efekt Early’ego), ale pociąga za sobą wzrost U_BE (rys. 1.15) i zwiększenie wstrzykiwania elektronów z emitera.