 |
|
Схема с общим эмиттером
Входная характеристика. Это зависимость 
. Поведение входной характеристики аналогично ВАХ p-n перехода с ограниченной базой с нулевой скоростью рекомбинации на контакте (рисунок 7.33). При 
, (закороченный электрод эмиттера и коллектора) в прямом смещении оба перехода. Коллекторный переход «отталкивает» дырки, инжектированные эмиттером, и аналогичен контакту с нулевой скоростью рекомбинации. Величина начального тока базы будет пропорциональна 
, т. е. определяется рекомбинацией в объеме, ограниченном толщиной базы. Входное сопротивление в схеме ОЭ будет больше, чем у p-n перехода с полубесконечной базой (рисунок 7.33). При обратном смещении в цепи базы будет протекать сумма двух генерационных токов 
. При достижении напряжения лавинного пробоя эмиттерного p-n перехода 
ток резко возрастает. У подавляющего большинства транзисторов 
, поэтому в режиме резкого возрастания входного тока 
. При обратном смещении 
, толщина базы уменьшается (эффект Эрли), что приводит к уменьшению объема рекомбинации, и следовательно, тока базы, т.е. входная ВАХ смещается вниз (при постоянном напряжении входа) и вправо (при постоянном токе базы). При 
, (разрыв цепи базы) (рисунок 7.34) в цепи эмиттер – коллектор протекает неуправляемый ток 
с внутренним базовым током 
(генерационный ток коллектора, определяемый основными носителями заряда базы). Протекание тока смещает эмиттерный переход в прямом направлении 
. Это смещение является частью напряжения 
.
На больших токах базы необходимо учитывать падение напряжения на омическом сопротивлении базы 
(рисунок 7.34), 
.
Входное сопротивление в схеме с ОЭ больше, чем в схеме с ОБ. Это определяется разным масштабом входных токов при одинаковых смещениях эмиттерного перехода,
.
|
|
При замыкании электродов база – эмиттер ( 
= 0) ток базы меняет направление (рисунок 7.33) и определяется током . В результате ответвления обратного тока коллектора на базовый электрод уменьшается внутренний ток базы и величина неуправляемого тока . При обратном смещении 
ток базы представляет собой сумму генерационных токов утечки коллектора и эмиттера 
.
Выходная характеристика. Зависимость 
. Напряжение представляет собой алгебраическую сумму напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах (рисунок 7.34), 
. При этом эмиттерный переход всегда смещен в прямом направлении при прямых токах базы. В активном режиме коллекторный переход смещен в обратном направлении и полярность 
соответствует полярности . В режиме насыщения, когда ток коллектора ограничен внешней цепью, например резистором, 
, заряд коллектируемых дырок (лишних) в коллекторе и лишних электронов в базе смещает коллекторный переход в прямое направление, и имеет полярность обратную . Таким образом, граница между усилительным режимом и режимом насыщения соответствует условию, 
=0, или 
(рисунок 7.35).
В усилительном режиме ток коллектора представляет собой сумму управляемого тока дырок и неуправляемого тока ,
.
Неуправляемый ток 
является границей между активным режимом и режимом отсечки (рисунок 7.35), при 
.
В отличие от ток 
содержит не только генерационную составляющую 
, но и дырочную компоненту, обусловленную прямым смещением эмиттерного p-n перехода.
|
|
При разорванной базе неуправляемый ток может быть представлен в виде:
.
Из этого выражения следует:
. (7.51)
Проанализируем выражение (7.51) при малых напряжениях коллектора (М = 1),
. (7.52)
В (7.52) член 
представляет собой дырочный ток, обусловленный усилением внутреннего базового тока (электронов) . Поэтому неуправляемый ток 
(7.52). Для транзисторов из узкозонных полупроводников (Ge) величина ICB0 значительна при комнатных температурах, а вклад токов рекомбинации в ОПЗ эмиттера мал (раздел 5.7.1), поэтому коэффициент 
, и ток 
. В кремниевых транзисторах генерационный ток коллектора мал, а рекомбинационный ток в ОПЗ эмиттера значительный. Поэтому у кремниевых транзисторов при комнатной температуре 
, и неуправляемый ток 
. С увеличением температуры обратный ток возрастает, что приводит к более сильному увеличению неуправляемого тока в схеме ОЭ,
.
Из (7.51) следует, что при достижении напряжения некоторого значения, при котором 
, ток неограниченно возрастает, что эквивалентно напряжению пробоя в схеме с общим эмиттером. Обозначим это напряжение 
. Из этого условия следует:
, (7.53)
где n = 3,5 для кремния – индекс Миллера (5.122).
Выразив 
из (7.53), получим:
. (7.54)
В активном режиме предельное напряжение в схеме с ОЭ в два и более раз ниже, чем в схеме с ОБ в зависимости от коэффициента усиления В. В режиме отсечки это напряжение может быть значительно выше и достигать значений 
(рисунок 7.35).
Зависимость коэффициента передачи тока 
от тока коллектора (эмиттера) на малых уровнях инжекции является причиной появления участка отрицательного сопротивления на выходных ВАХ транзистора в схеме с ОЭ (рисунок 7.36). При , зависимость 
аналогична зависимости 
, так как 
= 0, и нет инжекции дырок (дырки рекомбинируют в ОПЗ эмиттера, электроны поставляются за счет генерации в обратно смещенном коллекторном переходе).
По мере приближения напряжения к напряжению лавинного пробоя включается ударная ионизация и наблюдается рост величины электронного тока 
. При этом токе становится больше нуля и увеличивается общий ток . Вклад в увеличение тока дается дырками, инжектированными из эмиттера, и дополнительными электронами за счет размножения этих дырок. Таким образом, электронный компонент тока поставляется термической и электрической (ударной) генерацией, а дырочный – инжекцией, определяемый коэффициентом передачи .
; 
; 
.
При увеличении 
изменяется состав тока. Растет дырочная составляющая и уменьшается электронная. Это означает, что для сохранения нейтральной базы в стационарном режиме, при росте необходимо уменьшить поставку электронов в базу с ростом полного тока, т. е. ударную ионизацию и 
, а следовательно, напряжение . Заряд лишних электронов нейтрализует заряд доноров ОПЗ коллектора, что в соответствии с теоремой Гаусса снижает напряженность поля и разность потенциалов ОПЗ. Снижение напряжения на коллекторе наблюдается до значения тока коллектора 
, при превышении которого коэффициент передачи не изменяется 
, а также не изменяется состав тока (доля электронного тока постоянна). На этом участке 
. На БУИ коэффициент передачи будет уменьшаться. Для поддержания электронейтральности базы необходимо увеличение доли электронного тока, которое обеспечивается увеличением лавинного размножения или ростом коллекторного напряжения (рисунок 7.36). В случае, когда напряжение подается на транзистор с заданным током 
, который обеспечивает ток 
, коэффициент 
, и максимальное напряжение ограничивается (рисунок 7.36). Это напряжение носит также название напряжения переворота фазы тока базы. При напряжении внутренний базовый ток за счет размножения дырок 
полностью поддерживает протекание . Так как внутренний ток базы направлен встречно внешнему, то зависимость 
переходит через нуль (переворот фазы, меняется направление тока базы).
В активном режиме (область I, рисунок 7.35) ток коллектора 
, и увеличивается с ростом напряжения более сильно, чем в схеме с ОБ. Это обусловлено более сильным влиянием эффекта Эрли на коэффициент В, чем на в схеме ОБ. Дифференциальное выходное сопротивление в схеме с ОЭ имеет вид:
;
. (7.55)
Выходное сопротивление в схеме ОЭ на два – полтора порядка ниже, чем в схеме ОБ и составляет десятки и сотни килоом. Зависимость 
и 
аналогична этим зависимостям для схемы с общей базой (рисунок 7.30).
В режиме насыщения (область II, рисунок 7.35) коллекторный переход смещен в прямом направлении 
. Ток коллектора определяется алгебраической суммой тока коллектирования и тока инжекции:
, (7.56)
где 
; 
; 
.
Напряжение 
составляет доли вольта или десятки милливольт, что обеспечивает малые потери транзисторного ключа в открытом состоянии.
Как и в схеме ОБ, при больших токах коллектора предельное напряжение ограничивается тепловой гиперболой (7.50): 
.
Передаточная характеристика. В схеме с общим эмиттером это зависимость 
. Она аналогична передаточной характеристике в схеме с ОБ (рисунок 7.31), но обладает большей нелинейностью в связи с большей чувствительностью 
.
Характеристика обратной связи. Это зависимость 
. В отличие от схемы ОБ при увеличении коллекторного напряжения напряжение на эмиттере увеличивается. Такое поведение объясняется увеличением концентрации дырок p(0) из-за сужения толщины базы (рисунок 7.34) при постоянном токе базы.