Біполярний транзистор КТ3107

Дане одному з електродів транзистора назву «емітер» підкреслює, що відбувається інжекція дірок з емітера в базу.
За рекомендованої термінології емітером слід називати область тран зистор, призначенням якої є інжекція носіїв заряду в базу. Кількість лектором називають область, призначенням якої є екстракція носіїв заряду з бази. А базою є область, в яку инжектируются емітером неосновні для цієї області носії заряду.
Слід зазначити, що емітер і колектор можна поміняти місцями (так званий інверсний режим). Але в транзисторах, як правило, колекторний перехід робиться зі значно більшою площею, ніж емітерний перехід, тому що потужність, що розсіюється в колекторному переході, набагато більше, ніж розсіює в емітерний. Тому якщо використовувати емітер в якості колектора, то транзистор буде працювати, але його можна застосовувати тільки при значно меншої потужності, що недоцільно. Якщо площі переходів зроблені однаковими (транзистори в цьому випадку називають сим загсі), то будь-яка з крайніх областей може з однаковим успіхом працювати в якості емітера або колектора.
Оскільки в транзисторі струм емітера завжди дорівнює сумі струмів колектора і бази, то збільшення струму емітера також завжди дорівнює сумі збільшень колекторного і базового струмів:
(4.3)
Важливою властивістю транзистора є приблизно лінійна залежність між його струмами, тобто всі три струму транзистора змінюються приблизно пропорційно один одному. Нехай, для прикладу, = 10 мА, = 9,5 мА, = 0,5 мА. Якщо струм емітера збільшиться, наприклад, на 20% і стане рівним 10 + 2 = 12 мА. то інші струми зростуть також на 20%:   = 0,5 + 0.1 = 0,6 мА і = 9,5 + 1,9 = 11,4 мА, так як завжди повинно бути виконано рівність (4.2), тобто 12 мА = 11,4 мА + 0,6 мА.
А для збільшення т кайданів справедливо рівність (4.3) т. Е.
2 мА = 1,9 мА + 0,1 мА.
Ми розглянули фізичні явища в транзисторі типу р-п-p.
Роботу транзистора можна наочно представити за допомогою потенційної діаграми, яка показана на рис. 4-2 для транзистора типу р-np.

Рис. 4-2. Потенційна діаграма транзистора
Цю діаграму зручно використовувати для створення механічної моделі транзистора. Потенціал емітера прийнятий за нульовий. У емітерний перехід є невеликий потенційний бар'єр. Чим більша напруга , Тим нижче цей бар'єр. Колекторний перехід має значну різницю потенціалів, що прискорює рух дірок. У механічної моделі кульки, аналогічні діркам, за рахунок своїх власних швидкостей піднімаються на бар'єр, аналогічний емітерного переходу, проходять через область бази, а потім прискорено скочуються з гірки, аналогічної колекторного переходу.
Крім розглянутих основних фізичних процесів в транзисторах доводиться враховувати ще ряд явищ.
Істотний вплив на роботу транзисторів чинить опір бази , Тобто опір, який база надає току бази . Цей струм протікає до висновку бази в напрямку, перпендикулярному напрямку емітер - колектор. Так як база дуже тонка, то в напрямку від емітера до колектора, тобто для струму , Її опір дуже мало і не береться до уваги. А в напрямку до висновку бази опір бази (Його називають поперечним) досягає сотень Ом, так як в цьому напрямку база аналогічна дуже тонкому провіднику. Напруга на емітерний перехід завжди менше, ніж напруга , Між висновками бази і емітера, так як частина напруги, що підводиться втрачається на опорі бази. З урахуванням опору можна зобразити еквівалентну схему транзистора для постійного струму так, як це зроблено на рис. 4-3. На цій схемі - Опір емітера, в яке входять опір емітерного переходу і емітерний області. Значення у малопотужних транзисторів досягає десятків Ом. Це випливає з того, що напруга на емітерний перехід не перевищує десятих вольта, а струм емітера в таких транзисторах становить одиниці міліампер. У більш потужних транзисторів більше і відповідно менше. Наближено визначається формулою (в Омах)
(4.4)
де струм , Виражається в міліамперах.
Опір колектора представляє собою практично опір колекторного переходу і складає одиниці і десятки кіло. У нього входить також опір колекторної області, але воно порівняно мало і їм можна знехтувати.
Схема на рис (4-3) є дуже наближеною, так як насправді емітер, база і колектор мають між собою контакт не в одній точці, а в безлічі точок по всій площі переходів.


r ЕО   r до
r Бо

      E 1 E 2
Рис (4-3) Еквівалентна схема транзистора для постійного струму
При підвищенні напруги на колекторному переході в ньому відбувається лавинне розмноження носіїв заряду, що є головним чином результатом ударної іонізації. Це явище і тунельний, ефект можуть викликати електричний пробій, який при зростанні струму може перейти в тепловий пробій переходу.
Зміна напружень на колекторному і емітерний переходах супроводжується зміною товщини цих переходів. У результаті змінюється товщина бази. Таке явище називають модуляцією товщини бази. Його особливо треба враховувати при підвищенні напруги колектор - база, так як тоді товщина колекторного переходу зростає, а товщина бази зменшується. При дуже тонкої базі може відбутися ефект змикання («прокол» бази) - з'єднання колекторного переходу з емітерний. У цьому випадку область бази зникає, і транзистор перестає нормально працювати.
При збільшенні інжекції носіїв з емітера в базу відбувається накопичення неосновних носіїв заряду в базі. тобто збільшення концентрації і сумарного заряду цих носіїв. Навпаки, при зменшенні інжекції відбувається зменшення концентрації і сумарного заряду неосновних носіїв в ній. Цей процес називають розсмоктуванням носіїв заряду в базі.
У ряді випадків необхідно враховувати перебіг по поверхні транзистора струмів витоку, що супроводжується рекомбінацією носіїв у поверхневому шарі областей транзистора.
Встановимо співвідношення між струмами в транзисторі. Струм емітера управляється напругою на емітерний перехід, але до колектора доходить трохи менший _струм, який можна назвати керованим колекторним струмом, так як частина інжектованих з емітера в базу носіїв рекомбінує. Тому
(4.5)
де - Коефіцієнт передачі струму емітера, що є основним параметром транзистора: він може мати значення від 0,950 до 0,998.
Чим слабкіше рекомбінація інжектованих носіїв у базі, тим ближче до 1. Через колекторний перехід, завжди проходить ще дуже невеликий (не більше одиниць мікроампер) некерований зворотний струм (Рис. 4-4), званий початковим струмом колектора. Він некерований тому, що не проходить через емітерний перехід. Таким чином, повний колекторний струм
(4.6)
У багатьох випадках , І можна вважати, що . Якщо треба виміряти, то це роблять при обірваному дроті емітера. Дійсно, з формули (4.6) випливає, що при струм .
Перетворимо вираз (4.6) так, щоб виразити залежність струму від струму бази Замінимо , Сумою : Де: - Струм колектора
-Струм бази
-Струм емітера
Рис. 4-4. Струми в транзисторі
Вирішимо рівняння щодо .
Тоді отримаємо:

Позначимо:
і
і напишемо остаточний вираз
(4.7)
Тут є коефіцієнтом передачі струму бази і становить десятки одиниць. Наприклад, якщо = 0,95, то

а якщо коефіцієнт = 0,99, тобто збільшився на 0,04, то

т. е. збільшується в 5 з лишком разів!
Таким чином, незначні зміни призводять до великих змін . Коефіцієнт так само, як і , Належить до важливих параметрах транзистора. Якщо відомий то можна завжди визначити за формулою
                              (4.8)
Струм називають початковим наскрізним струмом, так як він протікає крізь весь транзистор (через три його області і через обидва np-переходу) в тому випадку, якщо , Тобто обірваний провід бази. Дійсно, з рівняння (4.7) при отримуємо . Цей струм складає десятки або сотні мікроампер і значно перевершує початковий струм колектора . Струм , І, знаючи, що , Неважко знайти . А так як , То
(4.9)
Значний струм пояснюється тим, що деяка невелика частина напруги прикладена до емітерного переходу в якості прямої напруги. Внаслідок цього зростає струм емітера, а він у даному випадку і є наскрізним струмом.
При значному підвищенні напруги , Струм різко зростає і відбувається електричний пробій. Слід зазначити, що якщо , Не дуже мало, при обриві ланцюга бази іноді в транзисторі може спостерігатися швидке, лавиноподібне збільшення струму, що приводить до перегріву і виходу транзистора з ладу (якщо в колі колектора немає резистора, що обмежує зростання струму). У цьому випадку відбувається наступний процес: частина напруги , Діюча на емітерний перехід, збільшує струм , І рівний йому струм , На колекторний перехід надходить більше носіїв, його опір і напруга на ньому зменшуються і за рахунок цього зростає напруга на емітерний перехід, що призводить до ще більшого збільшення струму, і т. д. Щоб цього не сталося, при експлуатації транзисторів забороняється розривати ланцюг бази , якщо не вимкнено харчування ланцюга колектора. Треба також спочатку включити харчування ланцюга бази, а потім ланцюга колектора, але не навпаки.
Якщо треба виміряти струм , То в ланцюг колектора обов'язково включають обмежувальний резистор і проводять вимірювання при розриві дроту бази.

3. Статичні характеристики біполярного транзистора.
Схема з загальною базою
У залежності від того, який електрод транзистора є загальним для вхідного і вихідного сигналів, розрізняють три схеми включення транкзістора: загальною базою (ПРО) із загальним емітером (ОЕ) і з загальним колектором (ОК).

r ЕО   r до
r Бо

     
E 1 E 2
Рис. 5
Вхідні характеристики транзисторів у схемі з загальною базою при визначаються залежністю (5):
(5)
При великому зворотній напрузі колектора ( ) Струм мало залежить від колекторного напруги. На рис. 5-1, а показані реальні вхідні характеристики крем'яного транзистора. Вони відповідають теоретичної залежності (5.1), підтверджується і висновок про слабкий вплив колекторного напруги на струм емітера.

Рис 5-1
Вхідна статична характеристика при U _КБ = 0 (нульова) подібна звичайній характеристиці напівпровідникового діода, включеного в прямому напрямку. При подачі негативного колекторного напруги вхідна характеристика зміщується вліво. Це свідчить про наявність в транзисторі внутрішнього зворотного зв'язку. Зворотній зв'язок виникає в основному через опір бази. У схемі з ПРО опір бази є загальним для вхідний і вихідний ланцюгів.
При подачі або збільшенні колекторного напруги з'являється або збільшується I _КБo. Крім цього зменшується Iе.рек, тому що при збільшенні колекторного напруги відбувається розширення колекторного переходу і ширина бази зменшується. Тому напруга Uеб, прикладена до емітер, при збільшенні Uкб зростає, що й пояснює збільшення струму емітера і зсув вліво вхідний статичної характеристики транзистора, включеного за схемою із загальною базою.
Вихідні, або колекторні, статичні характеристики являють собою залежності Ik = f (Uкб) при Iе = const. Незважаючи на те, що напруга на колекторі для транзистора pn-р негативно, характеристики для зручності прийнято зображати у позитивних осях координат. Нульова вихідна характеристика (I _Е = 0) є звичайною характеристикою діода, включеного в зворотному напрямку. Збільшення струму емітера веде до зсуву вихідної характеристики.
Як відомо, при появі струму емітера струм колектора збільшується на величину I _K = αIе ~ Iе. Струм I _K можна розглядати як штучно створений додатковий струм неосновних носіїв колекторного переходу.
Тому на підставі формули (5.1), де I ₀ = Ik, можна стверджувати, що будь-яка вихідна характеристика транзистора з (ПРО) представляє собою ВАХ напівпровідникового діода, зміщену по осі зворотного струму на величину Ік.
(5.1)
Початкова область вхідних характеристик, побудована відповідно до теоретичної залежністю (5.1), показано на рис. (5-1 а) великим масштабом (в колі). Відзначено струми I ₁₁ і I _12, а також емітерний струм закритого транзистора.
Вхідні характеристики кремнієвого транзистора показані на pіc. 5-1, б. Вони зміщені від нуля в бік прямих напруг; як і у кремнієвого діода, зсув дорівнює 0,6-0,7 В. По відношенню до вхідних характеристиках германієвого транзистора зсув складає 0,4 В.
Вихідні характеристики.
Теоретичні вихідні характеристики транзистора в схемі із загальною базою при I _Е = const визначаються залежністю (5.2):
(5.2)
Вони представлені на рис. 5-2, а. Вправо по горизонтальній осі прийнято відкладати робоче, тобто зворотне, напруга колектора (негативне для транзисторів типу р-n-р і позитивне для транзисторів типу n-р-n). Значення викликаного при цьому струму колектора відкладають по вертикальній осі вгору. Такий вибір осей координат вигідний тим, що область характеристик, відповідна робочим режимам, розташовується при цьому в першому квадранті, що зручно для розрахунків.
Якщо струм емітера дорівнює нулю, то залежність представляє собою характеристику електронно-діркового переходу: в ланцюзі колектора протікає невеличкий власний зворотний струм I _Ко.
При прямій напрузі колектора струм змінює напрямок і різко зростає - відкривається колекторний перехід (з метою наочності на рис. 5-2 для позитивних напруг узятий більший масштаб).

Рис 5-2
Якщо ж у ланцюзі емітера створений певний струм I _е, то вже при нульовій напрузі колектора в його ланцюзі відповідно протікає струм I _к = I ^_'е. обумовлений інжекцією дірок з емітера. Оскільки цей струм викликається градієнтом концентрації дірок в базі, для його підтримки колекторного напруги не потрібно. Рис 5-3
При подачі на колектор зворотної напруги струм його дещо зростає за рахунок появи власного струму колекторного переходу I _КБ0 і деякого збільшення коефіцієнта переносу v, викликаного зменшенням товщини бази.
При подачі на колектор прямого напруги з'являється прямий струм колекторного переходу. Так як він тече назустріч току інжекції I _е, то результуючий струм в ланцюзі колектора із зростанням прямої напруги до величини U _{K 0} швидко зменшується до нуля, потім при подальшому підвищенні прямої напруги колектора набуває зворотне напрямок і починає швидко зростати.
Якщо збільшити струм емітера до значення , То характеристика зміститься пропорційно вгору на величину
На рис. 5-2, б представлені реальні вихідні характеристики транзистора КТ3107, вони мають такий же вигляд, як і теоретичні, з урахуванням поправок.
Коефіцієнт передачі струму емітера. Як показує досвід, коефіцієнт передачі струму залежить від величини струму емітера (рис. 5 -)
З ростом струму емітера збільшується напруженість внутрішнього поля бази, рух дірок на колектор стає більш спрямованим, в результаті зменшуються рекомбінаційні втрати на поверхні бази, зростає коефіцієнт переносу , А отже, і . При подальшому збільшенні струму емітера знижується коефіцієнт інжекції і ростуть втрати на об'ємну рекомбінацію, тому коефіцієнт передачі струму починає зменшуватися.
У цілому залежність коефіцієнта передачі струму від струму емітера в малопотужних транзисторах незначна, у чому можна переконатися, звернувши увагу на масштаб по вертикальній осі рис. (5-3).
У транзисторах, що працюють при високій щільності струму, спостерігається значне падіння напруги вздовж бази, обумовлене струмом бази; в результаті напруга в точках емітерного переходу, віддалених від виведення бази, виявляється помітно меншим, ніж у довколишніх. Тому емітерний струм концентрується по периметру емітера ближче до висновку бази, ефективна площа емітера виходить менше, ніж при рівномірній інжекції, і коефіцієнт швидко падає з ростом струму емітера.
Для ослаблення зазначеного явища застосовують електроди, що мають високе відношення довжини периметра до площі: кільцеві й гребенчаті.
Схема з загальним емітером
Раніше були розглянуті статичні характеристики транзистора, включеного за схемою із загальною базою, коли загальна точка вхідний і вихідний ланцюгів знаходиться на базовому електроді. Іншою поширеною схемою включення транзистора є схема з загальним емітером, в якій загальна точка вхідний і вихідний ланцюгів з'єднана (рис. 5-4).
Вхідною напругою у схемі з загальним емітером є напруга бази вимірюване щодо емітерного електрода. Для того щоб емітерний перехід був відкритий, напруга бази має бути негативним (розглядається транзистор типу р-n-р).
Вихідним напругою у схемі з загальним емітером є напруга колектора вимірюване щодо емітерного електрода. Для того щоб колекторний перехід був закритий, напруга колектора повинно бути більшим за величиною, ніж пряме напруга бази.
Відзначимо, що в схемі з загальним емітером в робочому режимі, коли транзистор відкритий, полярність джерел живлення бази і колектора однакова.     

                            
r Бо r до
r ЕО

     
E 1 E 2
Рис. 5-4
Вхідні характеристики. Вхідні характеристики транзистора в схемі з загальним емітером представляють собою залежність струму бази від напруги при ;
Струм колектора дорівнює: Ік = Iкбо + ​​h21БIе
Виключивши струм емітера, отримаємо:
Ік = Iкбо / (1 + h21Б) - h21Б / (1 + h21Б) * IБ (5.4)
Перший член називається зворотним струмом колектор - емітер при струмі бази = 0, тобто розімкнутої базе.Етот струм позначають Iкео. Таким чином:
Iкео = Iкбо / (1 + h21Б) (5.5)
Так як коофічент h21Б негативний, а за абсолютною величиною дуже близький до одиниці і може досягати 0,980 - 0,995, струм Iкео в 50-200 разів більше струму Iкбо.
Множник при другому члені в рівнянні (5.4) є коофіцінтом передачі струму в схемі з ОЕ в режимі великих сигналів:
h21Е =- h21Б / (1 + h21Б) (5.6)
Висловимо коофіцент h21Б через струми Ік, Iе, і Iкбо:
h21Б =- (Ік - Iкбо) / Iе (5.7)
Підставивши цей вираз в рівняння (5.6), отримаємо:
h21Е = (Ік - Iкбо) / (IБ + Iкбо) (5.8)
Коли струм колектора Ік великий у порівнянні зі струмом Iкбо,
h21Е ≈ Ік / IБ (5.9)
У реальному транзисторі додаються струми витоку і термотокі переходів, тому зворотний струм бази закритого транзистора
(5.10)
Вхідні характеристики транзистора показані на рис. 5-5. При зворотній напрузі бази і колектора, тобто в закритому транзисторі, відповідно до виразу (5.10), струм бази є в основному власним струмом колекторного переходу . Тому при зменшенні зворотної напруги бази до нуля струм бази зберігає свою величину: .
При подачі прямої напруги на базу відкривається емітерний перехід і в ланцюзі бази з'являється рекомбінаційних складова струму . Струм бази в цьому режимі відповідно до вираження ; При збільшенні прямої напруги він зменшується спочатку до нуля, а потім змінює напрямок і зростає майже експоненціально.

Рис 5-5 Рис 5-6
Коли на колектор подано велика зворотна напруга, воно має незначний вплив на вхідні характеристики транзистора. Як видно з рис. 5-5, при збільшенні зворотної напруги колектора вхідна характеристика лише злегка зміщується вниз, що пояснюється збільшенням струму поверхневої провідності колекторного переходу і термотока.
При напрузі колектора, що дорівнює нулю, струм у вхідному ланцюзі значно зростає в порівнянні з робочим режимом , Тому що прямий струм бази в даному випадку проходить через два паралельно включених переходу-колекторний і емітерний. У цілому рівняння (5.12) досить точно описує вхідні характеристики транзистора в схемі з загальним емітером, але для кремнієвих транзисторів краще збіг виходить, якщо .
Коефіцієнт передачі струму бази. Знайдемо залежність струму колектора від струму бази за допомогою виразів:
,
або (5.12)
Величина (5.13)
називається коефіцієнтом передачі струму бази. Оскільки коефіцієнт передачі струму емітера   близький до одиниці, значення зазвичай лежить в межах від 10 до 1000 і більше.
Коефіцієнт передачі струму бази суттєво залежить і від струму емітера (рис. 5-6). З ростом струму емітера коефіцієнт передачі струму бази спочатку підвищується внаслідок збільшення напруженості внутрішнього поля бази, що прискорює перенесення дірок через базу до колектора і цим зменшує рекомбінаційні втрати на поверхні бази.
При значній величині струму емітера коефіцієнт передачі струму бази починає падати за рахунок зниження коефіцієнта інжекції, зменшення ефективної площі емітера і збільшення рекомбінаційних втрат в обсязі бази.
Перераховані причини обумовлюють, як вказувалося, невелику залежність коефіцієнта передачі струму емітера а від струму емітера I _е. (див. рис.5-3). Але коефіцієнт передачі струму бази при зміні струму емітера може змінюватися в кілька разів, оскільки у виразі (5.13) в знаменнику стоїть різниця близьких величин .
Ввівши позначення для коефіцієнта передачі струму бази у вираз (5.12), отримаємо основне рівняння, що визначає зв'язок між струмами колектора і бази у схемі з загальним емітером:
(5.14)
Вихідні характеристики. Вихідні характеристики транзистора в схемі з загальним емітером при визначаються співвідношенням (5.14) і зображені на рис. 5-7. Мінімально можлива величина колекторного струму виходить в тому випадку, коли закриті обидва переходу - і колектора бази в цьому випадку відповідно до виразу (5.10)
(5.15)
де - Струм емітера закритого транзистора. Рис. 5-7
Струм колектора закритого транзистора відповідно до виразами (5.14) і (5.15)
(5.16)
Зважаючи на малість струму ця характеристика не видно, вона збігається з віссю напруг.
При струмі бази, що дорівнює нулю, що має місце при невеликому прямій напрузі бази, коли рекомбінаційних складова струму бази дорівнює зворотному струму колекторного переходу . колекторний струм у відповідності з виразом (5.14)
(5.17)
Зі зростанням колекторного напруги помітно збільшення цього струму внаслідок збільшення коефіцієнта передачі струму бази .
При струмі бази   вихідна характеристика транзистора зміщується вгору на величину . Відповідно вище йдуть характеристики при великих струмах бази , і т. д. Зважаючи залежності коефіцієнта передачі струму бази від струму емітера відстань по вертикалі між характеристиками не залишається постійним: спочатку вона зростає, а потім зменшується.
При зниженні колекторного напруги до величини, меншої напруги бази, відкривається колекторний перехід, що повинно було б спричинити за собою збільшення струму бази, але за умовою він повинен бути постійним. Для підтримки струму бази на заданому рівні доводиться знижувати напругу бази, що супроводжується зменшенням струмів емітера і колектора, тому вихідні характеристики при мають різкий спад. Транзистор переходить у режим насичення, при якому неосновні носії заряду інжектуються в базу не тільки емітерний, але і колекторним переходом Ефективність управління колекторним струмом при цьому істотно знижується, коефіцієнт передачі струму бази різко зменшується.
Як показано на рис. 5-7 великим масштабом в окружності, вихідна характеристика при наявності струму бази не проходить через початок координат.
При дуже напружених Uке спостерігається різке падіння колекторного струму із зменшенням напруги Uке і незалежність струму колектора від струму бази. При цьому транзистор входить у режим насичення, який характеризується тим, що при малих напругах колектор - емітер обидва p-n переходу, як емітерной, так і колекторний, виявляються зміщені в прямому напрямі.
Відзначимо, що напруга Uке, при якому настає насичення, дуже невелика у кремнієвого транзистора. Наприклад, напруга насичення Uке може бути рівним =- 0,2 (В) при UБе =- 0,9 (В) і Uкб = +0,7 (В) і тільки при дуже великих струмах бази і колектора напругу насичення Uке нас = 0,5-1В
Для розрахунку транзисторних схем іноді застосовують вихідні характеристики, зняті при постійній напрузі бази. Вони відрізняються від розглянутих характеристик, що знімаються при постійному струмі бази, більшою нерівномірністю відстаней по вертикалі між сусідніми характеристиками, зумовленої експоненційної залежністю між напругою і струмом бази.
Схема з загальним колектором. (Емітерний повторювач)
На рис. (5.8) показана схема з загальним колектором (ОК).

RБ Rк
Rr C VT
Се
U п

Rе Rн
Рис. (5-8)
Схема називається емітерних повторювачем, тому що напруга на емітер по полярності совподает з напругою на вході і близько до нього за значенням.
Якщо опір навантаження мало і виконується умова h22е │ Rн │ «1 (5.18) в цьому випадку можна принебречь не тільки струмом ланцюга h22е, але і ЕРС генератора h22е U ке.
Коефіцієнт передачі струму. Відповідно до еквівалентною схемою коефіцієнт передачі струму КI =- Iе / IБ = (ІБ + h21еIБ) / IБ = h21е +1 (5.19)
Вихідна сопративление. Струм емітера Iе =- (ІБ + h21еIБ) =- (1 + h21е) IБ. (5.20)
Вихідний опір емітерного повторювача залежить від опору генератора і мало, коли опір генератора мало в порівнянні з h11е. Мала вихідний опір емітерного повторювача є його цінним властивістю. Завдяки цій властивості його вихідний опір еквівалентно генератору напруги, яке мало змінюється при зміні опору навантаження.


4. Аналіз еквівалентних схем біполярного транзистора.
Всі параметри можна розділити на власні (або первинні) і вторинні. Власні параметри характеризують властивості самого транзистора незалежно від схеми його включення, а вторинні параметри для різних схем включення різні.
ά Іе
r ЕО   r до
r Бо

     
E 1 E 2
Рис. 6-1. Еквівалентна Т-образна схема транзистора в схемі з ПРО.
В якості власних параметрів крім знайомого нам коефіцієнта посилення по току приймають деякі опору відповідно до еквівалентною схемою транзистора для змінного струму (рис. 6-1). Ця схема, звана Т-образної, відображає електричну структуру транзистора і враховує його підсилювальні властивості. Як у цій, так і в інших еквівалентних схемах слід розуміти, що на вхід включається джерело підсилюються коливань, створює вхідна напруга з амплітудою , А на вихід - навантаження R _H. Тут і надалі для змінних струмів і напруг будуть, як правило, вказані їх амплітуди. У багатьох випадках вони можуть бути замінені діючими, а іноді і миттєвими значеннями.
Основними первинними параметрами є опору , і , М. тобто опору емітера, колектора і бази для змінного струму. Опір , Являє собою опір емітерного переходу, до якого додається опір емітерний області. Подібно до цього є сумою опорів колекторного переходу і колекторної області, але останнє дуже мало в порівнянні з опором переходу. А опір є поперечний опір бази.
У схемі на рис. 6-1, а посилене змінну напругу на виході виходить від деякого еквівалентного генератора, включеного в ланцюг колектора; ЕРС цього генератора пропорційна току емітера .
Еквівалентний генератор треба вважати ідеальним, а роль його внутрішнього опору виконує опір . Як відомо. ЕРС будь-якого генератора дорівнює добутку його струму короткого замикання на внутрішній опір. У даному випадку струм короткого замикання дорівнює , Так як при , Тобто при короткому замиканні на виході. Таким чином, ЕРС генератора дорівнює .
Замість генератора ЕРС можна ввести в схему генератор струму. Тоді виходить найбільш часто застосовувана еквівалентна схема (рис. 6-1, б). У ній генератор струму створює струм, рівний . Значення первинних параметрів приблизно наступні. Опір , Складає десятки Ом, - Сотні Ом, а - Сотні кіло і навіть одиниці мегаом. Зазвичай до трьом опорам як четвертого власного параметра додають ще . Розглянута еквівалентна схема транзистора придатна тільки для низьких частот. На високих частотах необхідно враховувати ще ємності емітерного і колекторного переходів, що призводить до ускладнення схеми.


βIБ

                        r Бо r до
r ЕО

     
E 1 E 2
Рис. 6-2. Еквівалентна Т-образна схема транзистора, включеного за схемою ОЕ
Еквівалентна схема з генератором струму для транзистора, включеного за схемою ОЕ. показана на рис. 6-2. У ній генератор дає струм , А опір колекторного переходу в порівнянні з попередньою схемою значно зменшилася і одно або, наближено якщо врахувати. що і . Зменшення опору колекторного переходу у схемі ОЕ пояснюється тим, що в цій схемі деяка частина напруги прикладена до емітерного переходу і підсилює в ньому інжекції. Внаслідок цього значна кількість інжектованих носіїв приходить до колекторна, переходу і його опір знижується.
Перехід від еквівалентної схеми ПРО до схеми ОЕ можна показати наступним чином. Напруга, що створюється будь-яким генератором, дорівнює різниці між ЕРС і падінням напруги на внутрішньому опорі. Для схеми за рис. 6-1, а це буде

Замінимо тут на суму . Тоді отримаємо

У цьому виразі перший доданок являє собою ЕРС, а другий доданок є падіння напруги від струму на опорі , Яке є опором колекторного переходу. А струм короткого замикання, створюваний еквівалентним генератором струму, дорівнює відношенню ЕРС до внутрішнього опору, тобто

Розглянуті Т-образні еквівалентні схеми є наближеними, тому що насправді емітер, база і колектор з'єднані один з одним усередині транзистора не в одній точці. Але тим не менш використання цих схем для вирішення теоретичних і практичних завдань не дає значних похибок.

5. Н - параметри біполярного транзистора.
В даний час основними вважаються змішані (або гібридні) параметри, що позначаються літерою h або H. Назва «змішані» дана тому, що серед них є дві відносні величини, одне опір і одна провідність. Саме h-параметри наводяться у всіх довідниках. Параметри системи h зручно вимірювати. Це дуже важливо, тому що публікуються в довідниках параметри є середніми, отриманими в результаті вимірювань параметрів декількох транзисторів даного типу. Два з h-параметрів визначаються при короткому замиканні для змінного струму на виході, тобто за відсутності навантаження у вихідному ланцюзі. У цьому випадку на вихід транзистора подається тільки постійна напруга (U ₂ = const) від джерела Е _2. Решта два параметри визначаються при розімкнутому для змінного струму вхідного ланцюга, тобто коли у вхідному ланцюзі є тільки постійний струм (I ₁ = const), створюваний джерелом живлення. Умови U ₂ = const і I ₁ = const неважко здійснити на практиці при вимірюванні h-параметрів.

I1 I2

U1 U2
Рис. 7-1.
Схема транзистора, представленого у вигляді активного чотириполюсника.
У систему h-параметрів входять такі величини.
Вхідний опір
при U ₂ = const (7.1)
являє собою опір транзистора між вхідними затискачами для змінного вхідного струму при короткому замиканні на виході, тобто при відсутності вихідного змінної напруги.
За такої умови зміна вхідного струму є результатом зміни тільки вхідної напруги . А якби на виході було змінну напругу, то воно за рахунок зворотного зв'язку, що існує в транзисторі, впливало б на вхідний струм. У результаті вхідний опір виходило би різним в залежності від змінної напруги на виході, яке, у свою чергу, залежить від опору навантаження R _H. Але параметр повинен характеризувати сам транзистор (незалежно від R _H), і тому він визначається при u ₂ = const, тобто при R _H = 0.
Коефіцієнт зворотного зв'язку по напрузі
при (7.2)
показує, яка частка вихідного змінної напруги передається на вхід транзистора внаслідок наявності в ньому внутрішнього зворотного зв'язку.
Умова в даному випадку підкреслює, що у вхідний ланцюга немає змінного струму, тобто цей ланцюг розімкнута для змінного струму, і, отже, зміна напруги на вході , Є результат зміни тільки вихідної напруги .
Як вже зазначалося, в транзисторі завжди є внутрішня зворотний зв'язок за рахунок того, що електроди транзистора мають електричне з'єднання між собою, і за рахунок опору бази. Цей зворотний зв'язок існує на будь-який низькій частоті, навіть при f = 0, тобто на постійному струмі.
Коефіцієнт посилення по струму (коефіцієнт передачі струму)
при U ₂ = const (7.3)
показує посилення змінного струму транзистором в режимі роботи без навантаження.
Умова U ₂ = const, тобто R _H = 0, і тут задається для того, щоб зміна вихідного струму залежало тільки від зміни вхідного струму . Саме при виконанні такої умови параметр буде дійсно характеризувати посилення струму самим транзистором. Якби вихідна напруга змінювалося, то воно впливало б на вихідний струм і по зміні цього струму вже не можна було б правильно оцінити посилення.
Вихідна провідність
при (7.4)
являє собою внутрішню провідність для змінного струму між вихідними затискачами транзистора.
Струм повинен змінюватися тільки під впливом зміни вихідної напруги і _2. Якщо при цьому струм , Не буде постійним, то його зміни викличуть зміни струму і значення h ₂₂ буде визначено неправильно.
Величина h ₂₂ вимірюється в Сіменса (S). Так як провідність в практичних розрахунках застосовується значно рідше, ніж опір, то в подальшому ми часто будемо користуватися замість h ₂₂ вихідним опором , Вираженим у Омах або кілоОмах.

6. Робота біполярного транзистора на високих частотах.
З підвищенням частоти посилення, що дається транзисторами, знижується. Є дві головні причини цього явища. По-перше, на більш високих частотах шкідливо впливає ємність колекторного переходу . Простіше за все розглянути цей вплив на еквівалентній схемі з генератором струму, показаної для схеми ПРО на рис. 8-1.

Рис. 8-1. Еквівалентна схема транзистора з урахуванням ємностей переходів
На низьких частотах опір місткості дуже велике, також дуже велике (зазвичай ) І можна вважати, що весь струм йде в навантажувальний резистор, т. е. . Але на деякій високій частоті опір ємності стає порівняно малим і в неї відгалужується помітна частина струму, створюваного генератором, а струм через відповідно зменшується. Отже, зменшуються , , , Вихідна напруга і вихідна потужність.
Якщо уявити собі, що частота прагне до нескінченності, то опір ємності прагне до нуля, тобто створює коротке замикання для генератора і весь його ток піде через , А в навантаженні струму взагалі не буде. До подібного ж результату можна прийти, якщо розглянути еквівалентну схему з генератором ЕРС.
Ємність емітерного переходу З _е також зменшує свій опір з підвищенням частоти, але вона завжди шунтований малим опором емітерного переходу і тому її шкідливий вплив може виявлятися тільки на дуже високих частотах, на яких значення виходить одного порядку з .
Сутність впливу ємності С _е. полягає в тому, що чим вище частота, тим менше опір цієї ємності, тим сильніше вона шунтирует сопротівленіe . Отже, зменшується змінну напругу на емітерний перехід, адже саме воно керує струмом колектора. Відповідно зменшується ефект від посилення. Якщо частота прагне до нескінченності, то опір прагне до нуля і напруга на емітерний перехід також знизиться до нуля. Практично на менш високих частотах ємність , Яка шунтований дуже великим опором колекторного переходу . Вже настільки сильно впливає, що робота транзистора на більш високих частотах, на яких могла б впливати ємність С _е. стає недоцільною. Тому вплив ємності С _е. в більшості випадків можна не розглядати. Отже, внаслідок впливу ємності С _до на високих частотах зменшуються коефіцієнти посилення і .
Другою причиною зниження підсилення на більш високих частотах є відставання по фазі змінного струму колектора від змінного струму емітера. Воно викликане инерционностью процесу переміщення носіїв через базу від емітерного переходу до колекторному, а також инерционностью процесів накопичення та розсмоктування заряду в базі. Носії, наприклад дірки в транзисторі типу p-n-p. здійснюють в базі дифузійне рух, і тому швидкість їх не дуже велика. Час пробігу носіїв через базу у звичайних транзисторах 10 ^-7 с, тобто 0,1 мкс і менше. Звичайно, це час дуже не велике, але на частотах у одиниці, десятки мегагерц і вище воно порівнянно з періодом коливань і викликає помітний фазовий зсув між струмами колектора і емітера. За рахунок зсуву на високих частотах зростає змінний струм бази, а від цього знижується коефіцієнт посилення по струму .

Рис. 8-2 Рис. 8-3.
Рис. 8-2 Векторні діаграми дай струмів транзистора при різних частотах.Ріс. 8-3 Зменшення коефіцієнтів і при підвищенні частоти.
Найзручніше простежити це явище за допомогою векторних діаграм, зображених на рис. 8-2. Перша з них відповідає низькій частоті, наприклад 1 кГц, на якій всі струми практично збігаються за фазою, так як   становить мізерну частку періоду коливань. На низьких частотах має своє найбільше значення . При більш високій частоті, наприклад 1 МГц, запізнювання струму   на час щодо струму викликає помітний фазовий зсув між цими струмами. Тепер струм бази дорівнює не алгебраїчної, а геометричній різниці струмів і   і внаслідок цього він значно збільшився. Тому, навіть якщо струм   ще не зменшився за рахунок впливу ємності С _до, то коефіцієнт все ж таки стане помітно менше На ще більш високій частоті, наприклад 10 МГц, фазовий зсув зросте, струм ще більше збільшиться, а коефіцієнт зменшиться.
Таким чином, при підвищенні частоти коефіцієнт зменшується значно сильніше, ніж . Коефіцієнт Зменшує від впливу ємності С _к а на значення впливає ще і фазовий зсув між і за рахунок часу пробігу носіїв через базу. Звідси ясно, що схема ОЕ в порівнянні зі схемою ПРО має значно гіршими частотними властивостями.
Прийнято вважати граничним допустимим зменшення значень і на 30% в порівнянні з їх значеннями і на низьких частотах. Ті частоти, на яких відбувається таке зниження посилення, т. Е. На яких і , Називають граничними або граничними частотами підсилення для схем ПРО і ОЕ. Ці частоти позначають відповідно і . Оскільки зменшується набагато сильніше, ніж , То значно нижче . Можна вважати, що
На рис. (8-3) зображений приблизний графік, що показує для деякого транзистора зменшення коефіцієнтів і з підвищенням частоти, відкладеної на графіці в логарифмічному масштабі. Для зручності по вертикальній осі відкладені не самі і , А відносні величини і . Крім граничних частот посилення   і транзистор характеризується ще максимальною частотою генерації , При якій коефіцієнт підсилення по потужності   знижується до 1. Очевидно, що при , Коли , Можливе застосування даного транзистора в генераторі з самозбудженням Але якщо , То генерації коливань уже не буде.
Іноді в розрахункових формулах зустрічається також гранична частота посилення струму . яка відповідає , Тобто при цій частоті транзистор в схемі з ОЕ перестає посилювати струм.
Слід зазначити, що на високих частотах відбувається не тільки зміна значень і , Внаслідок впливу ємностей переходів і часу пробігу носіїв через базу, а також процесів накопичення та розсмоктування заряду в базі власні параметри транзистора на високих частотах змінюються і вже не є чисто активними опорами. Змінюються також і всі інші параметри.
Поліпшення частотних властивостей транзисторів, тобто підвищення їх граничних частот посилення   і , Досягається зменшенням ємності колекторного переходу З _к і часу пробігу носіїв через базу . На жаль, зниження ємності шляхом зменшення площі колекторного переходу приводить до зменшення граничного струму. тобто до зниження граничної потужності. Деяке зниження ємності С _до досягається зменшенням концентрації домішки в колекторі. Тоді колекторний перехід стає товщі, що рівноцінно збільшенню відстані між обкладками конденсатора. Ємність зменшується, і, крім того, при більшій товщині переходу збільшується напруга пробою і це дає можливість підвищити потужність. Але зате зростає опір області колектора і в ній втрати потужності будуть більше, що особливо небажано для потужних транзисторів. Для зменшення   намагаються зробити базу дуже тонкої і збільшити швидкість носіїв в ній. Але при більш тонкої базі доводиться знижувати напругу , Щоб при збільшенні товщини колекторного переходу не стався «прокол бази». Електрони при дифузії є більш рухливими, ніж дірки. Тому транзистори типу n - p - n при інших рівних умовах є більш високочастотними, ніж транзистори типу p - n - p. Більш високі граничні частоти можуть бути отримані при використанні напівпровідників, у яких рухливість носіїв вище. Збільшення швидкості пробігу носіїв через базу досягається також у тих транзисторах, у яких в базі створено електричне поле, що прискорює рух носіїв.

7. Робота біполярного транзистора в імпульсному режимі
Транзистори широко застосовуються в різних імпульсних пристроях. Робота транзисторів в імпульсному режимі, інакше званому ключовим або режимом перемикання, має ряд особливостей.
I до I Бmax
T2


I Б2
          I до max


T 1


Uк-е
Рис. 9-1. Визначення параметрів імпульсного режиму транзисторів за допомогою вихідних характеристик.
Розглянемо імпульсний режим транзистора за допомогою його вихідних характеристик для схеми ОЕ. Нехай в ланцюг колектора включений резистор навантаження . Відповідно до цього на рис. (9-1) побудована лінія навантаження. До вступу на вхід транзистора імпульсу вхідного струму або вхідного напруги транзистор знаходиться в замкнутому стані (в режимі відсічення). У цілі колектора проходить малий струм (у даному випадку наскрізний струм ) І отже, цей ланцюг приблизно можна вважати розімкнутої. Напруга джерела майже все повністю докладено до транзистора.
Якщо на вхід поданий імпульс струму , То транзистор переходить у режим насичення і працює в точці . Виходить імпульс струму колектора , Дуже близький за значенням до . Його іноді називають струмом насичення. У цьому режимі транзистор виконує роль замкнутого ключа і майже всі напруга джерела падає на , А на транзисторі є лише дуже невелике залишкову напругу в десяті частки вольта, зване напругою насичення .
Хоча напруга в точці не змінило свій знак, але на самому колекторному переході воно стало прямим, і тому точка дійсно відповідає режиму насичення. Покажемо це на наступному прикладі. Нехай є транзистор p - n - p і , А напруга на базі . Тоді на колекторі по відношенню до бази буде напруга , Тобто на колекторному переході пряму напругу 0,3 В.
Звичайно, якщо імпульс вхідного струму буде менше , То імпульс струму колектора також зменшиться. Але зате збільшення імпульсу струму бази понад практично вже не дає зростання імпульсу вихідного струму. Таким чином, можливе максимальне значення імпульсу струму колектора
(9.1)
Крім , і імпульсний режим характеризується також коефіцієнтом посилення по току В, який на відміну від визначається не через збільшення струмів, а як відношення струмів, відповідних точці :
(9.2)
Інакше кажучи, є параметром, що характеризує посилення малих сигналів, а В відноситься до посилення великих сигналів, зокрема імпульсів, і за значенням дещо відрізняється від .
Параметром імпульсного режиму транзистора служить також його опір насичення (9.3)
Значення у транзисторів для імпульсної роботи зазвичай складає одиниці, іноді десятки Ом.
Аналогічно розглянутій схемі ОЕ працює в імпульсному режимі і схема ПРО.
Рис. 9-2. Спотворення форми імпульсу струму транзистором.
Якщо тривалість вхідного імпульсу у багато разів більше часу перехідних процесів накопичення та розсмоктування зарядів в базі транзистора, то імпульс вихідного струму має майже таку ж тривалість і форму, як і вхідний імпульс. Але при коротких імпульсах, тобто якщо становить одиниці мікросекунд і менше, може спостерігатися значне спотворення форми імпульсу вихідного струму і збільшення його тривалості.
Для прикладу на рис. (9-2) показані графіки короткого імпульсу вхідного струму прямокутної форми і імпульсу вихідного струму при включенні транзистора по схемі ПРО. Як видно, імпульс колекторного струму починається з запізненням на час (Час затримки), що пояснюється кінцевим часом пробігу носіїв через базу. Цей струм наростає поступово протягом часу (Тривалості фронту), що становить помітну частину . Таке поступове збільшення струму пов'язане з накопиченням носіїв у базі. Крім того, носії, інжектованих в базу на початку імпульсу вхідного струму, мають різні швидкості і не всі відразу досягають колектора. Час + є часом включення . Після закінчення вхідного імпульсу за рахунок розсмоктування заряду, який накопичився в базі, струм продовжується якийсь час (Час розсмоктування), а потім поступово спадає протягом часу спаду . Час + є час вимикання . У результаті імпульс колекторного струму значно відрізняється за формою від прямокутного і розтягнутим у часі у порівнянні з вхідним імпульсом. Отже, сповільнюється процес включення і виключення колекторному ланцюзі, затягується час, протягом якого ця ланцюг знаходиться в замкнутому стані. Інакше кажучи, за рахунок інерційності процесів накопичення та розсмоктування заряду в базі транзистор не може здійснювати досить швидке включення і виключення, тобто не забезпечує достатню швидкодію ключового режиму.
На рис. (9-2) показаний ще графік струму бази, побудований на підставі співвідношення . Як видно, струм цей має складну форму.
Спеціальні транзистори для роботи короткими імпульсами повинні мати малі ємності і тонку базу. Як правило, це малопотужні дрейфові транзистори. Щоб швидше розсмоктувався заряд, що накопичується в базі, в неї додають у невеликій кількості домішки, що сприяють швидкої рекомбінації накопичених носіїв (наприклад, золото).

8. Математична модель біполярного транзистора.
Загальна еквівалентна схема транзистора, використовувана при отриманні математичної моделі, показана на рис.10-1. Кожен p - n-перехід представлений у вигляді діода, а їх взаємодія відображено генераторами струмів. Якщо емітерний pn-перехід відкритий, то в ланцюзі колектора буде протікати струм, дещо менший емітерного (через процес рекомбінації в базі). Він забезпечується генератором струму . Індекс N означає нормальне включення. Так як в загальному випадку можливо і інверсне включення транзистора, при якому колекторний p-n-перехід відкритий, а емітерний зміщений у зворотному напрямку і прямому колекторному току відповідає емітерний струм , В еквівалентну схему введено другий генератор струму , Де - Коефіцієнт передачі колекторного струму.
Таким чином, струми емітера і колектора в загальному випадку містять дві складові: інжектіруемую ( або ) І збирається
( або ):
, (10.1)
Емітерний і колекторний p-n-переходи транзистора аналогічні p-n-переходу діода. При роздільному підключенні напруги до кожного переходу їх вольтамперная характеристика визначається так само, як і у випадку діода. Однак якщо до одного з p-n-переходів прикласти напругу, а висновки іншого p-n-переходу замкнути між собою накоротко, то струм, що протікає через p-n-перехід, до якого прикладена напруга, збільшиться через зміни розподілу неосновних носіїв заряду в базі. Тоді:
, (10.2)
де - Тепловий струм емітерного p-n-переходу, виміряний при замкнутих накоротко висновках бази і колектора; - Тепловий струм колекторного p-n-переходу, виміряний при замкнутих накоротко висновках бази і емітера.

Рис. 10-1. Еквівалентна схема ідеалізованого транзистора
Зв'язок між тепловими струмами p-n-переходів , включених роздільно, І тепловими струмами , отримаємо з (10.1 і 10.2). Нехай . Тоді . При . Підставивши ці вирази в (10.1), для струму колектора отримаємо .
Відповідно для маємо
Струми колектора і емітера з урахуванням (10.2) приймуть вигляд

(10.3)
На підставі закону Кірхгофа струм бази дорівнює:
(10.4)
При використанні (10.1) - (10.4) слід пам'ятати, що в напівпровідникових транзисторах в самому загальному випадку справедлива рівність
(10.5)
Вирішивши рівняння (10.3) щодо , Отримаємо
(10.6)
Це рівняння описує вихідні характеристики транзистора.
Рівняння (10.3), вирішені щодо , Дають вираз, що характеризує ідеалізовані вхідні характеристики транзистора:
(10.7)
У реальному транзисторі крім теплових струмів через переходи протікають струми генерації - рекомбінації, канальні струми і струми витоку. Тому , , , як правило, невідомі. У технічних умовах на транзистори зазвичай приводять значення зворотних струмів p-n-переходів , . визначені як струм відповідного переходу при непідключеному виведення іншого переходу.
Якщо p-n-перехід зміщений у зворотному напрямку, то замість теплового струму можна підставляти значення зворотного струму, тобто вважати, що і . У першому наближенні це можна робити і при прямому зміщенні p-n-переходу. При цьому для кремнієвих транзисторів замість слід підставляти , Де коефіцієнт m враховує вплив струмів реального переходу (m = 2 - 4). З урахуванням цього рівняння (10.3), (10.5) часто записують в іншому вигляді, який більш зручний для розрахунку кіл з реальними транзисторами:
(10.8)
(10.9)
(10.10)
де .
Розрізняють три основні режими роботи біполярного транзистора: активний, відсічення, насичення.
В активному режимі один з переходів біполярного транзистора зміщений у прямому напрямку прикладеним до нього зовнішнім напругою, а інший - у зворотному напрямку. Відповідно в нормальному режимі активного в прямому напрямку зміщений емітерний перехід, і в (10.3), (10.8) напруга має знак «+». Колекторний перехід зміщений у зворотному напрямку, і напруга в (10.3) має знак «-». При інверсному включення до рівняння (10.3), (10.8) слід підставляти протилежні полярності напруг , . При цьому відмінності між інверсним і активним режимами носять тільки кількісний характер.
Для активного режиму, коли і (10.6) запишемо у вигляді
.
Враховуючи, що зазвичай і , Рівняння (10.7) можна спростити:
(10.11)
Таким чином, в ідеалізованому транзисторі струм колектора і напруга емітер-база при певному значенні струму не залежать від напруги, прикладеного до колекторного переходу. У дійсності зміна напруги змінює ширину бази через зміну розмірів колекторного переходу і відповідно змінює градієнт концентрації неосновних носіїв заряду. Так, зі збільшенням ширина бази зменшується, градієнт концентрації дірок в базі і струм збільшуються. Крім цього, зменшується ймовірність рекомбінації дірок і збільшується коефіцієнт . Для врахування цього ефекту, який найбільш сильно проявляється при роботі в активному режимі, у вираз (10.11) додають додаткове доданок
(10.12)
- Диференціальний опір замкненого колекторного p-n-переходу.
Вплив напруги на струм оцінюється за допомогою коефіцієнта зворотного зв'язку за напругою
,
який показує, у скільки разів слід змінювати напругу для отримання такого ж зміни струму , Яке дає зміну напруги . Знак мінус означає, що для забезпечення = Const збільшення напруг повинні мати протилежну полярності. Коефіцієнт досить малий ( ), Тому при практичних розрахунках впливом колекторного напруги на емітерний часто нехтують.
У режимі глибокої відсічення обидва переходу транзистора зміщені у зворотному напрямку за допомогою зовнішніх напружень. Значення їх модулів повинні перевищувати . Якщо модулі зворотних напруг прикладених до переходів транзистора виявляться менше , То транзистор також буде знаходитися в області відсічення. Однак струми його електродів виявляться більше, ніж в області глибокої відсічення.
Враховуючи, що напруги і мають знак мінус, і вважаючи, що і , Вираз (10.9) запишемо у вигляді

(10.13)
Підставивши в (10.13) значення , Знайдене з (10.8), і розкривши значення коефіцієнта А, отримаємо

(10.14)
що , А , То вирази (10.14) істотно спростяться і приймуть вид

(10.15)
де ;
З (10.15) видно, що в режимі глибокої відсічення струм колектора має мінімальне значення, рівне току одиничного p-n-переходу, зміщеного в зворотному напрямку. Струм емітера має протилежний знак і значно менше струму колектора, так як . Тому в багатьох випадках його вважають рівним нулю: .
Струм бази в режимі глибокої відсічення приблизно дорівнює струму колектора:
(10.15)
Режим глибокої відсічення характеризує замкнений стан
транзистора, в якому його опір максимально, а струми
електродів мінімальні. Він широко використовується в імпульсних пристроях, де біполярний транзистор виконує функції електронного ключа.
При режимі насичення обидва p-n-переходу транзистора за допомогою прикладених зовнішніх напружень зміщені в прямому напрямі. При цьому падіння напруги на транзисторі ( ) Мінімально і оцінюється десятками мілівольт. Режим насичення виникає тоді, коли струм колектора транзистора обмежений параметрами зовнішнього джерела енергії і при даній схемі включення не може перевищити якесь значення . У той же час параметри джерела зовнішнього сигналу взяті такими, що струм емітера істотно більше максимального значення струму в колекторному ланцюзі: .
Тоді колекторний перехід виявляється відкритим, падіння напруги на транзисторі-мінімальним і не залежних від струму емітера. Його значення для нормального включення при малому струмі ( ) Дорівнює

Для інверсного включення
(10.16)
У режимі насичення рівняння (10.12) втрачає свою справедливість. Зі сказаного ясно, що, для того щоб транзистор з активного режиму перейшов у режим насичення, необхідно збільшити струм емітера (при нормальному включенні) так, щоб початок виконуватися умова . Причому значення струму , При якому починається цей режим, залежить від струму , Що визначається параметрами зовнішнього ланцюга, в яку включений транзистор.

9. Вимірювання параметрів біполярного транзистора.
Для перевірки параметрів транзисторів на відповідність вимогам технічних умов, а також для отримання даних, необхідних для розрахунку схем, використовуються стандартні вимірювачі параметрів транзисторів, що випускаються промисловістю.
За допомогою найпростішого випробувача транзисторів вимірюються коефіцієнт посилення по струму , Вихідна провідність   і початковий струм колектора
Більш складні вимірювачі параметрів дозволяють, швидко визначивши значення , , , , транзисторів у схемах ПРО і ОЕ, оцінити, чи знаходяться данні вимірювань в межах допустимого розкиду і чи придатні випробувані транзистори до застосування за критерієм надійності.
Параметри транзисторів можна визначити також за наявними в довідниках плі знятим у лабораторних умовах характеристиками.
При визначенні параметрів зазвичай вимірюють зворотні струми колектора (Завжди) і емітера (При необхідності) у спеціальних схемах для транзисторів - підсилювачів, що працюють у вихідних каскадах, і для транзисторів - перемикачів. При вимірах малих струмів використовують високочутливі мікроамперметра, які потребують захисту від перевантажень.
Необхідно виміряти також напруги , , , , .
Напруга   вимірюють при заданому струмі обмеженому опором у колекторі, зі спостереження на екрані осцилографа ділянки вольтамперной характеристики, відповідного лавинний пробій. Можна також вимірювати величину вольтметром з падіння напруги на обмежує опорі. При цьому фіксується показання приладу в момент різкого зростання струму. Напруга вимірюється по зміні напрямку струму бази. Напруга між емітером і колектором фіксується в момент, коли струм бази (При цьому ). Величину визначають аналогічно напрузі . При знаходженні   вимірювання проводиться у схемі ОЕ в режимі насичення при заданому коефіцієнті насичення. Бажано вимірювання проводити в імпульсному режимі, щоб розсіюється транзистором потужність була мінімальною. Величина визначається аналогічно напрузі   у схемі ОЕ.

Серед параметрів, що характеризують частотні властивості транзисторів, найбільш просто виміряти величину . Для її визначення слід виміряти на частоті , В 2 - 3 рази більшою , Модуль коефіцієнта передачі струму в схемі ОЕ , Тоді . Всі частоти , Які вказуються в якості параметрів, взаємопов'язані і можуть бути обчислені.
При вимірі бар'єрної ємності колекторного переходу С _до зазвичай використовують метод порівняння з еталонною ємністю в коливальному контурі і Q-метр.
Ємність вимірюється при заданому зворотній напрузі на переході.
Важливим є вимірювання як параметр постійної часу   (Звичайно в номінальному режимі транзистора). Змінна напруга досить великої частоти (5 МГц) подається в ланцюг колектор - база і вольтметром вимірюється напруга на вході між емітером і базою. Потім у вимірювальну ланцюг замість транзистора включається еталонна ланцюжок RC. Змінюючи значення RC, домагаються тих же показань вольтметра. Отримане RC дорівнюватиме постійної транзистора.
Тепловий опір вимірюється за допомогою термочутливих параметрів ( , , ) З використанням графіків залежності цих параметрів від температури. Для потужних транзисторів найчастіше вимірюють величину   для малопотужних -
Параметр великого сигналу У вимірюється на постійному струмі (відношення / ) Або імпульсним методом (відношення амплітуд струму колектора і бази).
При вимірі h-параметрів найбільші труднощі виникають при визначенні коефіцієнта зворотного зв'язку по напрузі, . Тому зазвичай вимірюють параметри , , а потім обчислюють за формулами перерахунку значення . Вимірювання малосигнальних параметрів виробляються на частотах не більше 1000 Гц.

10. Основні параметри біполярного транзистора.
Електричні параметри.
Напруга насичення колектор-емітер при , не більше ------ 0,3 В.
Статичний коефіцієнт передачі струму в схемі з загальним емітером
при
, :
при Т = 298 К ------------ 35 - 90
при Т = 358 До ------------ 35 - 180
при Т = 228 До ------------- 15 - 90
Модуль коефіцієнта передачі струму при f = 100 МГц, ,
не більше 3.
Ємність колекторного переходу при , F = 10 МГц не більше 6 пФ
Ємність емітерного переходу при , F = 10 МГц не більше --- 8 - пФ
Зворотний струм колектора при не більше:
при Т = 228 К і Т = 298 К ------- 1 мкА
при Т = 358 До --------------------- 10 мкА
Зворотний струм колектор - емітер при ,
не більше 100 мкА
Граничні експлуатаційні дані.
Постійна напруга колектор - емітер при - 16 В
Постійна напруга база - емітер при ------------------------------ 5 В
Постійний струм колектора:
при Т = 298 К ----------------- 10 мА
при Т = 358 До ----------------- 5 мА
Імпульсний струм колектора при , ------------ 25 мА
Постійна розсіює потужність колектора:
при Т = 228 - 298 К ----------------- 1 мВт
при Т = 358 До ------------------------ 5 мВт
Імпульсна розсіює потужність колектора , 50 мВт
Температура навколишнього середовища -------------------------- Від 228 до 358 До
Максимально допустима постійна розсіює потужність колектора в мВт при Т = 298 - 358 До визначається за формулою: .

Графіки:
                                                
Рис 12-1 Вхідні характеристики.

Рис 12-2. Залежність зворотного струму колектора від температури.

Рис 12-3. Залежність статичного коефіцієнта передачі струму від напруги колектор-емітер.

Рис 12-4. Залежність статичного коефіцієнта передачі струму
від струму емітера.
11. Застосування біполярних транзисторів в електронних схемах.
Даний радіомікрофон призначений для озвучування заходів, і т. д. Пристрій працює в УКХ діапазоні на частоті 87,9 МГц, спеціально відведеній для радіомікрофонів, і його сигнали приймають на звичайний радіомовний приймач з діапазоном УКХ-2. Дальність дії радіомікрофона в межах прямої видимості - понад 200 м.
Схема і принцип дії. Схема радіомікрофона наведена на рис. 13-1. Передавач зібраний на транзисторі VT4 по однокаскадний схемою. Таке рішення для мініатюрного пристрою, яким є радіомікрофон, виправдано, оскільки використання в передавачі окремо задає генератора і вихідного каскаду приводить до зниження його економічності і зростанням габаритів.
Як відомо, частота LC-генератора, що працює в області 100 МГц, істотно залежить від напруги живлення.
Передавач містить два контури - контур L1C9C10C12C13VD2, Задаючий частоту генератора, і вихідний контур L3C15C16, пов'язаний з антеною. Це підвищує стабільність генерується частоти.
Ставить контур підключений до транзистора VT4 за схемою Клаппа. Вплив зміни параметрів транзистора VT4 при зміні живлячої напруги на ставить контур введено до мінімуму вибором малого коефіцієнта включення транзистора в контур (визначається ємністю конденсаторів СЮ, С12,
С13). Для підвищення температурної стабільності частоти застосовані конденсатори С9, СЮ, С12, С13 з малим ТКЕ, а коефіцієнт включення до задає контур варикапа VD2 невеликий через малу ємності конденсатора С9.
Вихідний П-коктур дозволяє узгодити антену з виходом транзистора
VT4 і покращує фільтрацію вищих гармонік. Вихідний контур настроєний на частоту другої гармоніки задає контуру. Це зменшує вплив вихідного контуру на ставить контур через ємність переходу колектор-база транзистора VT4, завдяки чому поліпшується стабільність частоти передавача. За рахунок усіх цих заходів догляд частоти передавача при зміні живлячої напруги від 5 до 10 В невеликий і підстроювання приймача в процесі роботи не потрібно.
Звуковий сигнал з електретного мікрофона ВМ1 надходить на вхід мікрофонного підсилювача, зібраного на операційному підсилювачі (ОУ) DA2. Харчування мікрофон отримує через резистор R1 і розв'язують ланцюг R5C2. Для зниження споживаної потужності на місці DA2 використаний мікропотужні ОУ К140УД12. Резистор R10 задає споживаний струм ОУ близько 0,2 мА. Великої потужності від мікрофонного підсилювача не потрібно, тому що він навантажений на варикап, а потужність управління варикапом, що представляє собою обратносмещенний діод, украй мала R7 і опір ділянки стік-витік польового транзистора VT1 утворюють ланцюг негативного зворотного зв'язку, що визначає коефіцієнт посилення мікрофонного підсилювача. Канал польового транзистора VT1 служить регульованим опором у системі АРУ. При напрузі затвор-витік, близькому до нульового, опір каналу - близько 1 кОм і коефіцієнт посилення мікрофонного підсилювача близький до 100. При зростанні напруги до 0,5 ... 1 У опір каналу підвищується до 100 кОм а коефіцієнт посилення мікрофонного підсилювача зменшується до 1. Це забезпечує майже незмінний рівень сигналу на виході мікрофонного підсилювача при зміні рівня сигналу на його вході в широких межах.
Конденсатор С4 створює спад АЧХ мікрофонного підсилювача в області високих частот для зменшення глибини модуляції на цих частотах і запобігання розширення спектру сигналу передавача. Конденсатор СЗ блокує ланцюг зворотного зв'язку підсилювача DA2 по постійному струму. Через резистор R4 на неінвертуючий вхід ОП DA2 надходить напруга зсуву, необхідне при однополярному харчуванні.
Транзистор VT3 виконує функцію детектора системи АРУ і управляє польовим транзистором VT1. Поріг спрацьовування системи АРУ встановлюється підстроєним резистором R12. Коли сигнал з виходу мікрофонного підсилювача і відмикає напруга зміщення з частини резистора R12 в сумі зрівняються з напругою відкривання переходу емітер-база транзистора VT3, останній відкривається, подаючи напругу на затвор польового транзистора VT1. Опір каналу польового транзистора VT1 збільшується, і коефіцієнт посилення мікрофонного підсилювача зменшується.
Завдяки АРУ амплітуда сигналу на виході підсилювача підтримується практично на постійному рівні. Цей рівень можна регулювати, змінюючи резистором R12 напруга зсуву транзистора VT3. Ланцюг R9C5 задає постійну часу спрацьовування, а ланцюг R8C5 - постійну часу відновлення системи АРУ. Для компенсації температурних змін напруги відкривання переходу емітер-база транзистора VT3 напруга на резистор R12 подано з діода VD1,
Транзистор VT3, ланцюг формування порогу спрацьовування АРУ R11R12VD1 і резистор R4, через який надходить зсув на неінвертуючий вхід ОП, отримують живлення від стабілізатора напруги DA1. Це ж напруга подано через резистор R14 в якості напріженія зсуву на варикап VD2. Так як ємність варикапа істотно залежить від прикладеної до нього напруги зсуву, то до його стабільності висуваються жорсткі вимоги. Тому стабілізатором DA1 служить мікросхема КР142ЕН19, що представляє собою стабілізатор напруги паралельного типу. Вибором резисторів R2 і R3 задають напруга стабілізації близько 3,5 В на виводі 3 мікросхеми DA1. Баластовим опором служить генератор струму на польовому транзисторі VT2. що підвищує економічність стабілізатора.

Рис 13-1 Електрична принципова схема радіо мікрофона.

12. Література
1. І.П. Жеребцов «Основи Електроніки», Ленінград «Енергатоміздат» 1985 р.
2. В.Г. Гусєв, Ю.М. Гусєв «Електроніка», Москва «Вища школа» 1991 р.
3. В.В. Пасинків, Л.К. Чірікін «Напівпровідникові прилади», Москва «Вища школа» 1987 р.
4. В.А. Батушев «Електронні прилади», Москва «Вища школа» 1980 р.
5. Морозова І.Г. «Фізика електронних приладів», Москва «Атоміздат» 1980 р.
6. Напівпровідникові прилади. Транзистори. Довідник / за ред. М.М. Горюнова, Москва «Енергатоміздат» 1985 р.
7. Лавриненко В.Ю. «Довідник пополупроводніковим приладів» Кіев1984г.
8. Манаєв Є.І. «Основи радіоелектроніки» - М. радіо і зв'язок, 1990р.
9. Степаненко І.П. «Основи мікроелектроніки» - М. Радянське радіо, 1980р.
10. Дулін В.М. «Електронні прилади» - М. Енергія, 1977р.
11. Журнал «Радіо».
Web - література