Характеристики транзистора¶
Характеристика транзистора — совокупность параметров и графических зависимостей, описывающих поведение транзистора как электронного прибора в электрической цепи. Характеристики позволяют рассчитать режим работы полупроводникового прибора, оценить его усилительные и коммутационные свойства, а также подобрать транзистор для конкретного устройства. Различают статические и динамические, входные и выходные, а также предельные эксплуатационные характеристики.
¶Общие сведения
Транзистор — полупроводниковый прибор с тремя выводами, способный усиливать и переключать электрические сигналы. По устройству различают биполярные транзисторы (БТ), управляемые током базы, и полевые (униполярные) транзисторы (ПТ), управляемые напряжением затвора. Набор характеристик зависит от типа прибора, но общая логика описания едина: связь входных и выходных токов и напряжений.
Характеристики делят на несколько групп:
- статические — снятые при постоянном токе, без учёта инерционности;
- динамические — учитывающие частотные и импульсные свойства;
- предельные (максимально допустимые) — ограничивающие область безопасной работы;
- шумовые, температурные и другие специальные.
¶Статические характеристики биполярного транзистора
Для биполярного транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, основными являются входные и выходные характеристики.
Входная характеристика — зависимость тока базы Iб от напряжения база — эмиттер Uбэ при фиксированном напряжении коллектор — эмиттер. Она имеет вид прямой ветви вольт-амперной характеристики p-n-перехода: до порогового значения (около 0,6–0,7 В для кремниевых приборов) ток мал, затем резко возрастает. Смещение кривой зависит от Uкэ.
Выходная характеристика — зависимость тока коллектора Iк от напряжения коллектор — эмиттер Uкэ при заданном токе базы. Выделяют три области:
| Область | Условие | Поведение |
|---|---|---|
| Отсечки | Iб ≈ 0 | Ток коллектора близок к нулю, транзистор закрыт |
| Активная | Uкэ > Uнас | Iк слабо зависит от Uкэ, определяется током базы |
| Насыщения | Uкэ мало | Ток коллектора перестаёт расти, транзистор полностью открыт |
В активной области выполняется соотношение Iк ≈ β·Iб, где β — коэффициент передачи тока базы (обычно от 20 до 500). Это свойство лежит в основе усиления сигнала.
¶Статические характеристики полевого транзистора
У полевых транзисторов входным управляющим параметром служит напряжение затвор — исток Uзи, а ток затвора крайне мал. Основные характеристики:
- сток-затворная (передаточная) — зависимость тока стока Iс от Uзи при постоянном напряжении сток — исток;
- выходная (стоковая) — зависимость Iс от напряжения сток — исток Uси при фиксированном Uзи.
Передаточная характеристика описывается крутизной S = ΔIс / ΔUзи, измеряемой в миллиамперах на вольт. Выходные кривые имеют пологий участок (область насыщения), где ток стока почти не зависит от Uси, что обеспечивает высокое выходное сопротивление и хорошие усилительные свойства.
¶Основные параметры
К числу ключевых параметров относят:
- коэффициент усиления по току (β, h21э) для БТ;
- крутизну характеристики S для ПТ;
- входное и выходное сопротивление;
- граничную и максимальную рабочую частоту;
- максимально допустимые ток коллектора (стока), напряжение и рассеиваемую мощность;
- обратные токи переходов и ток утечки;
- коэффициент шума.
Эти величины приводятся в справочных данных и определяют применимость прибора.
¶Динамические и частотные характеристики
При работе с переменным сигналом проявляется инерционность транзистора, связанная с ёмкостями переходов и временем пролёта носителей заряда. Частотные характеристики показывают, как меняется коэффициент усиления с ростом частоты. Различают граничную частоту усиления и предельную частоту генерации. Для импульсных режимов важны времена включения и выключения, длительность фронтов.
¶Предельные характеристики и область безопасной работы
Максимально допустимые параметры задают границы, выход за которые ведёт к перегреву или пробою прибора. Область безопасной работы (ОБР) на графике в координатах тока и напряжения ограничена линиями максимального тока, максимального напряжения и максимальной мощности. Превышение этих границ приводит к тепловому пробою и выходу транзистора из строя.
¶Методы снятия характеристик
Статические характеристики получают экспериментально с помощью специальных приборов — характериографов, а также схем с регулируемыми источниками питания и измерительными приборами. Семейства кривых снимают при нескольких фиксированных значениях управляющего параметра. Современные цифровые анализаторы позволяют автоматически строить характеристики и сохранять их в виде таблиц и графиков.
¶Значение
Характеристики транзистора — основа схемотехнического расчёта. По ним выбирают рабочую точку усилительного каскада, определяют режимы ключа, рассчитывают цепи смещения и термостабилизации. Сопоставление характеристик разных типов приборов позволяет выбрать оптимальный транзистор для усилителей, генераторов, источников питания и цифровых схем.
Источники: учебники по электронике и полупроводниковым приборам, справочники по транзисторам, техническая документация производителей.