Ток коллектора¶

Ток коллектора — ток, протекающий через коллектор транзистора (как правило, биполярного или полевого транзистора с изолированным затвором), то есть через выходной (третий) электрод, соединённый с нагрузкой. В схемотехнике это основной выходной ток усилительного каскада, величина которого управляет выходным напряжением и определяет режим работы транзистора. В биполярном транзисторе (БТ) обозначается символом I_C (от англ. collector), в полевом транзисторе — I_D (drain, сток).

¶Биполярный транзистор

¶Составляющие тока

В биполярном транзисторе ток коллектора складывается из двух основных составляющих:

• Дрейфовый ток — ток, создаваемый носителями, инжектированными из эмиттера в базу и достигающими коллекторного перехода под действием его обратного смещения. Именно эта составляющая является полезной и управляется током базы.
• Ток утечки коллекторного перехода — ток, обусловленный генерацией носителей в базовой области и их уносом полем коллекторного перехода. Практически не зависит от тока базы и определяет ток коллектора при отсутствии сигнала (I_CEO).

При этом ток эмиттера равен сумме тока коллектора и тока базы: I_E = I_C + I_B. Отношение I_C / I_B называется статическим коэффициентом передачи тока базы β (h_21E); типичные значения для маломощных транзисторов составляют 50–500.

¶Режимы работы

В зависимости от смещения коллекторного перехода различают:

В активном режиме ток коллектора линейно зависит от тока базы, что используется в усилителях. В насыщении ток коллектора ограничен внешней цепью и перестаёт управляться током базы — режим применяется в ключах. В отсечке ток коллектора минимален.

¶Температурная зависимость

Ток коллектора существенно зависит от температуры. С ростом температуры на каждые 10 °C ток утечки коллекторного перехода (I_CBO) примерно удваивается, что приводит к росту I_CEO и, при фиксированном токе базы, к смещению рабочей точки. Для компенсации применяют термостабилизацию рабочей точки — делители напряжения, эмиттерные резисторы, термисторы.

¶Полевой транзистор

В полевом транзисторе с изолированным затвором (MOSFET) ток стока (коллектора) в активном режиме описывается квадратичной зависимостью от напряжения затвор-исток:

I_D = I_DSS · (1 − V_GS / V_P)²

для транзисторов с обеднённым каналом, где I_DSS — ток стока при нулевом напряжении затвора, V_P — напряжение отсечки. Для enhancement-MOSFET используется модель с пороговым напряжением V_th. В линейном (омическом) режиме ток стока пропорционален напряжению затвор-исток сверх порогового значения.

¶Измерение и характеристики

Ток коллектора измеряют амперметром, включённым последовательно с коллекторной цепью, либо по падению напряжения на известном резисторе. Ключевые параметры, связанные с током коллектора:

• I_CBO — ток коллектор-база при разомкнутом эмиттере (ток утечки перехода);
• I_CEO — ток коллектор-эмиттер при разомкнутой базе;
• I_C(sat) — максимальный ток коллектора в насыщении;
• I_C(max) — предельный ток коллектора по даташиту, ограниченный мощностью рассеяния и допустимой температуру кристалла.

Превышение I_C(max) приводит к перегреву и разрушению кристалла — явление, известное как тепловой разгон (thermal runaway) в схемах без термостабилизации.

¶Применение

Ток коллектора является основным управляющим параметром в усилительных каскадах (общий эмиттер, общий коллектор, общий база), где он преобразуется в выходное напряжение через нагрузочный резистор. В ключевых схемах (импульсные преобразователи, драйверы нагрузок) транзистор переводится между режимами отсечки и насыщения, а ток коллектора определяется нагрузкой. В интегральных схемах ток коллектора транзисторов задаётся токовыми зеркалами и определяет быстродействие и энергопотребление каскадов.

¶Источники

• Гурьевич Д. А. «Транзисторы: физика, параметры, схемы»
• Токарев В. А. «Транзисторы в электронных схемах»
• Даташиты биполярных и полевых транзисторов (ON Semiconductor, Infineon, STMicroelectronics)
• Справочник по полупроводниковым приборам под ред. В. С. Панкратова