Семейства вольт-амперных характеристик биполярного транзистора

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

ИНСТИТУТ НЕФТИ И ГАЗА

Кафедра «Автоматизация и управление»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по дисциплине «ЭЛЕКТРОНИКА»

для выполнения лабораторных работ

для студентов направлений:

220200.62 «Автоматизация и управление» (АиУб),

220300.65 «Автоматизированные технологии и производства» (АТП)

всех форм обучения

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.3

«Изучение работы биполярного транзистора, его ВАХ, параметров схемы включения транзистора с общим эмиттером»

Председатель РИС Зам.директора ИНиГ по учебно-

___________ Пашкин Д.А. методической работе

___________ Ефремова В.В.

«___»__________2008г

Подписи и телефоны Зав. Кафедрой «АиУ»

Авторов ______________Спасибов В.М.

___________ Мусихин С.А.

тел. 20-30-28 Протокол №___

от «__»_______ 2008

Председатель учебно-методического

совета ИНиГ

__________Сорокина М.Р.

«___»_________ 2008г

Тюмень – 2008г

Лабораторная работа №1.3

Цель работы: Изучить особенности конструкции биполярного транзистора, его входные и выходные вольт-амперные характеристики (ВАХ), схемы включения, их возможности и основные рабочие соотношения.

Общие положения

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с двумя p – n – переходами, имеющий три вывода. Переходы транзистора образованы тремя областями с чередующимися типами примесной проводимости. В зависимости от порядка чередования этих областей различают транзисторы «p – n – p» и «n – p – n» типа (см. рисунок 1.1). Первые называют транзисторами прямой проводимости, вторые – обратной. Микро и интегральная электроника строится, в основном, на n – p – n транзисторах.

2

10

Это объясняется тем, что основную роль в электрических процессах в них выполняют электроны (в транзисторах p – n – p - дырки). Электронная проводимость на два – три порядка выше дырочной.

Средний слой транзистора называют «базой», один из крайних – «эмиттер», второй – коллектор. Названия выводов биполярного транзистора (БПТ) соответствуют наименованиям областей.

С точки зрения конструкции строение БПТ имеет особенности. Площадь коллекторного перехода (p – n – переход между базой и коллектором) значительно больше площади эмиттерного перехода (см. рисунок 1.2). Кроме того, концентрация основных носителей в области коллектора ниже, чем в области эмиттера, а в материале базы ниже, чем в коллекторе, при этом толщина базы, как правило, меньше длины свободного пробега носителей заряда в этой области.

	Рисунок 1.2 – Конструкция биполярного транзистора обратной проводимости и схема распределения токов в нем

Если приложить к эмиттерному переходу (ЭП) прямое напряжение U_БЭ, а к коллекторному (КП) обратное U_КБ (см. рисунок 1.1), через ЭП основные носители из эмиттера начнут инжектировать в базу, формируя тем самым ток эмиттера I_Э (показан на рисунке голубой стрелкой с широким основанием). Поскольку конструктивно ширина базы много меньше свободного пробега заряженной частицы – электрона, большая часть инжектированных носителей проскочит область базы, увлекаясь электрическим полем КП, которой для электронов базы будет ускоряющим (неосновные носители при обратном смещении коллекторного перехода). Малая часть инжектированных эмиттером электронов рекомбинируют с дырками базы, образуя ток базы I’_Б . Вторая часть электронов, инжектированных через эмиттерный переход, экстрактирует в коллектор, что ведет к появлению коллекторного тока I’_К. Величины коллекторного I’_К и эмиттерного I_Э токов, исходя из конструктивных особенностей БПТ связаны следующим соотношением:

,

где a = 0,95÷0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера.

Наравне с экстрактированными электронами через КП будет формироваться поток собственных неосновных носителей базы, так называемый обратный ток I_КБ0, который называют еще тепловым током.

Тепловой ток и ток I’_К определяют выходной ток транзистора:

и ток базы в базовом выводе:

.

С учетом I_Э >> I_КБ0 можно величину выходного тока транзистора связать с током эмиттера соотношением:

,

что с учетом закона первого Кирхгофа позволит определить величину тока базового вывода как:

Связав последние равенства друг с другом, получим:

,

где - динамический коэффициент передачи тока базы, при этом β >> 1. Последнее соотношение чаще всего представляется в виде:

Динамическое сопротивление обратно смещенного КП очень велико (несколько мегаОм). Поэтому в цепь коллектора включают сравнительно большие нагрузочные резисторы, не изменяющие значение выходного коллекторного тока. Поскольку сопротивление эмиттера много меньше сопротивления нагрузки при близких значениях тока, мощность, выделяемая на нагрузочном сопротивлении (в данном случае R_К), будет существенно большей. Таким образом, с одной стороны, транзистор является полупроводниковым прибором, усиливающим мощность, с другой – небольшие уровни напряжения прямого смещения ЭП и значительное выходное напряжение (десятки вольт, обратное смещение КП) указывают на то, что этот нелинейный элемент является также и усилителем напряжения.

Режимы работы транзистора. Каждый переход БПТ может быть включен либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают четыре режима работы транзистора.

Нормальный или активный режим – ЭП смещен в прямом, а КП - в обратном направлении. Этот режим соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера.

В инверсном режиме к коллекторному переходу подведено прямое напряжение, к эмиттерному – обратное. Инверсный режим за счет гораздо меньшего примесного легирования материала коллектора приводит к существенно меньшему значению коэффициента передачи тока эмиттера, поэтому на практике редко используется.

Режим насыщения или двойной инжекции формируется при смещении обеих переходов в прямом направлении. Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузочной цепи. В режиме насыщения напряжение на транзисторе падает, что используется для замыкания цепей передачи сигналов (аналоговые коммутаторы, формирователи уровня логических сигналов).

В режим отсечки транзистор попадает в случае смещения переходов в обратном направлении. Выходной ток в этом случае практически равен нулю. Режим отсечки используется для размыкания цепей передачи сигналов (аналоговые коммутаторы, формирователи уровня логических сигналов).

В аналоговых электронных устройствах основным режимом работы БПТ является активный (нормальный) режим, в то время как в цифровой технике используется работа транзисторных элементов в режимах насыщения и токовой отсечки.

Форма изображения биполярного транзистора на принципиальных схемах представлена на рисунке 1.3.

	а – транзистор обратной проводимости; б – транзистор прямой проводимости   Рисунок 1.3 – Изображение транзисторов обратной и прямой проводимости на принципиальных схемах

Стрелка в обозначении транзисторов всегда ставится у эмиттера и показывает условное направление тока положительных носителей через переход (см.рисунок 1.3).

В зависимости от того, какой электрод транзистора (эмиттер, база или коллектор) при включении в конкретную электрическую схему будет общим для входных и выходных цепей различают схемы включения БПТ с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Например, на рисунке 1.1 транзистор включен по схеме с ОБ, поскольку база является общим электродом для входного (U_БЭ) и выходного(U_КБ) напряжений.

Для схемы с общей базой (в приращениях напряжений и токов):

(R_К @ 1÷5кОм, R_Э @ 10÷100 Ом),

(при условии ),

где r’_k – дифференциальное сопротивление коллектора, .

Таким образом, схема включения транзистора с ОБ характеризуется коэффициентом передачи входного тока (I_Э) близким к единице, но существенным усилением по напряжению. Входное сопротивление определяется сопротивлением области эмиттера, что с учетом значительной степени легирования материала дает величину в пределах 100 Ом и требует специальных мер согласования с выходным сопротивлением источника сигнала.

Каскад включения БПТ с общим эмиттером (ОЭ) представлен на рисунке 1.4.

Для схемы с ОЭ (в приращениях напряжений и токов) верны следующие соотношения:

(В – статический коэффициент передачи тока базы, для расчетов в приращениях напряжений и токов принимают В = β).

(при условии ).

В схеме с ОЭ транзистор имеет входное сопротивление значительно большее, чем в схеме с ОБ, что позволяет, с одной стороны, включать каскады с ОЭ без дополнительных согласующих звеньев, с другой - усиливать входной сигнал по напряжению, по току, а, следовательно, и по мощности.

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором (ОК) изображена на рисунке 1.5.

Для схемы с ОК характерно включение усилительного элемента с размещением нагрузки в эмиттерной цепи (R_Э).

Основные соотношения для схемы с ОК имеют вид:

(при условии ),

где r’_Э – дифференциальное сопротивление эмиттера, .

Анализ выражений показывает, что транзистор в схеме с ОК усиливает ток, но не усиливает (повторяет) входное напряжение. Поэтому схема с ОК получила название «эмиттерный повторитель». Кроме того, каскад с ОК отличает большое входное и малое выходное сопротивления, что определяет область использования его во входных контурах для согласования с источником сигнала и выходных цепях с целью согласования с низкоомной нагрузкой.

В электронных устройствах наиболее часто используют БПТ, включенный по схеме с ОЭ.

Семейства вольт-амперных характеристик биполярного транзистора

В общем случае параметры биполярного транзистора определяются его входными и выходными характеристиками.

Входные характеристики: I_ВХ = f(U_ВХ) при U_ВЫХ = соnst.

Выходные характеристики: I_ВЫХ = f(U_ВЫХ) при I_ВХ = соnst.

В приложении к конкретной схеме включения транзистора эти характеристики видоизменяются. Например, для схемы с ОЭ они имеют следующую форму записи:

- входные характеристики: I_Б = f(U_БЭ) при U_КЭ = соnst;

- выходные характеристики: I_К = f(U_КЭ) при I_Б = соnst.

На основе входных и выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ) БПТ иногда строятся, так называемые, производные семейства характеристик:

- характеристика передачи по току- I_К =f(I_Б) при U_КЭ = соnst (схема с ОЭ);

- характеристика обратной связи по напряжению – U_БЭ = f(U_КЭ) при I_Б = соnst (для схемы с ОЭ).

Входные ВАХ БПТ малой мощности изображены на рисунке 2.1а. Эти кривые подобны ВАХ полупроводникового диода. Входным параметром является напряжение между базой и эмиттером U_БЭ, выходным – ток базы I_Б.

Семейство выходных ВАХ транзистора в схеме с ОЭ представлено на рисунке 2.1 б. Штриховой линией (справа) обозначена область лавинного пробоя переходящая в тепловой. Очевидно, что и входные и выходные характеристики БПТ являются нелинейными. Граница перехода кривых тока коллектора на пологий участок определяет активный режим работы транзистора, левей расположен участок, где открываются оба p – n - перехода и наступает режим насыщения. Левая пунктирная кривая показывает начало выхода транзистора на активный режим (U_БК = 0). Режим отсечки соответствует области токов базы I_Б в области нулевых значений (нижняя пунктирная кривая). Рабочей считается область, расположенная между штриховыми линиями.

Особенностью входных характеристик в схеме ОЭ является различный характер зависимости тока базы от величины приложенного коллекторного напряжения I_Б = f(U_КЭ). Входным током в схеме ОЭ является ток рекомбинации в базе I_Б. При U_КЭ = 0 на коллекторном переходе действует небольшое внутреннее запирающее поле. При этом запорный (обедненный носителями заряда) слой коллекторного перехода распространен на некоторую глубину в сторону базы. Рекомбинация происходит в активной области, не занятой запорным слоем. При увеличении U_КЭ запорный слой расширяется за счет слаболегированной базы (так называемый эффект Эрли), активная область которой сужается и число рекомбинировавших пар уменьшается, следовательно, уменьшается ток базы, что можно увидеть на входной характеристике (см. рисунок 2.1 а). Этот процесс называется модуляцией (изменением) ширины базы. Эффект модуляции имеет место для выходных напряжений в пределах U_КЭ £ 3¸5 В.

		а		б

Используя входные ВАХ можно рассчитать статическое и динамическое входные сопротивления. Первое характеризует входное сопротивление транзистора по постоянному току, второе – по переменному:

;

Что касается выходных характеристик (см. рисунок 2.1 б), то на них можно выделить три участка. Первый выделяется резким ростом тока коллектора I_К при малых напряжениях между коллектором и эмиттером U_КЭ, второй наоборот – пологий, значительное приращение напряжения U_КЭ дает небольшое увеличение тока I_К и третий – участок лавинного пробоя, сопровождающийся ростом I_К при относительно небольших изменениях U_КЭ.

Наличие крутого участка объясняется тем, что при малых значениях U_КЭв начальной части семейства выходных характеристик U_КЭ < U_БЭ, коллекторный переход включен в прямом направлении, его дифференциальное сопротивление (сопротивление смещенного в прямом направлении коллекторного перехода) мало и через него течет прямой ток навстречу току инжектированных из эмиттера носителей. Большой наклон участка вызывается тем, что в данной схеме включения коллекторное напряжение U_КЭоказывается частично приложенным к эмиттерному переходу, вызывая его дополнительное смещение (U_КЭоткрывает эмиттерный переход).

При анализе работы транзисторных каскадов физические схемы транзисторов часто заменяют более удобными на практике эквивалентными схемами в h – параметрах.

Эквивалентная схема в h – параметрах отражает зависимость выходного тока I₂ и входного напряжения U₁ от входного тока I₁ и выходного напряжения U₂ транзистора в определенной схеме включения, представляя ее как некоторый четырехполюсник. Соотношения токов и напряжений четырехполюсника представляются соотношениями:

где DU₁ и DU₂ – изменения входного и выходного напряжений соответственно; DI₁ и DI₂ - изменения входного и выходного токов.

Система уравнений может конкретизироваться при изменение схемы включения транзистора. Например, для схемы с ОЭ она примет вид:

.

Коэффициенты в системе уравнений имеют физический смысл по отношению к конкретной схеме включения транзистора. Их определяют экспериментально, проводя опыты короткого замыкания на выходе и обратного холостого хода на входе. Для короткого замыкания на выходе (U_КЭ = 0):

- входное сопротивление каскада;

- коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ.

При обратном холостом ходе:

- коэффициент обратной связи по напряжению (обратная величина коэффициенту усиления по напряжению)

- дифференциальная проводимость цепи коллектора.

На практике h – параметры используют в расчетах транзисторных каскадов на низких и средних частотах.

Схема замещения транзисторного каскада с ОЭ в h – параметрах изображена на рисунке 2.2.

		Рисунок 3.1 – Принципиальная схема для исследования характеристик биполярного транзистора