Изучение характеристик биполярного транзистора

Лабораторная работа № 55

Цель работы:

1. Изучить устройство и принцип действия биполярного транзистора.

2. Снять и построить графики семейств входных и выходных вольт-амперных характеристик транзистора на постоянном токе.

Теоретическое введение

Биполярный транзистор (или просто транзистор) представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности и служащий для усиления мощности электрического сигнала. Также транзистор широко используется в качестве электронного ключа. Структуры и условные графические изображения транзисторов представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структуры биполярных транзисторов и их условные графические изображения:

а) p-n-p транзистор,

б) n-p-n транзистор.

Обозначения: Э - эмиттер,

Б - база, К - коллектор

Центральная область транзистора, расположенная между электронно-дырочными (р-n) переходами, называется базой (рисунок 1). Крайние области одноименного типа проводимости делают неодинаковыми. Одну из областей изготовляют так, чтобы из неё наиболее эффективно происходила инжекция (впрыскивание) носителей в базу (эмиттерная область и соответственно эмиттерно-базовый переход), а другую - так, чтобы она наилучшим образом осуществляла экстракцию (вытягивание) инжектированных носителей из базы (коллекторная область и соответственно коллекторно-базовый переход). Это достигается введением соответствующего количества примесей в области эмиттера (сильно легированная область, n_э ≈ 10²⁰ см^-3) и коллектора (слабо легированная область, n_к ≈ 10¹⁴÷10¹⁵ см^-3). Взаимосвязь между эмиттерным и коллекторным переходами обеспечивается малой толщиной базовой области (у современных транзисторов она составляет единицы и даже доли микрон).

Каждый из р-n переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

1) режим отсечки - оба перехода закрыты, при этом ток через транзистор практически отсутствует;

2) режим насыщения - оба перехода открыты, через транзистор течет максимальный ток;

3) активный режим - один из переходов (обычно эмиттерный) открыт, другой (коллекторный) закрыт.

В режиме отсечки и в режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. Эти два режима используются в цифровых схемах (транзистор открыт - логический "ноль", транзистор закрыт - логическая "единица"). В активном режиме осуществляется эффективное управление выходным током транзистора путем подачи соответствующего потенциала на базовую область. При этом транзистор выполняет функции активного элемента электрической схемы, осуществляя усиление либо генерирование колебаний, различные преобразования сигнала и т.д.

Различают три схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК) (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схемы включения транзистора:

а) с общей базой;

б) с общим эмиттером;

в) с общим коллектором.

Общим называют электрод, относительно которого измеряют и задают напряжение на других электродах; он включен как во входную, так и в выходную цепи транзистора.

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ), представленная на рисунке 3, позволяет раскрыть физику работы транзистора.

Рисунок 3 - Схема включения транзистора с общей базой, иллюстрирующая физику работы транзистора.

Через эмиттерный переход, смещенный с помощью источника Е_э в пропускном направлении, происходит инжекция носителей в базу. Часть инжектированных носителей рекомбинирует в базе с основными носителями заряда базы. Большинство же инжектированных носителей (95 ÷ 99)% пересекает базу, доходит до коллекторного перехода, смещенного источником Е_к в обратном направлении и создаёт ток коллектора. Таким образом, I_к = (0,95÷ 0,99)∙I_э, а ток базы значительно меньше как тока эмиттера, так и тока коллектора: I_б = I_э - I_к = (0,05÷0,01)∙I_э.

Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение U_~вх, получим в цепи коллектора переменный ток, а на нагрузочном сопротивлении R_к - переменное напряжение U_~вых. Величина усиления сигнала k = U_~вых / U_~вх достигает значительной величины (до 1000), т. к. выходное сопротивление R_вых закрытого коллекторного перехода много больше входного сопротивления R_вх открытого эмиттерного перехода, а I_вых ≈ I_вх. Соответственно мощность сигнала, получаемого на выходе, много больше мощности подводимого сигнала: U_вых ∙I_вых >> U_вх ∙I_вх. Это усиление достигается за счёт энергии источника питания, включённого в цепь коллектора (Е_к >>Е_э).

На практике схема с общей базой применяется довольно редко в силу присущих ей недостатков (отсутствие усиления по току, малое входное сопротивление). Главную роль в транзисторной технике играет схема с ОЭ (рисунок 2б).

Для описания свойств транзистора используют два семейства статических входных и выходных вольт-амперных характеристик. В схеме ОЭ семейством входных характеристик будут зависимости I_б = f(U_бэ ) при U_кэ = const, (рис. 4а) семейством выходных - I_к = f(U_кэ ) при I_б = const (рис.4б).

При U_кэ = 0 входная характеристика проходит через начало координат, при U_кэ ≠ 0 - смещается вниз, то есть происходит уменьшение тока базы при одинаковых значениях входного напряжения U_бэ. Это связано с существованием небольшого по величине обратного тока перехода коллектор-база, направление которого противоположно направлению тока перехода эмиттер-база. При этом ток базы становится равным нулю при некотором значении напряжения U'_бэ , отличном от нуля, а при U_бэ < U'_бэ входные статические характеристики заходят в четвертый квадрант (рисунок 4а).

Выходной ток коллектора I_к в широком диапазоне напряжений изменяется мало, его величина определяется током базы I_б (рисунок 4б). При малых напряжениях U_кэ коллекторный ток изменяется очень резко. Это связано с тем, что при U_кэ < U_бэ‌ напряжение, приложенное к переходу коллектор-база U_кб = U_кэ - U_бэ становится отрицательным; при этом переход оказывается включенным в прямом направлении, и коллектор перестает выполнять свою функцию собирания инжектированных из эмиттера носителей.

Важной характеристикой транзистора является его коэффициент усиления по току К_I =ΔI_вых/ΔI_вх. В схеме ОЭ К_I = ΔI_к /ΔI_б при U_кэ = const. Эту величину можно определить из рисунка 4б для некоторого напряжения U'_кэ. Для этого проведем линию, параллельную оси ординат и возьмем на ней две точки, принадлежащие разным характеристикам. Изменение выходного тока ΔI_к = I_к3 - I_к2 равно разности ординат в соответствующем масштабе, изменение входного тока ΔI_б = I_б3 - I_б2; численные значения I_б3, I_б2 обычно указываются на соответствующих характеристиках.