Характеристики и параметры биполярных транзисторов

Цель работы

Изучить свойства биполярного транзистора путем снятия входных и выходных характеристик.

Освоить расчет h параметров по характеристикам транзистора.

Теоретическое введение

Биполярный транзистор - полупроводниковый прибор, имеющий два p-n перехода и служащий для усиления и генерирования электрических колебаний.

Основным элементом транзистора является кристалл полупроводникового материала, в котором созданы три области различных проводимостей. Средняя область, образованная полупроводником с электронным или дырочным типом проводимости, называется базой. Ширина базы делается очень малой. Две крайние области, одна из которых называется эмиттером, а другая - коллектором, обладают проводимостью одинакового типа, противоположной проводимости базы, и на несколько порядков выше проводимости базы. Эмиттер является источником основных носителей заряда (электронов или дырок), а коллектор их приемником. Если внешние области имеют проводимость p типа - прибор называют транзистором типа p-n-p, если же внешние области имеют проводимость типа n, то прибор называют транзистором типа n-p-n.

а) б)   Рис. 7.1. Графическое изображение транзисторов

Условное графическое изображение транзистора типа p-n-p приведено на рис. 7.1.а, транзистора типа n-p-n на рис.7.1.б. Дальнейшее изложение дается применительно к транзистору типа p-n-p.

Наиболее важным режимом работы транзистора является активный. В этом режиме к эмиттерному переходу приложено напряжение в прямом направлении, то есть положительный полюс эмиттерного источника энергии Е_э подключен к эмиттеру. (В литературе часто употребляется термин ’’переход смещен в прямом направлении’’).

К коллекторному переходу приложено напряжение в обратном направлении, то есть отрицательный полюс коллекторного источника энергии Е_к подключен к коллектору (переход смещен в обратном направлении). Под действием напряжения эмиттерного источника энергии Е_э происходит инжекция (переход) дырок из эмиттера в базу, для которой они являются неосновными носителями.

Электроны базы инжектируются в эмиттер, в котором они также становятся неосновными. Но так как проводимость базы много меньше проводимости эмиттера, число дырок, поступающих из эмиттера в базу, значительно превышает число электронов, перешедших из базы в эмиттер. Следовательно, ток через эмиттерно-базовый переход обусловлен практически одними дырками. Дырки, инжектированные в базу, частично рекомбинируют с электронами базы, которые образуют ток базы (рис.7. 2). Но так как ширина базы мала, почти все дырки пересекают базу и достигают коллекторного перехода. В области коллекторного перехода дырки попадают в электрическое поле, создаваемое источником Е_к. Это поле является для дырок ускоряющим и они втягиваются в коллектор, создавая ток коллектора I_к. Величина тока I_к, как следует из первого закона Кирхгофа, определяется уравнением (7.1):

I_к=I_э-I_б,(7.1)

а так как ток базы мал, можно считать, что

I_к I_э . (7.2)

к

p

p

n

EK

EЭ

б

э

EK

EЭ

а)

а)

б)

Рис. 7.2. Структура р-n-р транзистора и схема его включения:

а) - токораспределение в транзисторе;

б) - включение транзистора по схеме с общей базой.

о - дырки, · - электроны

Изменяя напряжение, приложенное к эмиттерно-базовому переходу, можно менять количество дырок, поступающих из эмиттера в базу, и, следовательно, изменять ток коллектора.

Таким образом, принцип действия транзистора заключается в управлении потоком неосновных носителей базы, поступающих в коллектор.

Так как сопротивление коллекторного перехода на несколько порядков выше сопротивления эмиттерного перехода, в цепь коллектора можно включить нагрузочный резистор с достаточно большим сопротивлением R_н, больше чем сопротивление эмиттерного перехода R_э. Включение такой нагрузки не изменит режима работы переходов. В этом случае падение напряжения на нагрузочном резисторе будет U_н = I_к R_н, а напряжение на эмиттерном переходе U_э = I_эR_э, а так как R_н >> R_э, и с учетом соотношения (7.2):

U_Н U_Э , (7.3)

то есть имеет место усиление по напряжению.

Входная мощность, затрачиваемая в эмиттерной цепи P_вх = I_э U_э выходная мощность, выделяющаяся в нагрузочном резисторе, будет P_вых = I_к U_н. С учетом соотношений (7.2) и (7.3):

P_вых P_вх (7.4)

и, следовательно, имеет место усиление по мощности.

Аналогичные результаты получаются и в случае подачи на эмиттерный переход переменного напряжения.

Дополнительная мощность, выделяющаяся на нагрузочном резисторе, получается за счет коллекторного источника энергии Е_к. Транзистор, таким образом, управляет энергией коллекторного источника, заставляя ее изменяться по закону изменения входного напряжения.

EК

EЭ

Рис. 7.3. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером

Очевидно, что усиление по напряжению и мощности будет тем больше, чем больше ток коллектора, то есть чем большая часть дырок, инжектированных эмиттером, будет переноситься в коллектор. Эффективность этого процесса характеризуется коэффициентом передачи тока эмиттера ( ), которым называется отношение приращения тока коллектора к вызвавшему его приращению тока эмиттера при постоянном напряжении между коллектором и базой, то есть

α= |U_кб=Const. (7.5)

Ясно, что чем больше коэффициент передачи тока, тем выше коэффициенты усиления по напряжению и мощности.

Как следует из выражений (7.1) и (7.5), коэффициент передачи тока эмиттера всегда меньше единицы. Для современных транзисторов он достигает значений 0,950 - 0,998.

В рассматриваемой схеме общей точкой входной и выходной цепей является база, поэтому такое включение транзистора называется схемой с общей базой (ОБ). Однако на практике наиболее часто используется схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис.7.3).

Физические процессы в транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, аналогичны описанным выше. Но так как входным током в этой схеме является ток базы, который, как указывалось выше, очень мал, коэффициент передачи тока базы ( ) значительно больше, чем коэффициент передачи тока эмиттера :

β= |U_кэ=Const . (7.6)

Совместное решение уравнений (7.1), (7.5) и (7.6) дает:

β= . (7.7)

Анализ уравнения (7.7) показывает, что b может достигать нескольких десятков. Поэтому коэффициенты усиления по напряжению и по мощности в этом случае также будут значительно выше.

Независимо от схемы включения транзистора, величина выходного тока i₂ определяется величинами входного тока i₁ (в схеме с ОБ - ток эмиттера, в схеме с ОЭ - ток базы) и выходного напряжения u₂ (в схеме с ОБ - напряжение между коллектором и базой, в схеме с ОЭ - напряжение между коллектором и эмиттером), то есть

i₂=f(i₁,u₂) . (7.8)

Функцией тех же переменных является величина входного напряжения u₁ (в рассмотренных схемах напряжение на эмиттерном переходе), то есть

u₁=f(i₁,u₂) . (7.9)

Следовательно, для входного напряжения и выходного тока можно записать выражения полных дифференциалов:

du₁=( )di₁+( )du₂ , (7.10)

di₂=( )di₁+( )du₂. (7.11)

Частные производные, входящие в уравнения (7.10) и (7.11), называются h-параметрами транзистора. Их величины характеризуют качество транзистора и возможность его работы в том или ином устройстве.

Частная производная определяет зависимость входного падения напряжения от входного тока при постоянном выходном напряжении u₂; этот параметр называется входным сопротивлением и обозначается h₁₁:

h₁₁= | du₂=0. (7.12)

У современных транзисторов входное сопротивление в схеме с ОЭ должно составлять несколько сотен Ом.

Частная производная определяет зависимость входного напряжения от выходного напряжения при постоянном входном токе i₁; этот параметр безразмерный, он называется коэффициентом обратной связи и обозначается h₁:

h₁₂= | di₁=0 . (7.13)

Величина коэффициента обратной связи обычно очень мала и в большинстве практических расчетов транзисторных устройств им пренебрегают.

Частная производная определяет зависимость выходного тока от входного при постоянном выходном напряжении u₂. Этот параметр безразмерный, он называется коэффициентом передачи тока и обозначается h₂₁:

h₂₁= | du₂=0 . (7.14)

Чем больше этот параметр, тем выше коэффициенты усиления по напряжению и мощности.

Частная производная определяет зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе. Этот параметр имеет размерность проводимости, называется выходной проводимостью транзистора и обозначается h₂₂:

h₂₂= | di₁=0. (7.15)

Рис.7.4. Входные характеристики транзистора в схеме с ОЭ

Значение этого параметра определяет величину сопротивления нагрузочного резистора, который может быть включен в выходную цепь.

h - параметры легко рассчитать по семействам характеристик транзистора.

Различают входные характеристики, которые определяют зависимость входного тока i₁ от входного напряжения u₁ при постоянном выходном напряжении u₂; а также выходные характеристики, определяющие зависимость выходного тока i₂ от выходного напряжения u₂ при постоянном входном токе i₁.

Входная характеристика транзистора, включенного по схеме с ОЭ - I_б = f(U_э.б.) при U_к.э. = 0, подобна вольтамперной характеристике полупроводникового диода, включенного в прямом направлении (рис.7.4).

Так как коллекторно-базовый переход включен в обратном направлении, при увеличении напряжения на коллекторе ширина запирающего слоя коллекторного перехода будет расти, а ширина базы соответственно - уменьшаться. За счет этого уменьшится рекомбинация носителей в базе и ток базы. Следовательно, характеристика сместится вниз (рис.7.4, кривая U_к.э.1).

Для определения параметров транзистора на прямолинейном участке входных характеристик строится треугольник АВС. Сторона ВС этого треугольника дает приращение тока базы при изменении напряжения на величину =АВ при U_кэ = Сonst. Тогда

h₁₁= |U_кэ=Const . (7.16)

При неизменном токе базы, например, I_б1 = const, изменение коллекторного напряжения на величину , как видно из рис.7.4, должно сопровождаться изменением входного напряжения на величину =АВ. Тогда

h₁₂= | I_б=Const . (7.17)

Выходная характеристика транзистора, включенного по схеме с ОЭ, представляет зависимость I_к = f(U_кэ) при I_б = const. Так как ток коллектора образован дырками эмиттера, он мало зависит от коллекторного напряжения. Тем не менее при увеличении коллекторного напряжения, как уже говорилось, происходит уменьшение ширины базы и уменьшение рекомбинации в базе.

Рис.7.5 Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ

В силу постоянства базового тока число электронов, поступающих в базу, остается неизменным. За счет этого потенциал базы относительно эмиттера понижается и увеличивается число дырок, поступающих в базу из эмиттера. В соответствии с уравнением (7.2) это приводит к росту тока коллектора.

При постоянном напряжении между эмиттером и коллектором, например, при U_кэ1 = const (рис.7.5), изменение тока базы от I_б1 до I_б2, то есть на величину = I_б2 - I_б1, приводит к увеличению тока коллектора на величину = I_к2 - I_к1. Тогда

h₂₁= | U_кэ=Const. (7.18)

При постоянном токе базы, например I_б1 = const, изменение напряжения между коллектором и эмиттером на величину △U_кэ=U_кэ2-U_кэ1 приводит к изменению тока коллектора на величину = I_к3 - I_к1 (рис.7.5). Тогда

h₂₂= | I_б=Const. (7.19)

Рабочее задание

1. Занесите технические данные электроизмерительных приборов, используемых в работе, в таблицу 1.1. Форма таблицы приведена на странице 3.

2. Соберите цепь, изображенную на рис. 7.6.

3. Регуляторы напряжения, обозначенные «0 - 0,5 В» и «0 - 30 В», выведите в крайнее положение в направлении, противоположном движению часовой стрелки.

Рис. 7.6. Рабочая схема для снятия характеристик транзистора

4. Тумблер переключения пределов измерения миллиамперметра, включенного в цепь коллектора, установите в положение « 20».

5. Предъявите цепь для проверки преподавателю.

6. Автоматическим выключателем АП включите блок питания стенда; при этом на панели блока питания должна загореться сигнальная лампа.

7. Замкните тумблер «24 В», расположенный на панели блока питания; при этом на панели блока «транзистор» должна загореться сигнальная лампа.

8. Регулятором напряжения, отмеченным знаком «0 - 30 В», установите напряжение между коллектором и эмиттером, заданное преподавателем.

9. Для 8 - 10 значений напряжения между эмиттером и базой в диапазоне от 0 до 0,2 В измерьте величину тока базы. Напряжение между эмиттером и базой изменяйте регулятором напряжения, отмеченным знаком «0 - 0,5 В».

СЛЕДИТЕ ЗА ПОСТОЯНСТВОМ НАПРЯЖЕНИЯ МЕЖДУ КОЛЛЕК-

ТОРОМ И ЭМИТТЕРОМ! ВО ИЗБЕЖАНИЕ ВЫХОДА ТРАНЗИСТОРА ИЗ СТРОЯ НЕ УВЕЛИЧИВАЙТЕ БАЗОВЫЙ ТОК СВЫШЕ 0,5 мА!

Показания приборов занесите в таблицу 7.1.

Таблица 7. 1

Семейство входных характеристик

Uк.э.= , В	Uк.э.= , В
Uэ.б., В	Iб, мА	Uэ.б., В	Iб, мА

10. Выполните пункт 3.

11. Тумблер переключения пределов измерения миллиамперметра, включенного в цепь коллектора, установите в положение « 10»

12. Регулятором напряжения, отмеченным знаком «0 - 0,5 В», установите ток базы, заданный преподавателем.

13. Для напряжений между коллектором и эмиттером, указанных в таблице 7.2, измерьте величину тока коллектора. Напряжение между коллектором и эмиттером изменяйте регулятором напряжения, отмеченным знаком «0 - 30 В».

СЛЕДИТЕ ЗА ПОСТОЯНСТВОМ ТОКА БАЗЫ!

Показания приборов занесите в таблицу 7.2.

14. Выполните пункт 3.

15. Разомкните тумблер «24 В», расположенный на панели блока питания; при этом на панели блока «транзистор» должна погаснуть сигнальная лампа.

Таблица 7.2

Семейство выходных характеристик

Iб= ,мА	Iб= ,мА
Uк.э., В	Iк, мА	Uк.э., В	Iк, мА
0,0		0,0
0,5		0,5
1,0		1,0
1,5		1,5
2,0		2,0
4,0		4,0
6,0		6,0
8,0		8,0
10,0		10,0

16. Автоматическим выключателем АП отключите стенд от сети, при этом на панели блока питания должна погаснуть сигнальная лампа.

Обработка результатов

1. На миллиметровой бумаге постройте графики зависимостей I_б = f(U_э.б.) и I_к = f(U_к.э.).

2. Рассчитайте h параметры транзисторов. При расчете не забывайте миллиамперы переводить в амперы

3. Сделайте вывод о влиянии напряжения между эмиттером и базой на величину тока базы.

4. Сделайте вывод о влиянии напряжения между эмиттером и коллектором на величину тока базы при постоянном напряжении между эмиттером и базой.

5. Сделайте вывод о влиянии напряжения между эмиттером и коллектором на величину тока коллектора при постоянном токе базы.

6. Сделайте вывод о влиянии тока базы на величину тока коллектора при постоянном напряжении между коллектором и эмиттером.

Контрольные вопросы

1. Что такое транзистор?

2. Сформулируйте принцип действия транзистора.

3. Какая область транзистора является источником носителей заряда?

4. Какая область транзистора является приемником носителей электрических зарядов?

5. Какими носителями образован ток эмиттера транзистора типа p- n- p?

6. Какими носителями образован ток базы транзистора типа p- n- p?

7. Какими носителями образован ток коллектора транзистора типа p-n-p?

8. Что означает термин: «инжекция носителей»?

9. Что такое «рекомбинация носителей»?

10.Что такое коэффициент передачи тока эмиттера?

11. Начертите условно-графическое изображение транзистора типа n-p-n.

12. Что такое коэффициент передачи тока базы?

13. Запишите связь между коэффициентами передачи тока эмиттера и базы?

14. Какой физический смысл параметра h₁₁?

15. Что такое обратный ток коллектора?

16. Начертите условно-графическое изображение транзистора типа p-n-p.

17. Какой режим работы транзистора называется динамическим?

18. Рассчитайте коэффициент передачи тока базы, если коэффициент передачи тока эмиттера 0,98.

19. Какой физический смысл параметра h₂₁?

20. Какая зависимость является входной характеристикой транзистора в схеме с общей базой?

21. В каком направлении смещен коллекторно-базовый переход при работе транзистора в активном режиме?

22. Какую размерность имеет параметр h₂₂?

23. Как аналитически связаны токи коллектора, эмиттера и базы?

24. Какая зависимость является выходной характеристикой транзистора в схеме с общим эмиттером?

25. Какой тип проводимости имеет эмиттер, если коллектор имеет проводимость типа n?