Методические указания к лабораторной работе 206

Казань-2005 г.

ИССЛЕДОВАНИЕ биполярных транзисторовов (EWB)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомление с характеристиками биполярного транзистора, с методиками их определения для различных схем включения, получение навыков практического исследования вольт-амперных характеристик транзистора и определения его параметров.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И РАСЧЕТНЫЕ соотношения

1.1. Общие сведения о биполярных транзисторах

Биполярный транзистор это полупроводниковый прибор с тремя и более выводами и предназначенный для усиления и генерации электрических сигналов. Эти транзисторы называют биполярными, потому что в создании их выходного тока участвуют заряды обоих знаков (электроны и дырки). Выходной ток биполярного транзистора управляется входным током, а потому их называют токовыми.

Биполярные транзисторы это полупроводниковые приборы с двумя близко расположенными, а потому взаимодействующими р-n-переходами. В зависимости от чередования р и n –областей, различают два типа биполярных транзисторов: р-п-р и п-р-п-типа.

Структуры и условные обозначения данных типов транзисторов показаны на рис. 1.1. Между каждой областью полупроводника и ее выводом имеется омический контакт, который на рис. 2.1 показан жирной чертой. Средний слой транзистора называют базой (Б), один из крайних - эмиттером (Э), другой — коллектором (К). Между эмиттером и базой возникает эмиттерный переход (ЭП), а между коллектором и базой – коллекторный переход (КП).

В зависимости от технологии изготовления биполярные транзисторы бывают: сплавные, эпитаксиально-диффузионные, планарные, мезатранзисторы и т. д. В зависимости от распределения примесей в базе транзисторы бывают: диффузионные, при равномерном распределения примесей и дрейфовые при неравномерном распределении примесей. Конструкция транзистора при сплавном и планарном методе изготовления показаны на рис.1.2. Для того чтобы конструкция работала, как транзистор, необходимо чтобы почти все инжектированные эмиттером носители доходили до коллекторного перехода. Для этого необходимо: во первых - ширина базы W должна быть значительно меньше диффузионной длины L, т.е. W<<L, толщина базы состовляет (0.1-100 мкм); во вторых - S_Э. << S_к, где S_Э – площадь эмиттерного перехода; S_к – площадь коллекторного перехода

1.2. Принцип работы биполярного транзистора в активном режиме

и соотношения для его токов

Физическая модель биполярного транзистора и схема его включения в активнос режиме току показана на рис.1.3. Эмиттер – область, выполнена из сильно легированного полупроводника. Она является инжектором носителей заряда в базу. База – содержит малую концентрацию примесей ее толщина много меньше диффузионной длины w<<L (толщина базы w=1-10мкм). Коллектор – это область с высокой концентрацией примесей, она предназначена для поглощения носителей заряда инжектируемых эмиттером. Биполярный транзистор в активном (усилительном) режиме включают так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении, а коллекторный в обратном. Основные свойства транзистора определяются процессами, происходящими в базе.

При смещении ЭП в прямом направлении происходит ввод основных носителей заряда в базу, где они становятся неосновными – это инжекция. В базе они первоначально группируются вблизи ЭП, а затем за счет диффузии или сил электрического поля происходит перенос неосновных носителей заряда от границы эмиттерного перехода, к границе запертого коллекторного перехода. Если распределение примесей в базе постоянно по её длине, то электрическое поле отсутствует и движение осуществляется за счёт диффузии, такие транзисторы называются – диффузионными. Если распределение примесей в базе неравномерно, то возникает электрическое поле, способствующее переносу неосновных носителей заряда от эмиттерного перехода, к коллекторному переходу, такие транзисторы называются дрейфовыми. Достигнув границы запертого КП неосновные носители заряда попадают в сильное ускоряющее поле и переносятся им в область коллектора, где они снова становятся основными носителями – это экстракция. Для компенсации зарядов накапливающихся в области коллектора, от источника питания поступают заряды противоположного знака, они и создают управляемую составляющую тока коллектора αI_э в коллекторной цепи транзистора.

Кроме того через коллекторный переход протекает обратный неуправляемый ток, создаваемый собственными неосновными носителями заряда КП – это собственный тепловой ток Iко коллекторного перехода.

Часть неосновных носителей заряда не достигает КП, рекомбинируя с основными носителями заряда в области базы, это создаёт ток базы I_Б.

Для транзистора можно записать следующие соотношения для токов:

1. ,

2. ,

где: - коэффициент передачи тока эмиттера (типичные значения a=0,9…0,999);

3. .

Коэффициент передачи тока эмиттера. Ток эмиттера, строго говоря, определяется I_э=_Iэn+I_эр, где I_эn и I_эр – электронная и дырочная составляющие тока эмиттера. Полезной составляющей в этой сумме является является та, которая создает ток коллектора, для транзистора n-р-n-типа это I_эn. Качество эмиттерного перехода характеризуют коэффициентом инжекции: g= I_эn/(I_эn+I_эр), или его называют эффективностью эмиттера.

Число неосновных носителей инжектированных в базу и достигших коллекторного перехода характеризуют коэффициентом переноса c=(I_к-I_к0)/I_эn.

Коэффициентом передачи тока эмиттера a называют отношение тока коллектора вызванного инжекцией неосновных носителей заряда через эмиттерный переход к полному току эмиттера a= (I_к-I_к0)/I_э. Отсюда следует, что a = gc.

1.3. Схемы включения биполярного транзистора

В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК) (рис. 1.4. а, б, в).

1.4. Режимы работы биполярного транзистора

В зависимости от сочетания знаков и значений напряжений на р-n-переходах различают следующие области (режимы) работы транзистора:

активный режим — напряжение на эмиттерном переходе прямое, а на коллекторном - обратное. Такой режим используется при работе транзистора в усилителях или генераторах. В таком режиме - Iвых=Кi_вх, К – коэффициент передачи тока;

режим отсечки — на обоих переходах обратные напряжения (транзистор заперт). Через транзистор протекает малый тепловой ток коллекторного перехода I_К=i_к0. Такой режим используется в ключевых схемах на транзисторах и соответствует разомкнутому состоянию ключа;

режим насыщения - на обоих переходах прямые напряжения (транзистор открыт) Через транзистор протекает максимальный ток, ограниченный сопротивлением коллекторной цепи – ток коллектора насыщения I_Кнас=Е_к/R_к. Такой режим используется в ключевых схемах на транзисторах и соответствует замкнутому состоянию ключа;

инверсный режим — напряжение на эмиттерном переходе обратное, а на коллекторном - прямое. Входным током можно считать ток коллектора, а выходным – ток эмиттера. Однако коэффициент передачи в таком режиме мал, а потому в усилительных схемах такой режим не применяется. Инверсное включение применяют в схемах двунаправленных переключателей, использующих симметричные транзисторы, в которых обе крайние области имеют одинаковые свойства.

1.5. Вольтамперные характеристики (ВАХ) биполярного транзистора

ВАХ представляют собой зависимости токов транзистора от напряжения на его выводах. График ВАХ необходимы для графического расчета режима работы транзистора и определения его параметров. Наибольший интерес представляют входные ВАХ – это зависимость входного тока I₁ от входного напряжения U₁ при постоянстве выходного напряжения U₂, т.е. I₁=f(U₁)|_U2=const, и выходные ВАХ – это зависимость выходного тока I₂ от выходного напряжения U₂ при постоянстве входного тока I₁, т.е. I₂=f(U₂)|_I1=const. Рассмотрим эти характеристики для n-p-n – транзистора, для двух схем включения - с ОБ и ОЭ.

Вольтамперные характеристики транзистора в схеме с ОБ

Входные ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОБ это I_э=f(U_эб)|_Uкб=const.При U_КБ = 0 и U_ЭБ > 0 характеристика имеет вид обычной ВАХ p - n – перехода смещенного в прямом направлении. При подаче запирающего напряжения на коллектор ( ), входные характеристики, незначительно смещаются влево, это обусловлено эффектом модуляции ширины базы и состоит в том, что толщина базы w уменьшается, что ведет к росту тока эмиттера- .

3. При U_ЭБ < 0, I_б=I_к0. Этот ток мал и на ВАХ его не показывают.

3. При U_ЭБ < 0, I_б=I_к0. Этот ток мал и на ВАХ его не показывают.

Выходные характеристики транзистора,включенного по схеме с ОБ – это зависимость I_к=f(U_кб)|_Iэ=const. Ток коллектора связан с движением неосновных носителями заряда.

При смещении КП в обратном направлении:

1. Если , то Iк=Iко, что соответствует обычной характеристики р-n-перехода, включенного в обратном направлении и соответствует режиму отсечки в работе транзистора.

2. При U_кб >0, - это линейный (активный) режим работы транзистора.

3. При U_кб>U_{кб max} наблюдается резкое возрастание коллекторного тока т.е.-пробой транзистора. Возможно два вида пробоя: лавинный – за счет ударной ионизация носителей заряда, и прокол базы – за счет смыкания коллекторного и эмиттерного переходов.

4. При коллекторный переход смещён в прямом направлении, а ток обусловленный неосновными носителями заряда стремиться к нулю.

При работе транзистора в активном режиме необходимо учитывать наклон выходных ВАХ связанный с модуляцией толщины базы. Для учета этого эффекта, в выражение для I_к=aI_э+I_к0, вводят дополнительное слагаемое

I_к=aI_э+I_к0+U_кб/r_{к диф},

где r_{к диф} =DU_кб/DI_к|_Iэ=const – дифференциальное сопротивление запертого коллекторного перехода в схеме с ОБ.

Усилительным параметром транзистора, включенного по схеме с общей базой, является - коэффициент передачи тока эмиттера . Различают три вида параметров :

1. Статический - , где - абсолютные значения.

2. Дифференциальный - α_ДИФ = a₀ = DI_Э/DI_К½_{Uкб = const}. Практически в активном режиме α_ДИФ=α. Поэтому в дальнейшем дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока также будем обозначать α.

3. Динамический - , где - комплексные амплитуды. Это комплексный коэффициент передачи, зависящий от частоты; ; - постоянная времени транзистора; D – коэффициент диффузии. Амплитудно и фазо- частотные характеристики a(jw) имеют вид: , j_a(w)= - arctg(wt_a).

С ростом частоты передаточные свойства биполярного транзистора ухудшаются, появляется фазовый сдвиг между выходным и входным сигналами.

Вольтамперные характеристики транзистора в схеме с ОЭ

Входная ВАХ :

1. Если , то (смещённого в прямом направлении).

2. Если , ВАХ смещается вправо, это связанно с тем, что через переход база-эмиттер протекает ток коллектора, создающий на нём напряжение.

3. Если Uбэ<0, то I_б0= -I*_к0. Т.к. I*_к0>> I_к0 поэтому его показывают на ВАХ.

Выходная ВАХ: I_К=f(U_КЭ)|_Iб=const. Выходные характеристики транзистора включенного по схеме с ОЭ имеют ряд отличий по сравнению с транзистором, включенным по схеме с ОБ.

1. За счёт U_кэ=U_кб+U_бэ ВАХ с ОЭ смещаются вправо.

2. Наклон рассматриваемых характеристик значительно больше чем прежде. Это связано с тем, что U_бэ, зависит от тока Iк протекающего через эмиттерный переход.

3. При U_кэ>U_кэmax, происходит пробой коллекторного перехода, причём, U_{кэ max}(ОЭ) < U_кбmax(ОБ).

4. При J_б=0, J_кэ=J^*_ко>>J_ко

Установим взаимосвязь между Iб и Iк. Учитывая, что:

I_к =aI_э+I_к0+U_кб/r_{к диф к} =a(I_к+I_б)+I_к0+U_кб/r_{к диф}

Разрешим последнее относительно Iк. Получим

I_к=a I_б /(1-a) +I_к0/(1-a) +U_кб/r_{к диф}(1-a) или I_к =bI_б+I^*_к0+U_кб/r^*_{к диф к}

Где b=I_к/I_б=a/(1-a) - коэффициент передачи тока базы, если , то ; если , то , I^*_к0= I_к0/(1 - a) – обратный ток колекторного перехода в схеме с ОЭ. I^*_к0 > I_к0 – это связано с усилением транзистором своего теплового тока – тока базы; r^*_{к диф к} =r_{к диф}(1-a) - дифференциальное сопротивление запертого коллекторного перехода в схеме с ОЭ. r^*_{к диф к} <r_{к диф} этим и обьясняется заметный наклон выходных ВАХ.

Усилительные свойства транзистора, включённого с ОЭ, характеризуются параметром b - коэффициент передачи тока базы. Различают три коэффициента передачи тока базы:

1. Статический коэффициент передачи β=I_к/I_б|_{Uкэ = const}.

2. Дифференциальный коэффициент передачи тока базы: β=∆I_к/∆I_б|_{Uкэ = const}

3. Динамический коэффициент передачи

t_b - постоянная времени транзистора включенного по схеме с ОЭ

Амплитудно и фазо-частотные характеристики b(jw) имеют вид

, j_b(w) = arctg(-wt_b),

где w_b=(t_b)^-1 – граничная частота транзистора по схеме с ОЭ, w_b<<w_a,

w_b = (1 - a)w_a.

1.6. Схемы замещения и параметры транзистора

Физические эквивалентные схемы транзистора и их параметры

Для аналитического расчета цепей с транзисторами широко используют схемы замещения. Получили распространение физические и формализованные модели транзистора. В физической схеме замещения ее параметры связаны с физическими (собственными) параметрами транзистора. На рис. 2.6, а, б показаны Т-образные схемы замещения для переменных токов и напряжений для схем с ОБ и ОЭ соответственно. Они справедливы для линейных участков входных и выходных ВАХ транзистора, на которых параметры транзистора можно считать неизменными.

Рассмотрим параметры транзистора по схеме с ОБ:

- r_э=dU_эб/ dI_б|_Uкэ=const - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (включенного в прямом направлении). Оно зависят от постоянной составляющей тока Iэ:

г_э ≈φ_т/I_э = 0,026 /I_э. (2.20)

Числовое значение г_э лежит в пределах от единиц до десятков Ом. г_б –обьемное сопротивление области базы . Обычно г_б >> г_э и состовляет 100-500 Ом.

- αI_э - эквивалентный источник тока, учитывает передачу эмиттерного тока, через базу в коллектор. α=∆Iк/∆Iэ│_Uкб=const. -дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока. Коэффициент α имеет порядок 0,9 — 0,999.

- r_к=∆U_кб/∆I_к│_Iэ=соnst — дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (включенного в обратном направлении); учитывает зависимость коллекторного тока от напряжения U_кб. Значения r_клежат в пределах 0,5—1 МОм.

- С_э и С_к — это емкости эмиттерного и коллекторного переходов. Каждая из них равна сумме барьерной и диффузионной емкостей соответствующего перехода.

В Т-образной схеме замещения транзистора ОЭ (рис. 2.6,6) сопротивления r_э и r_к, имеют тот же физический смысл и тот же порядок величин, что и в схеме ОБ. Поскольку входной ток в схеме ОЭ — ток базы, в выходную цепь введен источник тока βI_{б ,} где β =∆Iк/∆Iб|_{Uкэ = const} - дифференциальный коэффициент передачи тока базы в схеме ОЭ.

Сопротивление r^*_к = г_к/(1 + β), учитывает изменение коллекторного тока с изменением напряжения U_кб. Так как входным в схеме ОЭ является ток базы, который в 1 + β раз меньше тока эмиттера, то при переходе от схемы ОБ к схеме ОЭ в 1 + β раз уменьшается не только активное, но и емкостное сопротивление коллекторного перехода. В схеме ОЭ С*_к = (1 + β) С_к. Увеличение емкости С^*_к приводит к еще большему ее влиянию на высоких частотах, чем влияние емкости С_э. В связи с этим емкость С_э в схеме ОЭ можно не учитывать.

Поскольку на высоких частотах емкость С^*_к шунтирует большое сопротивление г_к, она сильно влияет на работу транзистора, а емкость С_э шунтирует малое сопротивление г_э и ее влияние незначительно. Емкость С_к учитывают при частотах, составляющих десятки килогерц, а емкость С_э — при частотах, превышающих единицы и десятки мегагерц. При работе на средних частотах (от десятков герц до единиц килогерц) емкости переходов не учитывают и в схему замещения не вводят.

Так как в транзисторе существует положительная обратная связь, обусловленная эффектом модуляции ширины базы, то во входные цепи схем замещения следовало бы ввести источник напряжения, учитывающий это явление. Но т.к. числовое значение коэффициента обратной связи мало (~10^-3-~10^-4), то обычно этот источник в схему замещения не вводят.

1.7. Формальные схемы замещения транзистора и их параметры

Они основаны на представлении транзистора в виде четырехполюсника, который может быть охарактеризован одной из шести систем уравнений, связывающих между собой входные и выходные токи и напряжения. Чаще всего используются следующие три системы уравнений в которых Y,Z,H являются параметрами.

Наиболее широко используется система H- параметров т.к. они наиболее удобны для измерений. Система уравнений, устанавливающая связь токов и напряжений с H-параметрами, имеет вид:

где - входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока;

– коэффициент обратной связи по напряжении при холостом ходе на входе для переменной составляющей тока;

– коэффициент передачи по току при коротком замыкании на выходе;

– выходная проводимость транзистора при холостом ходе на входе для переменной составляющей тока.

Поскольку h-параметры измеряются наиболее просто, то они наиболее часто, приводятся в технических условиях и справочниках по транзисторам.

Значения h-параметров зависят от схемы включения транзистора, поэтому в обозначении параметров вводится третий индекс («Б», «Э», «К»).

Формальные схемы замещения составляют по основным уравнениям четырехполюсника. Схемы замещения транзистора для систем Z, Y и H-параметров показаны на рис. .

Покажем связь между h-параметрами формальной схемы замещения (рис. ) транзистора для схем с ОБ и ОЭ с параметрами физических схем замещения (рис. и рис. ).

h_11б = r_{э диф}+r_б(1- a) ; h_11э = r_б+ r_{э диф}(b+1);

h_21б= a r_{к диф}/(r_{к диф}+r_б) = a ; h_21э = b r_{к диф}/(r_{к диф}+r_{э диф}) = b;

h_12б= r_б/(r_{к диф}+r_б) = r_б/r_{к диф} ; h_12э = (b+1) r_{к диф}/r_{э диф} ;

h_22б= 1/(r_{к диф}+r_б) = 1/r_{к диф} ;h_22э = (b+1) /r_{к диф} = 1/ r^*_{к диф}.

1.8. Методика графического определения h –параметров транзистора

Располагая вольт–амперными характеристиками транзистора, можно графическим путем определить низкочастотные значения h-параметров. Для определения h-параметры необходимо задать рабочую точку, например А (I_бА, U_кэА), в которой требуется найти параметры.

Параметры h_11э и h_12э находят по входной характеристики U_бэ =¦₁(I_б)|_Uкэ=const.

Определим h_11э для заданной рабочей точки А (I_бА, U_кэА). На входной характеристике находим точку А, соответствующую заданной рабочей точке (рис.1.8). Выбираем, при постоянном напряжении U_кэА= U_кэ1, вблизи рабочей точки А, две вспомогательные точки А₁ и А₂ (приблизительно на одинаковом расстояние), определим по ними DU_бэ и DI_б и рассчитаем входное дифференциальное сопротивление, по формуле:

h_11э=(DU_бэ /DI_б)|_Uкэ=const.

Приращения DU_бэ и DI_б выбираю так, чтобы не выходить за пределы линейного участка, их можно примерно принять за (10-20)% от значений рабочей точки.

Для определения параметра h_12э =(DU_бэ/DU_кэ)½_Iб=const, при неизменном токе I_б=I_бА, задаем приращение напряжения на коллектор DU_кэ=U_кэ2 - U_кэ1 и переходим во вспомогательную точку В. Далее определяем приращение напряжения на базе DU^*_бэ, а затем по формуле рассчитываем параметр

h_12э =(DU_бэ/DU_кэ)½_Iб=const.

Часто графическое определение параметра h_12э = DU_бэ /DU_кэ затруднено, так как семейство входных характеристик при различных DU_кэ>0 практически сливается в одну.

Параметры h_22э и h_21э определяются из семейства выходных характеристик транзистора I_к=¦₁ (U_кэ) (рис.1.9).

Параметр h_21э=(DI_к/DI_б)|_Uкэ=const. находится в заданной рабочей точке А (I_бА, U_кэА). Для нахождения необходимых приращений выбирают две вспомогательные точки А₁ и А₂ вблизи рабочей точки А при постоянном U_кэ =U_кэ0. Приращение тока базы DI_б следует брать, как DI_б=I_б2 –I_б1, где I_б2 и I_б1 определены как токи базы в точках А₂ и А₁. Этому приращению DI_б соответствует приращение коллекторного тока DI_к = I_к2 –I_к1, где I_к2 и I_к1.определены в точках точках А₂ и А₁. Тогда дифференциальный коэффициент передачи тока базы рассчитаем по формуле h_21э= (DI_к /DI_б) )|_Uкэ=const..

Параметр h_22э=(DI_к/DU_кэ)½_Iб=const определяется по наклону выходной характеристики (рис.1.9) в заданной рабочей точки А (I_бА, U_кэА), при постоянном токе базы I_б=I_бА Для нахождения необходимых приращений выбирают две вспомогательные точки точки А^*₁ и А^*₂ . Для этих точек определяют DU^*_кэ|_{Iб = IбА} =U_к2 –U_к1–приращение коллекторного напряжения, и приращение коллекторного тока DI^*_к= I^*_к2 –I^*_к1. При этом из семейства выходных характеристик следует выбирать ту характеристику, которая снята при выбранном значение тока базы I_б=I_бА.

Если рабочая точка не совпадает ни с одной траекторией приведенной на графике, то такую траекторию надо провести самостоятельно, между и по аналогии с соседними значения тока базы которых известно, и присвоить ей свое значение тока базы равное I_бА.