Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. А.Н.ТУПОЛЕВА

Кафедра радиоэлектроники и информационно-измерительной техники

“ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА”

ПО КУРСУ

“ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ”

Методические указания к лабораторной работе 206 Казань-2011.

УДК 621.382.3.01 (076.5) Методические указания к лабораторной работе “Исследование биполярного транзистора” по курсу “Электроника” /КГТУ; Составители: Л. М. Урманчеев, М.И. Нургалиев, Н.Б.Куншина. Казань: 2011. 21 с.

Цель работы - ознакомится с принципом действия, характеристиками и параметрами биполярного транзистора в статическом и нагруженном режиме.

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНЗИСТОРА.

Транзисторами называют полупроводниковые приборы, которые способны усиливать электрическую мощность.

В основе работы биполярных транзисторов лежит инжекция неосновных носителей заряда. Термин «биполярный» призван подчеркнуть роль обоих типов носителей заряда (электронов и дырок) в работе транзистора: инжекция неосновных носителей сопровождается компенсацией их заряда основными носителями.

Биполярный транзистор представляет собой совокупность двух встречно включенных взаимодействующих p-n-переходов. Взаимодействие p-n-переходов обеспечивается тем, что они расположены близко друг к другу – значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда в базе. Транзисторы бывают двух типов: n-p-n и pn-p в зависимости от порядка чередования слоев с разным типом проводимости (рис.1) Р К Э К Э p n p n p n Б Б Э К Э К Б Б Рис.1. Структура и условные обозначения биполярных транзисторов.

Одна из крайних областей называется эмиттером, другая – коллектором, промежуточную область называют базой. Эмиттер предназначен для инжекции носителей в базу, это наиболее сильно легированная область. Назначение коллектора – экстракция инжектированных носителей из базы. Электронно-дырочный переход (p-n-переход) между эмиттером и базой называется эмиттерным, между коллектором и базой – коллекторным.

В реальном транзисторе площадь коллектора больше, чем эмиттера, и транзистор, кроме активной области, ограниченной площадью сечения эмиттера, имеет также пассивные области. Структуры на рис.1 отображают лишь активную область транзистора.

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие лишь в том, что в p-n-p – транзисторе ток через базу переносится дырками, инжектированными из эмиттера, а в транзисторе типа n-p-n – электронами.

Режимы работы.

Возможны три режима работы биполярного транзистора:

1.Активный режим, когда один из переходов смещен в прямом направлении, а другой – в обратном. В этом режиме транзистор обладает усилительными свойствами.

При этом возможны два варианта:

– Нормальное включение – на эмиттерный переход подается прямое напряжение, на коллекторный – обратное.

– Инверсное включение – когда на эмиттерный переход подано обратное напряжение, на коллекторный – прямое. Передача тока при этом значительно хуже, чем при нормальном включении, во-первых, из-за того, что коллектор легирован слабее, вовторых, размеры эмиттера меньше, чем коллектора, и только часть зарядов попадает в эмиттер.

2.Режим насыщения (двойной инжекции) – на обоих переходах действует прямое напряжение. При этом и эмиттер, и коллектор инжектируют носители в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из них собирает носители, дошедшие от другого перехода.

3.Режим отсечки – когда оба перехода смещены в обратном направлении, транзистор заперт.

При нормальном включении транзистора из эмиттера в базу инжектируются неосновные носители, и большая их часть, диффундируя сквозь базу, достигают коллекторного перехода, не успев рекомбинировать с основными носителями благодаря малой толщине базы. Коллекторный переход открыт для дырок, инжектированных в базу, и они беспрепятственно проходят в коллектор. Таким образом, при нормальном включении коллектор собирает поступившие в базу неосновные носители заряда. Небольшая часть инжектированных носителей рекомбинируют в базе с основными носителями, в результате в цепи базы возникает ток IБ, компенсирующий убыль основных носителей за счет рекомбинации, а также за счет небольшой инжекции из базы в эмиттер.

На основании закона Кирхгофа для токов в цепях электродов транзистора можно записать (1) IЭ =IК+IБ Коллекторный ток IК пропорционален величине эмиттерного тока IЭ:

(2) IК = IЭ+ IКБО, где – коэффициент передачи тока эмиттера, величина которого чуть меньше, но близка к единице.

В цепи коллектора протекает также собственный обратный ток коллектора IКБО.

Следует отметить, что ток IKБО представляет собой выходной ток при разомкнутой цепи входного электрода (IЭ= 0, режим х.х. на входе) в схеме с ОБ.

Схемы включения.

В зависимости от того, какой электрод соединен с общей шиной возможны три способа включения транзистора – с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) (рис.2)

UЭБ UКБ UБК

2. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРА.

Характеристики транзисторов определяют соотношения между токами, проходящими в цепях транзистора, и напряжениями на его электродах.

Для транзистора за независимые переменные удобно принять входной ток и напряжение на выходном электроде, а за функции – выходной ток и напряжение на входном электроде. Зависимые переменные рассматриваются как функции одной независимой переменной при фиксированном значении другой независимой переменной, которая является параметром характеристики. Таким образом, используются четыре семейства статических характеристик:

4) обратной связью по напряжению UВХ = f(UВЫХ ), при IВХ = const.

Указанные выше характеристики зависят от схемы включения транзистора с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК) (Рис.2).

Наиболее важными характеристиками, необходимыми для графического расчета режима работы транзистора, являются выходные и входные характеристики. Рассмотрим эти характеристики для p-n-p – транзистора.

Пример семейства входных и выходных характеристик маломощного германиевого транзистора приведен на рис.3 и 4.

При UКБ = 0 и UЭБ > 0 характеристика имеет вид обычной ВАХ p-n-перехода в прямом направлении. При подаче запирающего напряжения на коллектор входные характеристики изменяются очень незначительно, что указывает на слабое влияние поля коллектора, на прохождение тока через эмиттерный переход. Это влияние обусловлено эффектом Эрли – уменьшением ширины (толщины) базы при увеличении обратного коллекторного напряжения вследствие расширения коллекторного перехода, что приводит к увеличению коэффициента на доли процента и соответствующему росту тока.

Наклон выходных характеристик в схеме с ОБ незначителен и также обусловлен эффектом Эрли. Собственный обратный ток коллектора IКБ0 кроме теплового тока IК включает также ток термогенерации IКТ и утечки IКУ. Характеристика передачи дается выражением (2).

Активный режим соответствует первому квадранту выходных характеристик, в режиме двойной инжекции (второй квадрант) происходит спад коллекторного тока при неизменном эмиттерном токе. Это результат встречной инжекции c коллекторного перехода.

Характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

Семейства входных и выходных характеристик приведены на рис.5 и 6.

Входная характеристика при UКЭ=0 соответствует диодному включению транзистора, когда оба перехода соединены параллельно. При прямом смещении переходы открываются, и ток возрастает по экспоненциальному закону.

При обратном смещении коллекторного перехода ВАХ смещается вниз и вправо и при обратных напряжениях UКЭ 0,5В напряжение коллектора практически не влияет на входные характеристики – кривые практически сливаются. Ток базы имеет две противоположно направленные составляющие:

Первая составляющая – рекомбинационная – идет на восполнение убыли основных носителей вследствие рекомбинации и инжекции в эмиттер, вторая – обратный ток коллекторного перехода. При обратном смещении базы ток базы практически совпадает с IКБ0. При подаче прямого напряжения на базу эмиттерный переход открывается и в цепи базы появляется рекомбинационный ток.

Выходные характеристики в схеме с ОЭ, в отличие от характеристик схемы с ОБ, имеют крутой участок не при положительных напряжениях на коллекторе, а при малых отрицательных. Это объясняется тем, что напряжение на базе отрицательно. Пунктирная линия на рис.6 соответствует условию UКБ=0.

Для схемы включения с ОЭ характерна заданная величина тока базы. В активном режиме выходной ток пропорционален входному току:

где – статический коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ, IКЭ0 – обратный ток коллектора при разомкнутой базе. Связь между коэффициентами, и токами IКЭ0, IКБ легко получить, подставив IЭ из формулы (1) в формулу (2):

Пологий участок характеристик в схеме с ОЭ имеет больший наклон, чем в схеме с ОБ. Это связано с эффектом Эрли – уменьшением ширины базы при увеличении UКЭ, – даже незначительное изменение коэффициента приводят к существенному изменению, а следовательно, и росту тока IК в схеме ОЭ вследствие связи (5).

Спад коллекторного тока наступает в режиме двойной инжекции, которой соответствует область, лежащая левее пунктирной кривой UКБ=0 на рис.6. Заметный спад тока наступает лишь тогда, когда прямое напряжение U КБ достигает напряжения отпирания U КБ = U * 0.1B, где U* – напряжение открытого p-n-перехода.

3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРА.

Величины, связывающие малые приращения токов и напряжений называются дифференциальными параметрами. Критерием малости изменений токов и напряжений является линейность связи между ними, следовательно, дифференциальные параметры не зависят от амплитуды переменных составляющих токов и напряжений. Поэтому, когда транзистор работает в линейном режиме, для расчетов удобнее пользоваться не характеристиками, а параметрами.

Представим транзистор в виде четырехполюсника, на входе которого действуют ток 1 и напряжение 1, а на выходе ток 2 и напряжение 2 (Рис.7) Из четырех переменных, характеризующих четырехполюсник, только две являются независимыми. В зависимости от того, какие из них приняты за независимые получаются различные системы дифференциальных параметров. На практике наиболее часто используются три системы параметров: Y, Z, H. В системе Y-параметров за независимые принимаются напряжения U1 и U2, токи I1, I2 являются функциями этих величин, в системе Z-параметров за независимые принимаются I1 и I2, U1, и U2 являются их функциями. В системе H-параметров за независимые переменные приняты входной ток I1 и выходное напряжение U2 Эту систему называют также смешанной или гибридной, так как Hпараметры имеют различную размерность.

Дифференциальные параметры несложно пересчитать из одной системы в другую.

Выбор конкретной системы определяется удобством измерения. Систему H – параметров используют на низких частотах (обозначают строчной буквой h), когда пренебрежимо малы емкостные составляющие токов. Необходимые для измерения h-параметров режимы короткого замыкания выхода и холостого хода входа для переменной составляющей тока могут быть осуществлены на низких частотах сравнительно просто вследствие малого входного и большого выходного сопротивления транзистора. Поэтому в технических условиях и справочниках по транзисторам низкочастотные параметры приводятся в этой системе.

Принимая за независимые переменные входной ток I1 и выходное напряжение U2, можно получить уравнения четырехполюсника в системе Н-параметров:

где H11 = 1 – входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока;

H 12 = – коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе для переменной составляющей тока;

H 21 = – коэффициент передачи по току при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока;

H 22 = – выходная проводимость транзистора при холостом ходе на входе для переменной составляющей тока.

Величина параметров транзистора зависит от способа его включения, поэтому в обозначении параметров вводится третий индекс («Б», «Э», «К»), определяющий схему включения.

Определение h-параметров транзистора по статическим характеристикам.

Низкочастотные значения h-параметров можно найти с помощью входных и выходных характеристик. Должна быть задана или выбрана рабочая точка, в которой требуется найти параметры. Найдем h-параметры транзистора МП14 (рис.5, 6) в рабочей точке IБ =60 мкА, UКЭ=8 В.

Параметры h21 и h22 определяются по выходным характеристикам транзистора (рис.6). При постоянном токе базы задаем приращение коллекторного напряжения U =12В-4В и находим получающееся при этом приращение тока коллектора I К (катет зачерненного треугольника). Тогда выходная проводимость транзистора Далее при постоянном напряжении коллектора UКЭ=8В задаем приращение тока базы I Б = I Б - I Б и определяем получающееся при этом приращение тока коллектора I K. Тогда дифференциальный коэффициент передачи тока базы Параметры h11Э и h12 Э определяют по входным характеристикам (рис. 9). Рабочая точка находится при IБ =60мкА между характеристиками, снятыми при UКЭ=5В и UКЭ=10В. Для нахождения h11Э можно взять любую из них. Берем две точки IБ=60мкА и IБ=80мкА на одной из характеристик и находим получающиеся при этом приращение напряжения базы U БЭ =17мВ. Тогда входное сопротивление транзистора Затем при постоянном токе базы I Б =60 мкА находим приращения напряжения базы U БЭ =8мВ между характеристиками, снятыми при UКЭ=5В и UКЭ=10В. Тогда коэффициент обратной связи по напряжению:

Аналогично могут быть определены по соответствующим характеристикам параметра транзистора в других схемах включения.

инерционность транзистора и H-параметры становятся частотно зависимыми.

Инерционность транзистора при быстрых изменениях входных токов обусловлена конечным временем пролета инжектированных носителей и заряжением емкостей p-nпереходов.

Т-образную эквивалентную схему транзистора для схемы с ОБ можно получить из модели Эберса-Молла, исключив генератор тока II2 и заменив диоды их дифференциальными сопротивлениями и емкостями, учитывая дополнительно сопротивление базы.

Эта схема приведена на рис.9, где rЭ, rК – дифференциальные сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов, СЭ = СЭбар+СЭдф, СК = СКбар, rБ – распределенное где =1/ – граничная частота коэффициента передачи. На этой частоте В справочниках обычно не приводят величины rЭ, rК, rБ, поэтому их рассчитывают по известным h-параметрам транзистора, включенного по схеме с ОБ:

Для маломощных транзисторов эти параметры имеют следующие значения:

rЭ=20…40 Ом, rБ=200…300 Ом, rК=100…1000 кОм,

4. ТРАНЗИСТОР В РЕЖИМЕ УСИЛЕНИЯ

При использовании транзистора в качестве усилителя в его выходную цепь включается нагрузка, сопротивление которой будем для простоты считать чисто активным. На рис.10 усилитель на транзисторе изображен в обобщенном виде как четырехполюсник: в выходную цепь включено сопротивление нагрузки Rн; во входной цепи действует источник сигнала, создающий переменное напряжение, U 1, которое должно быть усилено.

Три возможные схемы включения транзистора в качестве усилителя представлены на рис.11. В схемах с ОБ и с ОЭ сопротивление нагрузки Rн включено в коллекторную Рис.11. Схемы усилителей при включении транзистора с ОБ (а), ОЭ (б) цепь последовательно с источником коллекторного напряжения E K, в схеме с ОК нагрузка включена в цепь эмиттера. Во входные цепи включены источники усиливаемого напряжения U и напряжения смещения E, (ОБ) или E Б (ОЭ, ОК), позволяющие установить рабочую точку на практически линейном участке характеристики, где искажения при усилении минимальны.

Характеристики транзистора при наличии нагрузки называются нагрузочными характеристиками. Они имеют иной вид, чем статические характеристики, так как в данном режиме выходное напряжение не остаётся постоянным. Напряжение коллектора U K при наличии сопротивления RН в его цепи и ток коллектора IК связаны соотношением (8):

Это выражение, являющееся уравнением прямой, и представляет собой выходную нагрузочную характеристику транзистора. Эта прямая пересекает оси координат в точках 2ImK IK = при Uк=0 и U K = E K при I K = 0. Нагрузочная характеристика строится на семействе выходных статических характеристик транзистора (рис.12).

Для получения входной нагрузочной характеристики транзистора перенесем на семейство входных статических характеристик I = f (U K ) точки А,B,С полученной нами выходной нагрузочной характеристики. Соединяя эти точки плавной кривой (рис.13), получим требуемую характеристику.

В схеме ОЭ входные статические характеристики в активном режиме практически сливаются и в справочниках обычно приводится лишь одна характеристика для достаточно большого напряжения UКЭ, и ее можно принять в качестве входной нагрузочной характеристики.

По построенным нагрузочным характеристикам можно произвести расчет режима усиления: выбрать область неискаженного усиления, определить напряжение или ток смещения, допустимую амплитуду сигнала, входную и выходную мощность, коэффициент усиления по току, напряжению и мощности.

Выбор области неискаженного усиления целесообразно начинать с входных характеристик, выделив на них участок, который с достаточной точностью можно считать линейным. Исходную точку А выбираем посередине этого участка (см. рис.13), для этого во входной цепи транзистора с помощью источника напряжения смещения ЕБ должен быть создан ток смещения I0Б. Допустимая амплитуда входного тока, как видно из характеристики, должна удовлетворять неравенству ImБ < I0Б. Мощность, затрачиваемая источником сигнала на входе: PВХ = I mБU mБ, мощность на выходе: P = I m U m. Коэффициенты усиления:

Связь коэффициентов усиления с h-параметрами.

В нагруженном режиме к уравнениям (8), связывающим приращения токов и напряжений, добавляется еще одно, связывающее приращение выходного тока и напряжения согласно нагрузочной характеристике:

Три уравнения связывают четыре переменные, таким образом, только одна из них является независимой. Исключая из этих уравнений те или другие величины, получаем Обычно при включении с ОБ и ОЭ выполняются соотношения:

Усилительные свойства транзистора при различных способах его включения.

Будем считать, что выполнены условия (11) и (12) и в схемах с ОБ и с ОЭ применимы формулы (9а), (10а), (13).

Коэффициент передачи тока эмиттера: h21Б=-, знак “-“ связан с тем, что за положительные в системе h-параметров приняты втекающие токи, тогда как, если IЭ втекает, то IК вытекает, и наоборот.

Коэффициенты усиления для схемы с ОБ:

Входное сопротивление h низких частотах отношение может достигать нескольких тысяч, т.к. входное соh11Б противление h11Б очень мало, а сопротивление нагрузки Rн может иметь величину в несколько кОм.

Недостатком схемы с ОБ является низкое входное сопротивление, затрудняющее согласования ступеней усиления.

Схема с ОЭ (рис.11б).

Входным током в схеме является ток базы, коэффициент передачи h21Э=. Входное сопротивление в данном случае значительно выше, чем в схеме с ОБ, так как при одинаковом переменном напряжении на входе ток базы существенно меньше тока эмиттера.

Параметры связаны соотношением Коэффициенты усиления в схеме с ОЭ:

KU имеет примерно такую же величину, как и в схеме с ОБ, а в h21 раз больше, чем в схеме с ОБ/ Благодаря более высокому входному сопротивлению и более высокому усилению по мощности схема с ОЭ получила на практике самое широкое распространение.

В данном случае сопротивление нагрузки Rн включено в цепь эмиттера, благодаря чему на эмиттерном переходе действует напряжение U mБ, равное разности между входным UВХ и выходным UВЫХ напряжениями.

Поэтому коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК всегда меньше единицы:

Коэффициент передачи тока базы в схеме с ОК h21К=+1. При включении с ОК условие (12) не выполняется, поскольку h12К=1 и h21КRН >>h11К=h11Э.

Коэффициенты усиления: