Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Теоретическое обоснование работы

Лабораторная работа

"Исследование биполярного транзистора"

Цель работы: Изучение устройства и принцип действия биполярных транзисторов. Снятие статических характеристик и определение по ним параметров транзисторов.

Теоретическое обоснование работы

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n - переходами и тремя или более выводами. Он представляет собой полупроводниковый кристалл, в котором две крайние области с однотипной электропроводимостью разделены областью противоположной электропроводности. В зависимости от электропроводности этих трех областей различают транзисторы n-p-n и p-n-p типа (рис.1,а). Термин "биполярный" подчеркивает, что в работе таких транзисторов играют роль оба типа носителей зарядов - электроны и дырки. В настоящее время более распространены n-p-n транзисторы, которые и будем рассматривать ниже.

Реальные биполярные транзисторы являются ассиметричными прибораим. Их p-n - переходы существенно различаются (рис.1,б) - один из них (n₁-p) имеет гораздо меньшую площадь, чем другой (n₂-p). Асимметрия наблюдается и в концентрации примесей слой n₁(см. рис.1,б) имеет большую концентрацию примесей, чем слой n₂. Средний слой транзистора называют базой, крайний сильно легированный слой меньшей площади (n₁) - эмиттером, а слой с большей площадью (n₂) - коллектором. Соответственно, n₁-p - переход называют эмиттерным, а n₂-p - переход коллекторным.

Конструктивно транзистор представляет собой полупроводниковый кристалл, часть поверхностей которого (базы, эмиттера и коллектора) покрывается металлической пленкой. К этим пленкам привариваются или припаиваются внешние выводы всех электродов транзистора. Сам кристалл укрепляют на кристаллодержателе и помещают в герметизированный корпус (рис.1,в), а выводы через изоляторы в дне корпуса выводят наружу. В мощных транзисторах коллектор часто непосредственно соединяют с основанием, что увеличивает рассеиваемую на нем мощность. В этом случае коллекторным выводом служит основание корпуса транзистора.

Взаимодействие между p-n переходами обеспечивается малой шириной базы w, которая у современных транзисторов не превышает 1 мкм. Основные свойства транзистора определяются процессами в его базе.

а) б)

в)

Рис.1. Биполярный транзистор

На каждый p-n переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. Соответтственно различают четыре режима работы транзистора:

режим отсечки - на оба перехода подано обратное напряжение;

режим насыщения - на оба перехода подано прямое напряжение;

активный - на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный переходобратное;

инверсный - на эмиттерный переход подано обратное

напряжение, а на коллекторный переход - прямое.

Рассмотрим работу n-p-n транзистора в активном режиме. В этом случае источник питания подключается к эмиттерному переходу в прямом направлении ("-" на эмиттере), и через эмиттерный переход проходит прямой ток. При этом из эмиттера в базу будут инжектроваться электроны, а из базы в эмиттер - дырки. Однако, так как эмиттер легирован значительно сильнее, чем база, поток электронов будет много больше и именно он будет определять процессы, происходящие в транзисторе. Инжектированные из эмиттера электроны в базе оказываются неосновными носителями зарядов и будут двигатся, главным образом, за счет диффузии, стремясь равномерно распределяться по всему объему базы.

Так как толщина базы мала, большинство электронов не успевает рекомбинировать в ней и достигает коллекторного перехода. Вдлизи коллекторного перехода поток электронов попадает под действие электрического поля этого обратно смещенного перехода. Это вызывает быстрый дрейф электронов через коллекторный переход в область коллектора, где он становятся основными носителями зарядов и легко доходят до коллекторного вывода, создавая ток во внешней цепи транзистора.

Дрейф электронов через коллекторный переход снижает их концентрацию в области базы, что создает направленную диффузию инжектируемого эмиттером потока электронов. Однако, небольшая часть электронов, инжектированных эмиттером, все же успевает рекомбинировать в область базы. Поэтому не все электроны, прошедшие через эмиттерный переход, доходят до коллекторного перехода. Вследствие этого ток коллектора I_к всегда оказываетсяменьше тока эмиттра I_э. Рекомбинация электронов в базе вызывает соответствующий ток во внешней для базы цепи - ток базы I_б. Между токами эмиттера, коллектора и базы существует очевидное соотношение:

I_к = I_э – I_б

(1)

Для характеристики биполярного транзистора вводят два параметра: коэффициент передачи тока базы и тока эмиттера. Коэффициент передачи тока эмиттера называют отношение I_к/I_э, которое определяет долю носителей зарядов, инжектированных в базу и достигших вследствие диффузии коллектора. Для современных транзисторов этот коэффициент близок к единице (0.900...0.997). Коэффициентом передачи тока базы называют отношение I_к/I_б, его типичное значение 100-150.

Свойства биполярного транзистора полностью определяются его вольт-амперных характеристик, которые выражают взаимосвязь между четырьмя величинами: входными и выходными токами и напряжениями. Всего таких семейств шесть, в качестве основных выбирают два - семейство входных характеристик I_вх(U_вх) и семейство выходных характеристик I_вых(U_вых). При этом вид этих характеристик транзистора зависит от схемы его включения. Различают такие схемы включения: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Очевидно, что при любой схеме включения физические процессы, происходящие в транзисторе, не меняются, но существенно меняются входные и выходные величины.

В усилительных каскадах с общим коллектором К_и = 0,9¸ 0,99. Из схемы этого каскада видно, что выходное напряжение практически совпадает по фазе с входным. Поскольку выходное напряжение усилительных каскадов с общим коллектором мало отличается от входного численно и по фазе, их часто называют эмиттерными повторителями. Так как значение К_U близко к единице, входное сопротивление эмиттерного повторителя много больше входного сопротивления h₁₁ транзистора и достигает нескольких сотен килоом.

Таким образом, эмиттерный повторитель обладает большим входным и малым выходным сопротивлениями. Следовательно, его коэффициент усиления по току может быть очень высоким. Эмиттерный повторитель обычно применяют для согласования высокоомного источника усиливаемого напряжения с низкоомным нагрузочным устройством.

Усилительный каскад с общей базой имеет примерно такой же коэффициент усиления по напряжению, как и в каскаде с общим эмиттером, но коэффициент усиления по току у него меньше единицы, так как выходным является коллекторный ток, а входным — эмиттерный ток, который несколько больше коллекторного тока. Таким образом, коэффициент усиления по мощности К_р= K_uK_I каскадов с общей базой значительно меньше, чем каскадов с общим эмиттером. Другие недостатки усилительных каскадов с общей базой — малое входное и сравнительно большое выходное сопротивления. Вследствие этого усилительный каскад с общей базой применяют очень редко.

В схеме с ОЭ (рис.2,а) входными характеристиками является семейство I_б=f(U_БЭ) при U_КЭ=const (рис.2,б). Выходными характеристиками транзистора в схеме с ОЭ является семейство I_к=(U_кэ) при I_б=const (рис.2,в). Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ проходят через начало координат и при U_кэ>0 не заходят в область прямого напряжения на коллекторном переходе. При небольшом положительном напряжение U_кэ зависимость I_к=(U_кэ) имеет значительную крутизну, а пологие участки практически параллельны оси абсцисс.

а)

б) в)

Рис.2. а) схема включения транзистора с общим эмиттером;

б) входные характеристики биполярного транзистора;

в) выходные характеристики биполярного транзистора.

Семейство входных и выходных характеристик биполярного транзистора содержат подробную информацию, которая при анализе транзисторных схем в ряде случаев оказывается излишней. При рассмотрении транзистора как элемента схемы при малом переменном сигнале удобнее представить его в виде четырехполюсника (рис.3,а) и описать параметрами четырехполюника.

а)

б)

в)

Рис.3. а) схема включения транзистора с общим эмиттером;

б) входные характеристики биполярного транзистора;

в) выходные характеристики биполярного транзистора.

Наиболее удобный для описания биполярного транзистора является система h - параметров:

U_бэ = h₁₁ I_б + h₁₂ U_кэ

(2)

I_к = h₂₁ I_б + h₂₂ U_кэ	(3)

h_11э = DU_бэ/DI_б при U_кэ = const	(4)

- параметр, имеющий размерность сопротивления, характеризующий входное сопротивление и представляющий собой отношение изменения напряжения на входе и вызвавшему его изменению входного тока в режиме короткого замыкания по паременному току на выходе транзистора; значение h₁₁ определяется наклоном входной характеристики транзистора в режиме короткого замыкания по переменному току на выходе:

h_12э = DU_бэ/DU_кэпри I_б =const

(5)

- безразмерный параметр, характеризующий внутреннюю обратную связь между входной и выходной цепями и представляющий собой отношение изменения напряженя на выходе в режиме холостого хода во входной цепи по переменному току:

h_21э = DI_к/DI_б при U_кэ= const

(6)

- безразмерный параметр, характеризующий прямую связь по току между выходной цепями и представляющий собой отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению входного тока в режиме короткого замыкания входной цепи по переменному току;

Где параметр h₂₁ является одним из важнейших параметров транзистора:

h_22э = DI_к/DU_кэ при I_б= const

(7)

- параметр, имеющий размерность проводимости, характеризующий выходную проводимость и представляющий собой отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению выходного напряжения в режиме холостого хода входной цепи по переменному току: значение h₂₂ определяется наклоном выходной характеристики транзистора.

Конкретные значения h - параметров различны для различных схем включения транзистора, поэтому в схеме с ОБ и ОЭ добавляются индекс "б" и "э" соответственно.

h - параметры позволяют построить удобные для анализа эквивалентные схемы включения транзистора (с ОЭ) согласно (2) и (3) эквивалентная схема транзистора имеет вид рис.3,б, где h_11э, h_12э, h_21э и h_22э - h - параметры в схеме с ОЭ. Эту эквивалентную схему можно использовать для исследований транзисторных схем при малом переменном сигнале в широком частотном диапазоне. Для более узкого диапазона частот с учетом того, что значение h_21э мало (10^-3), эквивалентная схема биполярного транзистора упрощается (рис.3,в). Последней эквивалентной схемой мы и будем пользоваться при анализе усилителей.

В настоящее время транзисторы являются весьма распостраненными полупроводниковыми приборами, с помощью которых успешно осуществляются как усилительные, так и переключающие функции.

12 Следующая ⇒