Лабораторная работа № 8 исследование работы транзистора в ключевом режиме

1. Цель и содержание работы

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование работы биполярного транзистора в ключевом режиме.

В работе используется биполярный транзистор типа МП42А в статическом и импульсном режимах при различных сопротивлениях нагрузки и дополнительной ёмкостной нагрузке на выходе.

2. Краткие сведения из теории

2.1. Биполярный транзистор, его параметры и характеристики.

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор, состоящий из трех последовательных областей полупроводника с чередующимся типом проводимости (электронной и дырочной) рис. 1. При подаче на внешние выводы питающих напряжений определенной полярности прибор способен усиливать мощность электрических сигналов.

Конструкция транзистора выполнена таким образом, что между электронно-дырочными переходами транзистора существует взаимодействие, благодаря которому ток одного перехода может управлять током другого. При этом носители, инжектированные через один открытый переход, достигают другого перехода и изменяют его ток.

Взаимодействие между переходами обусловлено малой толщиной базы (примерно 0,5 мкм), которая оказывается значительно меньше диффузионной длины носителей, инжектированных в базу (примерно 10 мкм). Инжектированные носители распространяются в базе по законам диффузии и дрейфа, если в базе существует внутреннее электрическое поле, достигают коллекторного перехода и втягиваются в область коллектора под действием электрического поля, создаваемого источником коллекторного питания. Явление втягивания носителей в другую область p-n перехода под действием электрического поля называется экстракцией. Электрический ток через переход эмиттер-база обусловлен главным образом инжекцией носителей из эмиттера в базу. Инжекция носителей из базы в эмиттер незначительна, так как концентрация примесей в области базы гораздо ниже (на несколько порядков), чем в эмиттере. Отношение количества носителей, инжектированных из эмиттера в базу, к общему количеству носителей называется коэффициентом инжекции. Коэффициент инжекции, или эффективность эмиттера для транзистора n-p-n типа

(5.1)

.

(5.2)

(5.2)

Незначительная часть электронов, инжектированных в базу, рекомбинирует с основными носителями в базе, дырками, поэтому электронный ток коллектора меньше электронного тока эмиттера. Коэффициент переноса тока через базу

.

Статический коэффициент передачи тока эмиттера в схеме с общей базой

(5.3)

,

где M – коэффициент умножения тока коллектора, . При напряжениях питания транзистора, меньших предельно допустимых, .

Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером

(5.4)

.

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении, устанавливая определенную полярность питающих напряжений. Существуют три основных режима работы транзистора:

1. Режим отсечки – оба p-n перехода закрыты, а через транзистор протекает незначительный ток.

2. Активный режим – один p-n переход, обычно база-эмиттер, открыт, а другой закрыт для основных носителей в области базы.

3. Режим насыщения – оба p-n перехода открыты, ток, протекающий через транзистор, определяется параметрами внешних цепей.

Режимы отсечки и насыщения используются в ключевом режиме работы транзистора.

Рис. 2. Входные статические характеристики германиевого (слева)

и кремниевого (справа) транзисторов.

Активный режим используется для усиления сигналов, генерирования и преобразования колебаний, а также выполнения других линейных и нелинейных операций. В активном режиме используются различные схемы включения транзисторов, которые будут рассмотрены далее. В настоящей работе рассмотрим статические характеристики транзистора при его включении в схеме с общим эмиттером и работа транзистора в ключевом режиме.

На рис. 2 приведены входные статические характеристики германиевого и кремниевого транзисторов, включенных по схеме общим эмиттером. Отметим, что при характеристики смещаются вправо. Это объясняется тем, что при U_КЭ=0 транзистор находится в состоянии насыщения, обеспечивающем высокий ток базы. При , транзистор выходит из насыщения, в результате чего уменьшается количество неосновных носителей в базе, а значит и уменьшается ток базы при постоянном напряжении на коллекторе. Кроме того, при , на выводе базы существует разность потенциалов при токе базы, равном нулю. Она обусловлена падением напряжения на сопротивлении p-n перехода эмиттера.

(5.5)

Входное дифференциальное сопротивление транзистора зависит от постоянного тока базы. Его можно оценить с помощью приближенного выражения

,

где - температурный потенциал. При значение .

Дифференциальное сопротивление можно определить, используя малые конечные приращения, из экспериментально полученной статической входной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером при .

С

(5.6)

емейство выходных статических характеристик транзистора, соответствующих фиксированным значениям тока базы приведено на рис. 3. Из графиков видно, что ток коллектора нелинейно зависит от напряжения коллектор-эмиттер и одновременно зависит от установленного тока базы. Если в цепь коллектора последовательно включить сопротивление нагрузки, то, незначительно изменяя ток базы, можно управлять во много раз большим током коллектора. Зависимость между напряжением на коллекторе и током коллектора при заданном напряжении источника коллекторного питания и сопротивлении нагрузки

,

График этой функции можно представить в виде наклонной прямой, которая носит название нагрузочной прямой. Угол ее наклона . Если установить ток базы равным I_Б3, то ток коллектора в соответствии с характеристикой транзистора и нагрузочной прямой будет равен току покоя I_ПОК, напряжение на коллекторе – U_ПОК, а координаты (U_К и I_К) будут характеризовать положение рабочей точки на нагрузочной прямой. Изменение тока базы приведет к перемещению рабочей точки. При увеличении тока базы до значения, соответствующего I_Б5, рабочая точка переместится в левое верхнее положение, и транзистор перейдет в состояние насыщения, когда ток коллектора окажется максимальным, а напряжение коллектор-эмиттер близким к нулю. При уменьшении тока базы до значения, соответствующего I_Б1, рабочая точка переместится в правое нижнее положение, при котором напряжение на коллекторе возрастает почти до U_П, а ток коллектора становится близким к нулю, что соответствует режиму отсечки. Промежуточные положения рабочей точки на нагрузочной прямой при токах базы, изменяющихся от I_Б1 до I_Б5, будут соответствовать активному режиму.

Рис. 3. Выходные статические характеристики

транзистора в схеме с общим эмиттером.

2. Ключевой режим работы транзистора.

В ключевом режиме транзистор находится в одном из состояний – либо отсечки, либо насыщения. Задержка переключения из одного состояния в другое связана с переходными процессами, обусловленными зарядом-разрядом барьерных и диффузионных емкостей p-n переходов, накоплением и рассасыванием носителей в базе транзистора и конечным временем перемещения носителей в области базы. На передаточной характеристике кремниевого транзистора при U_вх<0,6 В выходное напряжение близко к напряжению источника питания, что соответствует режиму отсечки. С возрастанием входного напряжения на участке АВ характеристики происходит резкое изменение выходного напряжения до значений, близких нулю. В режиме насыщения напряжение на переходе база-эмиттер достигает примерно 0,8 В. Соответственно, коллекторное напряжение снижается до значений от 0,02 до 0,4 В, а переход коллектор-эмиттер смещается в прямом направлении. Состояние насыщения наступает, когда ток базы . Минимальный ток базы, при котором наступает насыщение, соответствует условию . Для характеристики глубины насыщения используют степень насыщения .

Рис. 4. Передаточная характеристика (а) и временные зависимости токов базы и коллектора транзистора (б) в ключевом режиме

При поступлении импульса положительной полярности генератора Е_Г на базу транзистора, находящегося в состоянии отсечки, вначале происходит заряд входной емкости и емкостей коллекторного и эмиттерного переходов. Поэтому ток базы начинает протекать с запаздыванием на время t₁ (Рис. 4,б). По мере накопления носителей в области базы происходит нарастание тока коллектора, который достигает к моменту t_вкл значения тока насыщения. В момент отрицательного перепада напряжения на базе ток базы протекает в обратном направлении и в течение времени t₂ происходит рассасывание избыточного заряда в области базы. После выхода транзистора из насыщения ток коллектора снижается пропорционально уменьшению тока базы. Через промежуток времени t_выкл транзистор закрывается, переходя в состояние отсечки.

Таким образом в ключевом режиме работы транзистора задержка включения t_вкл обусловлена временем заряда входной емкости и емкостей коллекторного и эмиттерного переходов t₁ и процессом накопления заряда в базовой области. При достаточно большой мощности входного сигнала транзистор переходит из первоначального состояния отсечки тока коллектора в состояние насыщения. В процессе закрывания транзистора отрицательным перепадом напряжения происходит обратный процесс – вначале за время t₂ происходит рассасывание носителей в области базы током обратной полярности, а затем снижение тока коллектора и переход транзистора в состояние отсечки.

Процессы накопления и рассасывания заряда при переключении транзистора значительно снижают скорость переключения транзистора, ухудшая его динамические качества. Чтобы повысить быстродействие транзистора в ключевом режиме стремятся использовать активный режим работы транзистора, исключающий состояние насыщения. Для этого между коллектором и базой включают диод Шоттки (Рис. 5). Особенностью перехода Шоттки является малое падение напряжения на нем в открытом состоянии (0,3  0,4 В) и отсутствие накопления заряда, а значит и барьерной емкости в выпрямляющем переходе металл-полупроводник, а диффузионная емкость не превышает 1 пФ. При достижении напряжения база-эмиттер значений 0,7  0,8 В диод Шоттки открывается и напряжение на переходе база-коллектор ограничивается на уровне 0,35  0,4 В.

Рис. 5. Схема каскада с диодом Шоттки