Биполярный транзистор в схеме с об

1. Цель и содержание работы

Целью работы является изучение принципа действия, основных параметров и статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) биполярного транзистора в схеме с общей базой (ОБ). В работе снимаются входные, выходные и передаточные ВАХ германиевых и кремниевых транзисторов. По характеристикам определяются основные параметры.

2. Характеристики и параметры биполярных транзисторов

Биполярный транзистор представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор на основе p–n–p- или n–p–n-структуры, предназначенный для усиления и генерации электрических сигналов. Процессы в p–n–p- и n–p–n-структурах протекают аналогично. На- пример, в р–п–р-структуре n-область, разделяющая p-области, называется базой, одна из p-областей – эмиттером, а другая – коллектором (рис. 3.1).

p

n

p

Рис. 3.1. Структура биполярного p–n–p-транзистора

В основном рабочем режиме (активном), эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный – обратном. Полярности внешних напряжений в схеме с ОБ для p–n–p- или n–p–n-транзисторов показаны на рис. 3.2. Эмиттер легирован значительно сильнее, чем база, поэтому при включении его в прямом направлении ток эмиттера в p–n–p-транзисторе представляет собой ток инжекции дырок в базу. Инжектированные дырки диффундируют к коллектору. Так как ширина базы много меньше диффузионной длины дырок L_p, то большая часть дырок доходит до обратно смещенного коллектора, захватывается его полем и переносится в коллектор, образуя коллекторный ток.

I_Э

I_К

I_Э

I_К

U_ЭБ

U_КБ

U_КБ

U_ЭБ

I_Б

I_Б

а б

Рис. 3.2. Полярности на p–n–p (а) и n–p–n (б) транзисторах

для нормального включения

Поскольку коллектор включен в обратном направлении, то его ток определяется только дырками, дошедшими из эмиттера, и почти не зависит от напряжения на коллекторе. Коллектор обладает большим выходным сопротивлением и по отношению к внешней цепи является генератором тока . Высокое выходное сопротивление коллекторного перехода позволяет включить в его цепь достаточно большое сопротивление нагрузки, на котором выделяется мощность, значительно больше мощности, затраченной во входной цепи. Энергия источника питания с помощью транзистора преобразуется в энергию электрического сигнала.

2.1. Коэффициент передачи тока

При = 0 через коллекторный переход идет некоторый начальный обратный ток , обусловленный тепловой генерацией электронно-дырочных пар.

Коэффициент передачи тока показывает отношение коллекторного тока (без ) к эмиттерному.

, так как обычно . (3.1)

Величина зависит от параметров базы и эмиттера, она обычно близка к единице и составляет около 0,95…..0,98.

Закон Кирхгофа для токов в транзисторе выражается соотношением

,

что позволяет, используя (3.1), представить ток базы и в виде:

, (3.2)

. (3.3)

Основную долю базового тока составляет ток рекомбинации, пропорциональный общему избыточному заряду дырок в базе

, (3.4)

где – время жизни дырок в базе.

На рис. 3.3 показано распределение дырок в базе для двух напряжений на коллекторном переходе. Распределение дырок в базе подчиняется уравнению непрерывности и граничным условиям Шокли у эмиттерного перехода

, (3.5)

где – равновесная концентрация дырок в n-базе; – собственная концентрация; – концентрация доноров в базе.

На коллекторном переходе

.

Так как в нормальном режиме и , то , а . Ток дырок в базе имеет диффузионный характер, поэтому

, (3.6)

где – площадь эмиттерного перехода.

Так как рекомбинация в тонкой базе незначительна, то

и .

_ЭБ

_КБ

Рис. 3.3. Распределение дырок в базе p–n–p-транзистора

в активном нормальном режиме

Распределение дырок в базе имеет почти линейный вид (рис. 3.3)

, (3.7)

а заряд дырок , проходящих сквозь базу, пропорционален заштрихованной на рис. 3.3 площади

. (3.8)

Коэффициент передачи тока с учетом (4.3) и (4.4) принимает вид

, поскольку . (3.9)

Это выражение правильно передает зависимость коэффициен- та передачи от толщины базы и времени жизни дырок в ней, но не учитывает вкладов электронных токов эмиттерного и коллекторного переходов.