Лаботаторная работа №7 Статические характеристики бипалярного транзистора

Цель работы - снятие входных и выходных характеристик; определение параметров транзистора по характеристикам;

Общие сведения

Транзистор (от англ. transistor: transformer — преобразователь, resistor — сопротивление) — трехэлектродный полупроводниковый прибор способный под действием приложенного тока или напряжения изменять свое внутреннее сопротивление. Транзистор является базовым электронным элементом современной техники связи и управления.

Отличительной и главной особенностью любого транзистора является его способность усиливать мощность электрического воздействия, приложенного к его входу. Иными словами, транзистор является активным электрическим прибором. Это значит, что протекание через входные зажимы, например, тока некоторого значения, вызывает протекание через выходные зажимы значительно большего тока. Важно и то, что в определенных пределах между этими токами (в широком смысле между входным воздействием и откликом на него) транзистором поддерживается линейная зависимость.

Именно эти свойства транзисторов, а также высокая надежность и низкая стоимость определили их высокую утилитарность для разнообразных усилительных и переключательных схем, автогенераторов гармонических колебаний, цифровых устройств, активных фильтров и т.п., которые продолжают проектироваться и изготавливаться для различных технических приложений вне зависимости от существования близких по назначению микроэлектронных аналогов.

Номенклатура транзисторов чрезвычайно обширна. Их неполный перечень, составленный для приборов только отечественного производства и адресованный специалистам и радиолюбителям, включает в себя почти 2000 наименований. В основу классификации транзисторов положена их структура, физические принципы функционирования и электрические параметры

Каждый из типов транзисторов, биполярных и полевых, обладает определенными достоинствами, присущими только данному типу. В 1980-х годах были успешно завершены работы по созданию комбинированного транзистора, состоящего из высоковольтного управляющего полевого транзистора, включенного на входе, и выходного биполярного каскада, получившего название биполярного транзистора с изолированным затвором. В качестве полевого транзистора был использован высоковольтный транзистор типа MOSFET.

Было разработано достаточно большое число способов получения таких комбинированных приборов. Однако наибольшее распространение получили транзисторы схемотехники IGBT(insulated gate bipolar transistor), в которых удалось наиболее удачно соединить особенности полевых и биполярных транзисторов, работающих в ключевом режиме.

Число нормируемых параметров транзисторов достаточно велико (более 30), что предоставляет возможность разработчику выбирать транзисторы со свойствами и характеристиками, в максимальной степени отвечающими назначению устройства, в котором они используются. Для устройств автоматики в число таких параметров биполярных транзисторов в первую очередь входят предельные эксплуатационные параметры по токам, протекающим через электроды транзистора, по напряжениям, приложенным к ним, и по рассеиваемой в приборе мощности.

Рис. 3.1. Условное изображение транзисторов: биполярных с p-п-р-переходом (а) и p-п-р—переходом (б); полевых с р-n-переходом, n-каналом (в) и p-каналом (г); полевых с обедненными (встроенным каналом) n-каналом (д); полевых с обогащенными (индуцированным) p-каналом (и); полевых MOSFET с n-каналом (е); B – база; С – коллектор; E – эмиттер; G – затвор; S – исток; D – исток; B – подложка

К числу важнейших параметров биполярных транзисторов относится коэффициент усиления по току h_21E(), граничная частота и диапазон рабочих температур.

Полевые транзисторы характеризуются примерно таким же набором параметров. Основное различие заключается в способе задания усилительных свойств приборов и их быстродействия. У полевых транзисторов усилительные свойства задают крутизной характеристики, быстродействие — временами включения и выключения, а также входной емкостью.

Иногда при проектировании устройств автоматики требуется учитывать токи утечки транзисторов и их коэффициент шума. Эти характеристики также входят в перечень основных параметров транзисторов и могут использоваться разработчиками.

Биполярным транзистором называют электропреобразовательный прибор, имеющий два р-п перехода, пригодный для усиления мощности электрических сигналов. По принципу действия транзисторы делятся на: биполярные и полевые. В работе биполярных транзисторов используются носители обеих полярностей (дырки и электроны), что и отражено в их названии. В полевых (униполярных) транзисторах используется движение носителей одного знака.

Особенность биполярного транзистора состоит в том, что между его электронно-дырочными переходами существует взаимодействие — ток одного из переходов может управлять током другого.

Область транзистора, расположенная между р-n-переходами, называют базой. Одна из примыкающих к базе областей должна наиболее эффективно осуществлять инжекцию носителей в базу, а другая — экстрагировать носители из базы. Область транзистора, из которой происходит инжекция носителей в базу, называют эмиттером, а переход эмиттерным. Область транзистора, осуществляющая экстракцию носителей из базы, называют коллектором, а переход коллекторным.

По применяемому материалу транзисторы классифицируются на германиевые, кремниевые и арсенид-галлиевые. По технологии изготовления транзисторы бывают: сплавные, диффузионные, эпитаксиальные, планарные.

По мощности, рассеиваемой коллекторным переходом, транзисторы бывают: малой мощности (Р < 0,3 Вт); средней мощности (0,3 Вт < Р < 1,5 Вт); большой мощности (Р > 1,5 Вт).

По частотному диапазону транзисторы делятся на: низкочастотные (f < 3 МГц); среднечастотные (3 МГц < f < 30 МГц); высокочастотные (30 МГц < f < 300 МГц); сверхвысокочастотные (/пр > 300 МГц).

В зависимости от полярности внешних напряжении, подаваемых на электроды транзистора, различают следующие режимы его работы: Активный режим – эмиттерный переход смещен в прямом направлении (открыт), а коллекторный — в обратном направлении (закрыт); режим отсечки – оба перехода смещены в обратном направлении (закрыты); режим насыщения – оба перехода смещены в прямом направлении (открыты); Инверсный режим – коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. В Инверсном режиме коллектор выполняет роль эмиттера, а эмиттер — роль коллектора. При инверсном включении параметры реального транзистора существенно отличаются от параметров при нормальном включении.

Рис. входная и выходная характеристика биполярного транзистора с общим эмиттером

На рис.3.9 представлена семейство входных (I_B = f(U_BE), при U_CE = const) и выходных (I_C = f(U_CE), при I_B = const) характеристик биполярного транзистора с общим эмиттером.

рис. модель биполярного транзистора для схемы с общим эмиттером. r_B – дифференциальное сопротивление базы; r_E – дифференциальное сопротивление эмиттера; r_C – дифференциальное сопротивление коллектора; C_CB, C_EB – емкость коллекторного и эмиттерного переходов.

К Основным справочным параметрам биполярных транзисторов относят:

– усилительные: коэффициенты передачи базового  (десятки -сотни) и эмиттерного  (0,95...0,9995) токов. Обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении I_CB0 = I_C при I_E = 0 (единицы нА – десятки мА).

– предельные: максимально допустимый ток коллектора I_CM (сотни мА – десятки А); наибольшая мощность, рассеиваемая коллекторным переходом Р_CM (единицы мВт - десятки Вт); максимальное напряжение калектор-эммитер U_CE,M (десятки-сотни вольт); предельная частота коэффициента передачи тока эмиттера f_ – частота, на которой модуль коэффициента передачи тока эмиттера уменьшается в раз по сравнению со своим низкочастотным значением; граничная частота коэффициента передачи тока эмиттера f_ – это частота, на которой 1; Максимальная частота генерации f_Mс – наибольшая частота, на которой транзистор может работать в схеме автогенератора и коэффициент усиления по мощности становится равным единице. Максимальная частота генерации определяет область частот, в которой транзистор остается активным элементом электрической цепи.

– внутренние модельные: дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода r_dE (единицы-десятки Ом); объемное сопротивление области базы r_B (десятки-сотни Ом); дифференциальное сопротивление коллекторного перехода r_dC; емкость коллекторного перехода (единицы-десятки пФ).

где

;

; .

Рис. 4.1. Усилитель с ОЭ cо стабилизацией потенциала базы и с заземленным эмитером

На заре становления методик исследования усилительных свойств биполярных транзисторов использовали малосигнальную модель транзистора в виде четырехполюсника.

Мал. 23. Транзістар як лінейны чатырохполюснік

Свойства транзистора описывали с помощью системы линейных уравнений. Такой подход обуславливался сложностью учёта нелинейных свойств. Отсюда и возникли h- параметры. Для каждой из схем включения (с общим эмиттером, с общим коллектором или с общей базой) эти параметры определялись отдельно. На сегодня это подход используется редко. Разработаны более практичные методики, а для современных программных продуктов анализа схем на транзисторах учитываю нелинейные свойства. Свойства транзистора описывали с помощью системы линейных уравнений. Такой подход обуславливался сложностью учёта нелинейных свойств. Отсюда и возникли h- параметры. h₁₁ – входное сопротивление; h₁₂ – коэффициент обратной связи по напряжению; h₂₁ – коэффициент усиления по току; h₂₂ – выходная проводимость Для каждой из схем включения (с общим эмиттером, с общим коллектором или с общей базой) эти параметры определялись отдельно. На сегодня это подход используется редко. Разработаны более практичные методики, а для современных программных продуктов анализа схем на транзисторах учитываю нелинейные свойства.