Лабораторна робота № 10 дослідження біполярних транзисторів

Мета роботи: Дослідження характеристик та визначення параметрів схем заміщення біполярних транзисторів.

10.1. Основні теоретичні відомості

Біполярні транзистори – напівпровідникові прилади, що мають тришарову структуру із напівпровідників різних типів провідності, принцип роботи яких базується на взаємодії двох p-n переходів.

Розрізняють транзистори n-p-n та p-n-p типів (рисунок 10.1,а,б).

Середню область обох типів транзисторів називають базою (Б), крайні – емітером (Е) та колектором (К). Електронні p-n переходи називають емітерним (ЕП) та колекторним (КП).

В залежності від зміщення переходів біполярний транзистор може знаходитись в одному з чотирьох режимів: активному, насичення, відсічки та інверсному. В активному режимі ЕП зміщений у прямому, а КП – в зворотному напрямках. Для цього режиму характерна здатність підсилювати вхідний сигнал. В режимі насичення обидва переходи зміщені в прямому напрямку - транзистор відкритий, опір між колектором і емітером транзистора мінімальний. В режимі відсічки обидва переходи зміщені в зворотному напрямку – транзистор закритий, опір між колектором і емітером транзистора максимальний. В інверсному режимі ЕП зміщений в зворотному напрямку, а КП - в прямому. Початкові функції ЕП і КП міняються, що приводить (внаслідок асиметрії структури транзистора) до погіршення підсилювальної здатності транзистора.

Розглянемо роботу n-p-n транзистора в активному режимі (рисунок 10.2), який забезпечується полярністю прикладених напруг U_БЕ і U_КЕ (U_БЕ < U_КЕ). Транзистор p-n-p типу працює аналогічно, але полярність напруг зворотна.

П ри збільшенні напруги U_БЕ потенціальний бар‘єр ЕП понижується. За рахунок цього зростає дифузія основних носіїв заряду через ЕП. При цьому потік електронів з n області переважає потік дірок з p області, що досягається введенням більшої концентрації домішок в емітерну область. Частина електронів, інжектованих емітерним переходом в область бази, рекомбінує, але їх переважна більшість попадає в електричне поле КП і вільно дрейфує в область колектора, утворюючи струм колектора I_К.. Електрони, що рекомбінували в області бази, а також дірки, які, рухаючись назустріч електронам, рекомбінували в області емітера, зумовлюють незначний струм бази I_Б. Основна функція ЕП – інжекція основних носіїв в область бази, а КП – їх екстракція (збір).

Струми транзистора зв‘язані співвідношеннями:

де – статичні коефіцієнти передачі струму відповідно емітера та бази .

При зміні потенціалу на базі всі струми змінюються. Відносно приростів струмів справедливі співвідношення

де – динамічні коефіцієнти передачі струму відповідно емітера та бази.

Вольт-амперні характеристики при називають вхідними статичними характеристиками транзистора, а залежності при – вихідними статичними характеристиками транзистора (рисунок 10.3).

О сновна схема ввімкнення транзистора показана на рисунку 10.4. Така схема називається схемою з спільним емітером (СЕ), оскільки емітер являється спільним для вхідного і вихідного кіл. Вхідна напруга подається на базу, а вихідна – знімається з колектора.

Розрахунок статичного режиму, (режиму, при якому на вхід подається постійне зміщення) виконують методом навантажувальної характеристики. Навантажувальну характеристику (лінію статичного навантаження) будують на вихідних статичних характеристиках транзистора (рисунок 10.5,а). Як випливає з рівняння навантажувальної характеристики:

лінія статичного навантаження (ЛСН) будується за двома точками та відповідно на осі абсцис та осі ординат.

Знaчення струму I_KP та напруги U_KEP у статичному режимі (стані спокою) визначаються робочою точкою Р, розташування якої на ЛСН задається значенням постійної напруги зміщення бази U_БЕР і відповідним значенням струму бази I_БР. Зв‘язок між вихідними величинами I_KP, U_KEP та вхідними величинами I_БР, U_БЕР встановлюється за допомогою прохідної статичної характеристики (рисунок 10.5,б). Прохідну статичну характеристику будують за точками перетину ЛСН з вихідними статичними характеристиками транзистора.

В хідну статичну характеристику, зняту при , з метою спрощення графічного аналізу доцільно зобразити повернутою, як показано на рисунку 10.5,в.

При роботі транзистора в підсилювальному режимі, крім постійної напруги зміщення, на базу подається вхідна змінна напруга невеликої амплітуди, і відносно вхідного змінного сигналу транзистор представляють однією з лінійних схем заміщення, які справедливі відносно малих приростів струмів та напруг.

Для аналізу роботи широко використовується Т- подібна схема заміщення в фізичних параметрах (рисунок 10.6), оскільки всі її елементи зв‘язані з внутрішніми (фізичними) параметрами транзистора.

Резистивний елемент характеризує диференціальний (динамічний) опір емітерного переходу і об‘ємний опір емітерної області. Значення залежить від постійної складової струму емітера I_E:

,

де U_T – температурний потенціал емітерного переходу. Числове значення лежить в межах від одиниць до десятків Ом.

Р езистивний елемент відображає об‘ємний опір бази, який визначається в напрямку проходження базового струму в шарі бази до границі з емітерним переходом. Базовий шар порівняно високоомний і звичайно . Значення залежить від, типу транзистора і складає ~100...400 Ом.

Резистивний елемент характеризує диференціальний опір колекторного переходу. Він враховує зміну колекторного струму зі зміною напруги U_KE внаслідок ефекту модуляції бази (розширення КП за рахунок збільшення об‘ємного заряду в ньому і зменшення товщини базового шару). Опір МОм.

Ємнісний елемент С_К характеризує бар‘єрну ємність закритого КП, яка залежить від типу транзистора ( пФ).

В коло колектора схеми заміщення ввімкнене залежне джерело струму , яке враховує співвідношення між приростами струмів бази і колектора. Диференціальний коефіцієнт передачі струму бази є частотно-залежним коефіцієнтом. В області підвищених частот (десятки кілогерц) коефіцієнт передачі струму вважають комплексним числом , модуль і аргумент Q якого залежать від частоти. Про частотні властивості транзистора судять за так званою граничною частотою , на якій модуль коефіцієнта передачі ß зменшується в разів.

Параметри транзистора, що входять в Т- подібну схему заміщення, безпосередньо характеризують фізичні властивості тришарової напівпровідникової структури. Однак їх пряме вимірювання неможливе, що зумовило використання теорії чотириполюсників для моделювання транзисторів.

Переважно використовують диференціальні (динамічні) h-параметри транзистора за схемою з СЕ. Система рівнянь лінійного чотириполюсника в h- формі відносно малих приростів величин (вхідних , і вихідних , ) має вигляд:

де – динамічні параметри транзистора, ввімкненого за схемою з СЕ: – вхідний опір, – коефіцієнт зворотного зв‘язку за напругою, – коефіцієнт передачі струму бази, – вихідна провідність. Приведеній системі рівнянь відповідає схема заміщення транзистора, яка зображена на рисунку 10.7.

Схема заміщення містить два залежних ідеальних джерела: джерело струму кероване струмом і джерело напруги кероване напругою. Вхідний динамічний опір та динамічний коефіцієнт зворотного зв‘язку за напругою визначають за вхідними статичними характеристиками транзистора (відповідно рисунок 10.8,а,б):

п ри .

при

Динамічний коефіцієнт передачі за струмом та вихідну динамічну провідність визначають за вихідними статичними характеристиками транзистора (відповідно рисунок 10.9,а,б):

при

при

Зв‘язок між h- параметрами транзистора та його фізичними параметрами за схемою з СЕ такий:

.

При роботі транзистора в ключовому режимі робоча точка транзистора стрибкоподібно змінює своє розташування на ЛСН. Вона знаходиться або в точці а (рисунок 10.5,а) і транзистор відкритий, або в точці b і транзистор закритий. Закритий і відкритий стани транзистора характеризуються залишковими значеннями опору між колектором і емітером транзистора. Опори в стані насичення і відсічки відповідно будуть:

де індекси а та b відповідають стану насичення і відсічки (робоча точка знаходиться відповідно в точках а та b).