Краткие теоретические сведения. Изучение статических характеристик биполярного транзистора.

Лабораторная работа № 2

Изучение статических характеристик биполярного транзистора.

Цель работы:

1. Снять статические характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером.

2. По снятым характеристикам рассчитать низкочастотные малосигнальные h-параметры транзистора для схем ОЭ и ОБ в указанных ниже режимах.

Краткие теоретические сведения

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов.

Транзисторы различаются:

1. по применяемому материалу;

2. по величине максимальной рабочей частоты;

3. по величине максимальной рассеиваемой мощности.

По технологии изготовления транзисторы делятся на диффузионные, сплавные, мезатранзисторы, планарные, а также диффузионно-сплавные, мезапланарные и эпитаксиально-планарные.

По характеру движения носителей тока в базе отличают дрейфовые транзисторы и бездрейфовые или диффузионные.

Плоскостной транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника: эмиттера, базы и коллектора (рис.1).

Рис.1. Схематическое изображение транзистора типа p-n-p.

Э - эмиттер, Б - база, К - коллектор, W- толщина базы.

Переход, который образуется на границе эмиттер-база, называется эмиттерным, а на границе база-коллектор - коллекторным. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы p-n-p и n-p-n.

Условные обозначения обоих типов транзисторов, рабочие полярности напряжений и направления токов показаны на рис.2.

Рис.2. Условные обозначения транзисторов:

а)-транзистор p-n-p, б)-транзистор n-p-n.

Из рис.1 и 2 видно что эмиттерный переход работает в прямом направлении, и через него происходит инжекция неосновных носителей в базу: дырок в транзисторе p-n-p типа и электронов в транзисторе n-p-n. База должна иметь достаточно малую толщину w (w < < L, где L- диффузионная длина неосновных носителей), чтобы инжектированные неосновные носители не успевали рекомбинировать. Коллекторный переход, нормально смещенный в обратном направлении " собирает" инжектированные носители, прошедшие через слой базы.

Транзистор может работать в 3-х режимах в зависимости от того, каковы напряжения на его переходах:

1. активный режим: на эмиттерном переходе - прямое напряжение, на коллекторном - обратное;
2. режим отсечки: на оба перехода подано обратное напряжение;
3. режим насыщения: на обоих p-n переходах прямое напряжение.

Активный режим является основным. Он используется в большинстве усилителей и генераторов. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать транзистор в активном режиме.

При приложении к эмиттерному переходу прямого напряжения происходит инжекция дырок из эмиттера в базу и электронов из база в эмиттер. Однако, ввиду того, что эмиттер легирован намного сильнее базы, поток инжектированных дырок будет намного превышать поток электронов. Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться в коллекторному переходу и если ширина базы W много меньше диффузионной длины Lp, почти все дырки дойдут до коллектора и полем запорного слоя будут переброшены в p-область коллектора. Возникающий вследствие этого коллекторный ток лишь немного меньше тока дырок, инжектированных эмиттером. Поскольку коллекторный переход смещен в обратном направлении, то его сопротивление на несколько порядков выше сопротивления эмиттерного перехода. Следовательно, в цепи коллектора может быть включено достаточно большое сопротивление нагрузки.

В схемах с транзистором имеются две цепи, входная, в которую включается источник усиливаемых колебаний, и выходная, в которую включается нагрузочное сопротивление (рис.3). Относительно малое изменение напряжения на эмиттере будет вызывать большое изменение напряжения на сопротивлении нагрузки.

Рис.3. Схема простейшего усилителя напряжения. ~Uc- источник усиливаемого сигнала в цепи эмиттера, Rн- нагрузка в цепи коллектора.

Коэффициент усиления схемы по напряжению (Ku) оказывается равным

(1)

где DUэ - приращение напряжения в цепи эмиттера;

DUн - приращение напряжения на нагрузке;

DIэ - приращение тока эмиттера;

DIк - приращение тока коллектора;

Rвх - сопротивление входной цепи транзистора;

Rн - сопротивление нагрузки.

В результате различия входного и выходного сопротивления транзистор дает усиление по мощности. Коэффициент усиления по мощности (Кр) равен (2)

Очевидно из (2), что усиление мощности будет тем больше, чем большая часть тока, проходящего через эмиттер, будет доходить до коллектора. В основном усилительные свойства транзистора обеспечиваются тем, что Rн> > Rвх.

Основными величинами, характеризующими качество транзистора являются коэффициент передачи тока эмиттера a и коэффициент передачи тока базы b. Дифференциальным коэффициентом передачи тока эмиттера a называется отношение приращения тока коллектора к вызвавшему его приращению тока эмиттера при постоянном напряжении на коллекторе (при отсутствии нагрузки в цепи коллектора).

(3)

Величина этого коэффициента a лежит в пределах 0, 95 - 0, 995.

Дифференциальным коэффициентом передачи тока базы b называется приращение тока коллектора к вызвавшему его приращению тока базы при постоянном напряжении на коллекторе (при нагрузки в цепи коллектора).

Величина b равна нескольким десяткам и сотням. Между коэффициентами передачи токов эмиттера b и базы a существует связь так как

(4)

Для a = 0, 96 коэффициент b = 0, 96/(1-0, 96) = 2, 4, если a = 0, 99, то b =100.

Поскольку транзистор имеет три электрода и используется как четырехполюсник, то один из его электродов является общим для входной и выходной цепи (рис.4).

Рис.4. Представление транзисторов в виде четырехполюсников.

В зависимости от того какой электрод является общим для входной и выходной цепей, различаются три схемы включения транзистора:

1. Схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис.5а).

Схема с ОЭ является наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности. Но режим работы этой схемы сильно зависит от температуры, а усиление от частоты.

2. Схема с общей базой (ОБ) (рис.5 б).

Эта схема дает меньшее усиление по мощности, чем схема с ОЭ, но она значительно лучше по частотным и температурным свойствам.

3. Схема с общим коллектором (ОК) (рис.5в). Эта схема включения отличается от предыдущих большим входным сопротивлением и малым выходным и усиления по току не дает. Усиление по мощности равно приблизительно усилению по току.

Рис.5. Схемы включения транзистора.

а) схема с ОЭ. Выходной ток - ток коллектора, входной ток - ток базы. б) cхема с ОБ. Входной ток - ток эмиттера. Выходной ток - ток коллектора. в) cхема с ОК. Выходной ток - ток эмиттера. Входной ток - ток базы.

Типы статических характеристик транзистора при включении по схеме с ОЭ представлены на рис.6.

а. Выходные характеристики - зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе при постоянном токе базы Iк = f(Uк); Iб = const. Iб3> Iб2> Iб1.

б. Входные характеристики - - зависимость тока базы от напряжения на базе при постоянном напряжении на коллекторе: Iб = f(Uб); Uк = const.

в. Характеристики передачи тока - зависимость тока коллектора от тока базы при постоянном напряжении на коллекторе Iк = f(Iб); Uк = const.

Рис.6. Статические характеристики транзистора при включении по схеме с ОЭ.

Свойства транзистора характеризуются параметрами, которые делятся на:

1) первичные - коэффициент усиления по току a, сопротивления rэ, rб, rк; эти параметры характеризуют электрические свойства самого транзистора, независимо от схемы включения;

2) вторичные - имеют различные значения для разных схем включения. Существуют несколько систем вторичных параметров, но все они основаны на том, что транзистор как элемент схемы на малом переменном сигнале рассматривается в виде линейного активного четырехполюсника (Рис.7).

Рис.7. Блок-схема четырехполюсника с h - параметрами.

Основой для анализа четырехполюсника является система уравнений, связывающая входные и выходные токи и напряжения. Таких систем может быть несколько в зависимости от того, что принято за независимые переменные. Наибольшее распространение получила система смешанных h-параметров, при которой за независимые переменные принимают ток на входе I1 напряжение на выходе U2. Эта система имеет вид:

(5)

где токи и напряжения могут иметь реактивный характер в связи с тем, что сам транзистор вносит сдвиг фаз, зависящий от частоты. Поэтому коэффициенты h11, h12, h21, h22, называемые h-параметрами, зависят от частоты. Например, h21=h21о/(1+w /w m), где h21о- значение h21 на низкой частоте, w m - некоторая максимальная частота.

Каждый из h-параметров имеет определенный физический смысл.

Параметр h11 = U1/I1 (при U2=0) представляет собой величину входного сопротивления транзистора при коротком замыкании на выходе и измеряется в омах.

Параметр h12 = U1/U2 (при I1=0) называется коэффициентом обратной связи и равен отношению входного напряжения U1 к выходному U2 при разомкнутой входной цепи.

Параметр h22 = I2/U2 (при I1=0) представляет собой выходную проводимость транзистора при разомкнутом входе.

Параметр h21 = I2/I1 (при U2=0)-коэффициент прямой передачи тока при коротком замыкании на выходе

Приведенная система уравнений является линейной, хотя транзистор является нелинейным элементом. Однако тут нет противоречия, так как параметры определяются для малого переменного сигнала (так называемые малосигнальные параметры) в окрестности заданной рабочей точки. Параметры транзистора зависят от выбора (Uк, Iк) и без указания режима измерений не имеют определенности. Низкочастотные h-параметры можно определить с помощью статических характеристик методом снятия их на постоянном токе. Тогда роль переменных токов и напряжений будут играть малые приращения постоянных токов и напряжений

(6)

Эти выражения справедливы для схемы с ОЭ. Однако в справочниках чаще указаны y-параметры для схемы с ОБ (hб), которые можно найти путем пересчета, если известны h-параметры для схемы с ОЭ (hэ):

(7)

Между первичными параметрами и h-параметрами существует определенная взаимосвязь: