Исследование характеристик и параметров биполярного транзистора

Исследование характеристик и параметров биполярного транзистора подразумевает снятие статических характеристик транзистора и вычисление с их помощью параметров транзистора.

1.Цель работы: Изучение принципов работы транзистора, исследование его входных и выходных характеристик (ВАХ) и определение по результатам эксперимента основных параметров h₁₁, h₂₁, h₂₂  транзистора

2. Краткие теоретические сведения

1.  Устройство биполярного транзистора. Биполярным транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, имеющий в своей структуре два электронно-дырочных p-n-перехода в одном монокристале и три внешних вывода, который предназначен, в частности, для усиления электрических сигналов. Изготавливается на основе германия или кремния. С помощью особых технологических приемов в монокристаллической пластине полупроводника созданы три области, две из них имеют одинаковый тип электропроводности, они разделены между собой областью с иной электропроводностью. Средний слой кристалла называют базой (Б), крайние слои называют эмиттером (Э)  и  коллектором (К) (рис. .1а).

Транзистор, у которого эмиттер и коллектор имеют электропроводность р-типа относятся к p-n-p – типу, если же база р-типа, а коллектор и эмиттер n-типа, то это транзистор n-p-n-типа. Основными носителями зарядов в приборах типа p-n-p являются дырки, в приборах типа n-p-n – электроны. При этом коллектор транзистора p-n- p-типа подключается к отрицательному полюсу источника, то коллектор транзистора n-p-n-типа к положительному. В условных графических изображениях эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода и представлены рис. .1б.

Рис. 1.1 – Структура и графическое обозначение биполярных транзисторов n-p-n-типа  и p-n-p-типа

2.  Принцип работы транзистора. Термин “биполярный” подчеркивает, что принцип работы прибора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд (дырок и электронов).

Рис.1. 2. Биполярный транзистор, включенный в цепь

Принцип работы транзистора заключается в следующем. Если в эмиттерном р-n переходе подать положительное напряжение на эмиттере и отрицательное напряжение на базе (рис. 3), то эмиттерный р-n переход окажется включенным в пропускном направлении. В этом случае из эмиттера в базу инжектируются (вводятся) дырки, которые в базе являются неосновными носителями.

Дырки диффундируют сквозь базу и доходят до коллекторного р-n перехода. Коллекторный переход включается в обратном направлении, т.е. к коллектору прикладывается минус, а к базе плюс напряжения. При этом через него протекает пренебрежимо малый ток неосновных носителей (собственный ток коллекторного перехода I_k). Дырки, захваченные электрическим полем коллекторного перехода, увеличивают коллекторный ток I_k. Так как в данном случае, ток I_k зависит от концентрации дырок, дошедших от эмиттера до коллектора, то можно сделать вывод, что I_k зависит от I_э и, изменяя I_э, можно менять  I_k. Следует отметить, что не все дырки, инжектированные эмиттером, доходят до коллектора. Часть их рекомбинирует в области базы. Поэтому область базы стараются сделать тоньше, чтобы большая часть инжектированных дырок была захвачена электрическим полем коллекторного перехода. Так как I_k будет меньше I_Э, то I_k=αI_Э, где α < 1 и называется коэффициентом передачи тока транзистора в схеме с общей базой. Если же учесть, что сопротивление коллекторного перехода велико, то I_k, увеличиваясь за счет дырок, пришедших с эмиттера, вызывает перераспределение падения напряжения в коллекторной цепи, т.е. падение напряжения на коллекторном переходе уменьшается, а на сопротивлении нагрузки R_H  – увеличивается, причем:

ΔU_RH=R_H ΔI_k                                                                                                                                   

Напряжение в цепи коллектора много больше напряжения источника питания цепи эмиттера. Вследствие этого будет наблюдаться усиление сигнала по напряжению и мощности, но усиления по току не будет. Последнее ограничивает применение схемы включения транзистора с общей базой. Чаще применяется схема включения транзистора с общим эмиттером (усилители переменного сигнала, генераторы и т.д.) (рис.1.3). В этом случае транзистор работает аналогично электронной лампе. Эмиттер можно уподобить катоду (одинаковые функции). Область базы будет представлять собой управляющий электрод – аналог сетки радиолампы, а коллектор аналогичен аноду, с тем только различием, что в случае р-n-р транзистора на коллектор подается минус, а на анод плюс напряжения источника питания. При включении транзистора по схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по току β определяется по формуле:

β =I_k/I_б= αI_Э/ (1- αI_Э)                                                                   (1)

откуда при α < 1 следует β> 1.