Методические указания к лабораторной работе (Исследование статических характеристик биполярных транзисторов)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА»

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Методические указания к лабораторной работе

САМАРА 2007

Составитель: Г. П. Ш о п и н УДК 621.38 (076.2)

Исследование статических характеристик биполярных транзисторов:

Метод, указания к лаборатор. работе / Самар, гос. аэрокосм, ун-т;

Г.П.Шопин. Самара, 2007, 19 с.

Содержатся краткие теоретические сведения по статическим характеристикам биполярных транзисторов: принцип действия, основные параметры и характеристики, статические модели, режимы работы.

Приводится графоаналитический расчет параметров транзистора. Описывается схема экспериментальной установки для исследования статических характеристик транзисторов.

Предназначены для студентов, обучающихся по специальностям

200401 и 210201. Составлены на кафедре "Электронных систем и устройств".

Печатается по решению редакционно-издательского совета Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королев

Рецензент А. С. К а п у с т и н

Ц е л ь р а б о т ы - изучение статических

характеристик и связанных с ними параметров бип олярных транзисторов в различных режимах работы, методик их расчета и экспериментальной проверки.

З а д а н и я :

1.Изучить принцип действия и статические эквивалентные схемы биполярных транзисторов.

2.Изучить режимы работы биполярного транзистора.

3.Изучить статические модели биполярных транзисторов.

4.Рассчитать (графо - аналитическим методом) параметры транзистора.

5.Ознакомиться с методикой и порядком выполнения работы.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ МОДЕЛИ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Биполярный транзистор (рис. 1,а) представляет собой систему из двух взаимодействующих р-п переходов, имеющих одну общую базу. При этом в отличие от изолированного диода обратный ток

каждого перехода может иметь дополнительную составляющую iq,

обусловленную неосновными носителями, инжектированными в базу через другой переход. Это требует при построении моделей транзисторов введения в эквивалентную схему зависимых источников тока.

Статические модели. Статическую эквивалентную схему биполярного транзистора п-р-п типа (рис. 1,б) можно представить в виде соединения двух диодов VDЭ и VDК, моделирующих ВАХ

эмиттерного и коллекторного переходов транзистора, и источников тока iЭq, iКq, моделирующих взаимодействие переходов. В случае р-п-р

транзистора полярность включения диодов и зависимых источников токов iЭq, iKq, необходимо заменить на обратную.

В статическом режиме значения iЭ q , iK q определяются соотношениями:

iKq=α iЭ ; iЭq=α1 iK ,

где iЭ , iK - инжекционные токи эмиттерного и коллекторного переходов;

α , α1 - коэффициенты передачи эмиттерного тока в коллектор и коллекторного тока в эмиттер.

Рис. 1. Биполярный транзистор: а - условное обозначение,

б - эквивалентная схема, в,г - входные и выходные характеристики по схеме с ОЭ.

Конструкция транзистора обеспечивает близость а к единице:

1-α<0,05…0,02

при этом значение α1 оказывается существенно меньшим

1-α1>0,1…0,2

Особенно малыми значениями коэффициента α1= 0,01…0,15 обладают дрейфовые транзисторы, в которых движение носителей,

инжектированных коллекторным переходом, тормозится внутренним полем.

Экспоненциальная модель Эберса-Молла. Эта модель основана на аппроксимации ВАХ переходов, смещенных в прямом направлении соотношением Шокли. Токи транзистора для узлов 1-3 схемы на рис. 1 ,б определяются уравнениями

где IЭs, IKs - тепловые токи эмиттерного и коллекторного переходов; иБЭ ,

иБК - напряжения на переходах (см. рис. 1,а). Эти токи обычно рассчитываются через токи IЭ s и IK s, измеряемые при установке достаточно большого обратного напряжения |и| > 3φT на одном переходе и при обрыве цепи второго перехода:

В формулах (1) Эберса-Молла положительными считаются прямые напряжения на переходах. Кроме того, в связи с наличием токов термогенерации и утечки, как указывалось ранее, эти формулы неприменимы в режиме отсечки, т.е. при обратном смещении обоих переходов. Формулы (1) в целях упрощения анализа дополняются

соотношением:

Прямое смещение п-р-п транзистора соответствует условию

ик э >0. Полагая iЭ >> IЭ s , уравнения, описывающие ВАХ открытого транзистора, можно представить в следующем виде:

где β= α/( 1 - α) - коэффициент передачи тока базы;

kнас = βiБ /IК - коэффициент насыщения;

IКЭ0 - ток коллектор-эмиттер при разомкнутом выводе базы,

причем IКЭ0 = (1 + β) IКБ0, где IКБ0 - ток коллектор-база при разомкнутом выводе эмиттера.

Активный режим соответствует условию иКЭ > иКБ (рис. 1,в,г),

при котором за счет малости экспоненциального члена в (За)

обеспечивается большое выходное сопротивление со стороны коллектора. В режиме насыщения при иКЭ < иКБ абсолютное значение экспоненциального члена возрастает, что приводит к резкому

уменьшению выходного сопротивления.

В качестве граничного обычно рассматривается режим при

становится меньше βiБ , отсюда следует условие насыщения:

Отличие характеристик реальных и идеальных транзисторов заключается в наличии обратных сопротивлений переходов rКо бр, rЭо бр объемных сопротивлений областей эмиттера, коллектора и базы rК, rЭ , rБ , показанных на рис. 1.б штриховыми линиями, в

зависимости от коэффициентов α и α1 от режима работы транзистора.

При стремлении учесть указанные факторы в модифицированных моделях Эберса-Молла, число параметров модели увеличивается до

20 и более, модель теряет свою наглядность, становится непригодной для "ручных" расчетов, в связи с чем модифицированные модели используются лишь в машинных расчетах, с испол ьзованием ЭВМ.

Кусочно-линейные модели. Эти модели основаны на кусочно-

линейной аппроксимации ВАХ эмиттерного и коллекторного переходов, либо входных ( i Б = f(иБЭ и иКЭ)) и выходных ( i K = f(i Б , иКЭ)) характеристик транзистора. Ниже рассматривается второй метод.

Модели входной цепи. Если принять направления протекания токов электродов транзистора, показанные на рис. 2,а за положительные, то входные характеристики i Б = f(иБ) транзисторов двух типов (п-р-п и р-п-р) можно расположить в одних и тех же

квадрантах (рис. 2,б), откладывая по оси напряжений для транзисторов типа п-р-п величину иБЭ, а для транзистора типа р- п-р величину uЭБ = - uБЭ

а б

Рис. 2. Моделирование входной цепи транзистора: а - направления токов и напряжений для р-п-р и п-р-п транзисторов, б - кусочно-линейная модель входной характеристики транзистора.

Кусочно-линейную аппроксимацию характеристик целесообразно провести по участкам, соответствующим трем основным режимам работы транзистора: активному 1, режиму отсечки 2 и режиму насыщения 3 (рис. 2,б).

Таблица 1. Режим работы транзистора

П р и м е ч а н и е : UКЭ ПР и UБЭ ПР - напряжения пробоя соответственно входных и выходных характеристик.

Параметром входных характеристик является напряжение иКЭ.

Однако в пределах каждого из режимов воздействие иКЭ на ток iБ

является слабым и в первом приближении может не учитываться.

В табл. 1 приведены соотношения между напряжениями на электродах транзисторов для указанных режимов при прямом и инверсном включении.

С учетом указанных допущений кусочно-линейная аппрок-

симация входных характеристик представлена на рис. 2,б.

Аналитическое выражение этих характеристик для транзисторов типа п - р - п будет следующим:

- параметры прямого напряжения и обратного тока,

определяемые как координаты точек пересечения аппроксимирующих прямых (или их продолжений) с осями координат;

- входное сопротивление транзистора соответственно в активном режиме, режиме отсечки и режиме насыщения.

Для транзистора типа р-п-р в соотношениях (5) напряжение иБЭ

необходимо заменить на иЭБ.

На рис. 3,а справа от штриховой линии представлена