20

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

МОДЕЛЮВАННЯ ХАРАКТЕРИСТИК І ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ТРАНЗИСТОРА В СХЕМІ ЗІ СПІЛЬНИМ ЕМІТЕРОМ

Інструкція до лабораторної роботи № 4

з навчальної дисципліни: “Схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації”, ч.1

для студентів базових напрямків

6.170102 “Системи технічного захисту інформації”,

6.170103 “Управління інформаційною безпекою”

Затверджено

на засіданні кафедри

Захист інформації

Протокол № від 2011 р.

Львів – 2011

Моделювання характеристик і визначення параметрів транзистора в схемі зі спільним емітером: Інструкція до лабораторної роботи №4 з дисципліни: “Схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації”, ч.1 / Укл.: Кеньо Г.В.  Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2011.  20 с.

Укладач Кеньо Г.В., к. т. н., доц.

Відповідальний за випуск Дудикевич В.Б., д.т. н., проф.

Рецензенти:

Мета роботи

Ознайомитися з особливостями роботи транзистора в схемі зі спільним емітером, промоделювати вхідні та вихідні статичні характеристики, визначити коефіцієнт підсилення за струмом і вхідний опор, порівняти характеристики транзистора і складеного транзистора.

Теоретичний вступ

Серед напівпровідникових приладів важливе місце займає транзистор, який застосовується для підсилення і перетворення електричних сигналів і має три виводи. Найбільше розповсюдження отримали транзистори з двома n-p переходами, які називають біполярними, оскільки їх робота основана на використанні носіїв заряду обох знаків. Структура і умовне позначення біполярного транзистора зображені на рис.1. Транзистор побудований на основі напівпровідникової монокристалічної пластини, в якій створені три області з різною електропровідністю. Для прикладу на рис.1.а зображений транзистор з електропровідністю типу n–p–n, середня область якого має діркову p, а дві крайні – електронну n електропровідність. Широко застосовуються також транзистори з електропровідністю типу p–n–p, в яких діркову p електропровідність мають дві крайні області, а середня область має електронну n електропровідність.

Середня область транзистора називається базою, одна крайня область – емітером, а друга – колектором. Таким чином транзистор має два n –p переходи: емітерний – між емітером і базою і колекторний – між базою і колектором. Віддаль між цими переходами повинна бути дуже малою (одиниці мікрометра), окрім цього концентрація домішок в базі завжди на декілька порядків менша ніж в емітері і колекторі.

У залежності від полярності напруги, яка прикладається до його переходів, транзистор може працювати в трьох режимах В активному режимі на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному – зворотна. В режимі відсічки, або закривання, на обидва переходи подається зворотна напруга. Якщо на обох переходах напруга пряма, то транзистор працює в режимі насичення. Різновидністю активного режиму є інверсне ввімкнення транзистора, коли емітерний перехід зміщений у зворотному, а колекторний у прямому напрямках. Активний режим є основним і використовується в підсилювачах і генераторах.

Роботу біполярного транзистора розглянемо на прикладі n‑р‑n-транзистора, у режимі без навантаження, коли увімкнені тільки джерела постійного живлення, напругою Е1 і Е2 (рис.2).

а б

Рис.2. Рух електронів і дірок у транзисторах з електропровідністю

типу n-p-n ( а ) і p-n-p ( б )

Полярність джерел живлення така, що на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному зворотна. Опір емітерного переходу малий, і для отримання струму в цьому переході достатньо напруги E₁ в десяті частки вольта. Опір колекторного переходу великий, і напруга Е₂ зазвичай складає одиниці або десятки вольтів. З рис.2 видно, що напруга між електродами транзистора пов’язана простою залежністю

U_KЕ = U_KБ + U_БЕ. (1)

При роботі транзистора в активному режимі зазвичай U_БЕ << U_KБ, тому

U_KЕ  U_KБ. (2)

Вольт-амперна характеристика емітерного переходу являє собою характеристику напівпровідникового р-n-переходу за прямого зміщення. А вольт-амперна характеристика колекторного переходу подібна до характеристики діода за зворотної напруги.

Принцип роботи транзистора полягає в тому, що пряма напруга емітерного переходу, тобто ділянки база емітер (U_БЕ), істотно впливає на струми емітера і колектора: чим більша ця напруга, тим більший струми емітера і колектора. При цьому зміна струму колектора лише трохи менша за зміну струму емітера. Таким чином, напруга U_БЕ, тобто вхідна напруга, керує струмом колектора. Підсилення електричних коливань за допомогою транзистора ґрунтується саме на цьому явищі.

Фізичні процеси у транзисторі відбуваються таким чином. При збільшенні прямої вхідної напруги U_БЕ знижується потенціальний бар’єр на емітерному переході, і відповідно зростає струм І_Е через цей перехід. Електрони інжектуються з емітера в базу і, завдяки дифузії, проникають через базу до колекторного переходу. Оскільки колекторний перехід працює за зворотної напруги, то в цьому переході виникають об’ємні заряди, які показані на рисунку кружками із знаками “+” і “–”, між якими виникає електричне поле. Воно сприяє просуванню (екстракції) через колекторний перехід електронів, що прийшли сюди з емітера, тобто втягує електрони в область колекторного переходу.

Якщо товщина бази достатньо мала і концентрація дірок в ній невелика, то більшість електронів, пройшовши через базу, не встигає рекомбінувати з дірками бази і досягає колекторного переходу. Лише невелика частина електронів рекомбінує в базі з дірками. Внаслідок рекомбінації виникає струм бази. Дійсно, у рівноважному режимі кількість дірок у базі повинна бути незмінною. Внаслідок рекомбінації кожну секунду певна кількість дірок зникає, але стільки ж нових дірок виникає за рахунок того, що з бази йде в напрямі до плюса джерела Е1 така ж кількість електронів. Інакше кажучи, у базі не може нагромаджуватися багато електронів. Якщо деяка кількість інжектованих у базу з емітера електронів не доходить до колектора, а залишається в базі, рекомбінуючи з дірками, то така ж сама кількість електронів повинна вийти з бази у вигляді струму I_Б. Оскільки струм колектора виходить меншим за струм емітера, то, згідно з першим законом Кірхгофа, завжди існує таке співвідношення між струмами у транзисторі:

I_Е = I_K + I_Б. (3)

Струм бази є небажаним і навіть шкідливим явищем. Бажано, щоб він був якомога меншим. Зазвичай І_Б складає малу частку (відсотки) струму емітера, тобто I_Б<<I_Е, а тому струм колектора лише трохи менший за струм емітера, і можна вважати, що І_K I_Е. Саме для того, щоб струм I_Б був якомога меншим, базу роблять дуже тонкою і зменшують у ній концентрацію домішок, яка визначає концентрацію дірок. Тоді менша кількість електронів буде рекомбінувати в базі з дірками.

Якби база мала значну товщину і концентрація дірок у ній була велика, то значна частина електронів емітерного струму, дифундуючи через базу, рекомбінувала б з дірками і не дійшла б до колекторного переходу. Струм колектора майже не збільшувався б за рахунок електронів емітера, а спостерігалося б лише збільшення струму бази.

Коли до емітерного переходу напруга не прикладена, то практично можна вважати, що в цьому переході немає струму. У цьому випадку область колекторного переходу має великий опір постійному струму, оскільки основні носії зарядів віддаляються від цього переходу, і по обидві сторони від межі створюються області, збіднені цими носіями. Через колекторний перехід протікає лише дуже невеликий зворотний струм, викликаний переміщенням назустріч один одному неосновних носіїв, тобто електронів з р-області і дірок з n-області.

Але якщо під дією вхідної напруги виник значний струм емітера, то в область бази зі сторони емітера інжектуються електрони, які для даної області є неосновними носіями. Не встигаючи рекомбінувати з дірками при дифузії через базу, вони доходять до колекторного переходу. Чим більший струм емітера, тим більше електронів приходить до колекторного переходу, тим меншим стає його опір і, відповідно, збільшується струм колектора. Інакше кажучи, зі збільшенням струму емітера в базі зростає концентрація неосновних носіїв, які інжектуються з емітера, а чим більше цих носіїв, тим більший струм колекторного переходу, тобто струм колектора.

За прийнятою термінологією, емітером називається область транзистора, призначенням якої є інжекція носіїв заряду в базу. Колектором називається область, призначенням якої є екстракція носіїв заряду з бази. А базою є область, в яку емітер інжектує неосновні для цієї області носії заряду.

Потрібно зазначити, що емітер і колектор можна поміняти місцями (так званий інверсний режим). Але в транзисторах, як правило, колекторний перехід виготовляють зі значно більшою площею, ніж емітерний, оскільки потужність, що розсіюється на колекторному переході, набагато більша, ніж потужність, яка розсіюється на емітерному переході. Тому, якщо використати емітер як колектор, то транзистор буде працювати, але його можна застосовувати тільки за значно меншої потужності, що є недоцільним. Якщо площі переходів зроблені однаковими (транзистори в цьому випадку називають симетричними), то будь-яка з крайніх областей може з однаковим успіхом працювати як емітер або колектор.

Оскільки в транзисторі струм емітера завжди рівний сумі струмів колектора і бази, то приріст струму емітера також завжди дорівнює сумі приростів колекторного і базового струму:

. (4)

Важливою властивістю транзистора є приблизно лінійна залежність між його струмами, тобто всі три струми транзистора змінюються майже пропорційно один одному.

Подібні процеси відбуваються в транзисторі типу р-n-р, але в ньому міняються ролями електрони і дірки, а також змінюється полярність напруг і напрямки струмів (рис.2,б). У транзисторі типу р-n-р з емітера в базу відбувається інжекція не електронів, а дірок, які є для бази неосновними носіями. Зі збільшенням струму емітера більше таких дірок проникає через базу до колекторному переходу. Це спричиняє зменшення його опору і зростання струму колектора.

Роботу транзистора можна наочно подати за допомогою енергетичної зонної діаграми, яка наведена на рис.3 для транзистора з електропровідністю типу n-р-n.

Рис.3. Енергетична зонна діаграма n-p-n транзистора

В емітерному переході є невеликий енергетичний бар’єр. Чим більша напруга U_БЕ, тим нижчий цей бар’єр. Зміщений у зворотному напрямку колекторний перехід має значну різницю потенціалів, і електричне поле, створене нею витягує електрони з базової області в колекторну, створюючи колекторний струм.

Повний струм колектора транзистора складає

, (5) де  – коефіцієнт передачі струму емітера, значення якого переважно складає (0,95  0,99);