16

Федеральное агентство по образованию

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им. П. А. Соловьева

Кафедра «Вычислительные системы»

В. Т. ВОЛКОВ

Исследование статических характеристик и определение параметров транзистора в схеме с общей базой

Лабораторная работа по дисциплине

«Основы электротехники и электроники»

Рыбинск 2008

Цель работы

Цель работы – изучение принципа действия транзистора, снятие статических характеристик при включении его с общей базой и определение Н-параметров транзистора по характеристикам.

1. Краткие сведения из теории

Транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления электрических сигналов по мощности и имеющий три или более вывода. Транзистор с двумя переходами и тремя выводами называется полупроводниковым триодом.

В общем случае транзистор представляет собой монокристалл полупроводника, в котором чередуются по типу проводимости три области. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы типа p-n-p и n-p-n типа. Принцип действия транзисторов обоих типов совершенно одинаков. Мы же для определенности будем рассматривать физические процессы в транзисторе p-n-p типа.

Между областями полупроводника с различным типом проводимости в транзисторе образуются две чрезвычайно узкие области, называемые p-n переходами. Среднюю область в транзисторе называют базой (Б), а крайние – эмиттером (Э) и коллектором (К). Определяющие базу переходы называют эмиттерным и коллекторным. Каждый из переходов транзистора можно включить в прямом или обратном направлениях. В нормальном активном режиме работы транзистора его эмиттерный переход всегда включен в прямом направлении (т. е. открыт), а коллекторный – в обратном (т. е. закрыт). Энергетические диаграммы транзистора для нормального активного режима изображены на рисунке 1. Напомним, что при прямом включении p-n перехода « + » внешнего источника подключается к p -области, а « – » к n-области. При этом высота потенциального барьера на границах эмиттерного перехода снижается, что способствует диффузии основных носителей заряда через эмиттерный переход. При этом через переход могут дрейфовать и неосновные носители заряда, так как для них потенциального барьера не существует. Основными носителями заряда будут являться те носители, которые для рассматриваемой области составляет большинство. То есть основными носителями в p-области будут дырки, неосновными – электроны, а в n-области наоборот.

Рис. 1. Энергетическая диаграмма транзистора для нормального активного режима

При обратном включении p-n перехода « – » внешнего источника подключается к p-области, а « + » к n-области. При этом высота потенциального барьера на границах коллекторного перехода увеличивается, что препятствует диффузии основных носителей через p-n переход. Неосновные же носители свободно дрейфуют через p-n переход.

Таким образом, в рассматриваемом режиме существует сильная инжекция дырок из эмиттера в базу. Если ширина базы мала, то дырки, ее успев полностью рекомбинировать с электронами, приблизятся к коллекторному переходу, увлекутся полем этого перехода и перебросятся в область коллектора.

Вследствие ухода дырок из эмиттера в базу электрическая нейтральность эмиттера нарушается. Для восстановления нейтральности эмиттера необходимо, чтобы избыточные электроны из эмиттера перемещались к « + » источника. В результате в цепи эмиттера появится ток . Вследствие прихода дырок в коллекторную область, последняя получает избыточный положительный заряд. Для его нейтрализации необходим приток электронов от « – » источника. Во внешней цепи появится ток, пропорциональный току эмиттера αI_Э. Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом передачи по току; и он всегда меньше единицы, так как не все дырки достигают коллектора, часть успевает рекомбинировать в базе. Кроме того, через коллекторный переход дрейфуют неосновные носители зарядов, в результате чего в коллекторной цепи появится составляющая точка, обусловленная дрейфам этих носителей. Эта составляющая называется обратным током закрытого p-n перехода – I_К0. Таким образом, в цепи коллектора будет протекать ток:

I_К = I_Э + I_К0

По базовому выводу протекают две составляющие тока. Одна составляющая тока называется рекомбинациониой (1 – )I_Э, и обусловлена притоком электронов от внешнего источника в базу и расходуемых на процесс рекомбинации, а вторая составляющая представляет собой I_К0. Таким образом, в цепи базы протекает ток

I_Б = (1 – )I_Э – I_К0

Транзистор представляет собой управляемый прибор, так как величина его коллекторного тока зависит от величины эмиттерного тока, изменение тока коллектора при изменении эмиттерного тока происходит с очень малой инерцией, если база достаточно тонка. Это позволяет использовать транзистор в качестве управляемого элемента вплоть до очень высоких частот (до 100 мГц и выше).

Поскольку напряжение в цепи коллектора, включенного в обратном направлении, может быть значительно выше, чем в цепи эмиттера, включенного в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, то мощность, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке, может быть значительно больше, чем мощность, затрачиваемая в цепи эмиттера, т. е. транзистор обладает усилительным эффектом.

2.1. Способы включения транзистора

Транзистор в схему можно включить тремя различными способами: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК). Способы включения транзистора показаны на рис. 2.

В схеме с ОБ за основной (общий) электрод, относительно которого отсчитывается напряжения, принимается база. Цепь эмиттера является входной, а цепь коллектора – выходной. Входными параметрами являются ток эмиттера I_Э и напряжение U_ЭБ, а выходными параметрами – ток коллектора I_К и напряжение между коллектором и базой U_КБ. В схеме с ОЭ входной и выходной цепями являются соответственно базовая и коллекторная цепи. Входными параметрами являются ток базы I_Б и напряжение приложенное между базой и эмиттером U_БЭ, а выходными параметрами – ток коллектора I_К, и напряжение между коллектором и эмиттером U_КЭ. Схема с ОЭ получила большее распространение при разработке транзисторных устройств.

а ) ОБ б) ОЭ в) ОК

Рис. 2. Способы включения транзистора в схему

В схеме с ОК входной и выходной цепями являются соответственно базовая и эмиттерная цепи. Входными параметрами являются ток базы I_Б и напряжение U_БК, а выходными параметрами – ток эмиттера I_Э и напряжение U_ЭК. Схема с ОК известна еще под названием эмиттерный повторитель. Она имеет высокое входное и низкое выходное сопротивления. Применяется для согласования каскадов.

2.2. Статические характеристики транзистора

Приводимые в справочниках статические характеристики транзистора представляют собой графики экспериментально полученных усредненных по партии транзисторов зависимостей между токами, протекающими в цепях электродов транзистора, и напряжениями, приложенными к электродам. При любом способе включения транзистора в нем присутствуют четыре переменных величины: входной ток I_вх, входное напряжение U_вх, выходной ток I_вых, выходное напряжение U_вых. При построении характеристик за независимые переменные можно принимать либо токи, либо напряжения. Но более удобным является смешанное задание независимых и зависимых величин. В качестве независимых переменных используют входной ток I_вх и напряжение выходного электрода U_вых, а в качестве зависимых – напряжение входного электрода U_вх, и выходкой ток I_вых. Это обусловлено величинами сопротивлений эмиттерного (R_Э) и коллекторного (R_К) переходов. Сопротивление R_Э очень мало (эмиттерный переход включен в прямом направлении), поэтому трудно задать фиксированную величину входного напряжения U_вх. И наоборот, сопротивление R_Э очень велико (коллективный переход включен в обратном направлении), и в выходной цепи проще задать нужную величину напряжения, чем величину тока. Следовательно, можно написать

U_вх = f(I_вх, U_вых); I_вых = f(I_вх, U_вых)

Поочередно принимая одну из независимых переменных в качестве параметра, можно получить четыре семейства статических характеристик:

1. – семейство входных характеристик

2. – семейство характеристик обратной связи по напряжению

3. – семейство характеристик передачи по току

4. – семейство выходных характеристик

Из указанных четырех семейств наибольшее распространение получили входные и выходные характеристики. В настоящей работе мы остановимся на изучении лишь этих двух семейств.

Для схемы с ОБ семейство входных характеристик записывается в следующем виде:

Примерный вид этих характеристик показан на рис. 3(a).

Для удобства пользования характеристиками независимая переменная I_Э откладывается по оси ординат, а зависимая U_ЭБ – по оси абсцисс. В качестве параметра семейства используется напряжение U_КБ.

Так как эмиттерный переход включен в прямом направлении, то входная характеристика представляет из себя вольтамперную характеристику диода в прямом направлении: ток эмиттера I_Э экспоненциально возрастает с ростом напряжения U_ЭБ. При больших токах I_Э характеристики почти линейны. При увеличении отрицательных напряжений на коллекторе U_КБ характеристики смещаются в сторону оси токов. Это смещение наиболее существенно при малых U_КБ. При больших U_КБ характеристики практически сливаются, что объясняется слабым влиянием U_КБ на режим работы эмиттерного перехода.

Семейство выходных характеристик для схемы с ОБ записывается в следующем виде

а) б)

Рис. З. Семейства характеристик транзистора:

а) входных; б) выходных

Примерный вид этих характеристик показан на рис. 1(б). Связь между токами эмиттера и коллектора выражается формулой:

I_К = I_Э + I_К0

При I_Э = 0; I_К = I_К0 т. е. в цепи коллектора протекает обратный ток I_К0, величина которого практически не зависит от U_КБ (это обычная вольтамперная характеристика диода в обратном направлении).

Увеличение тока эмиттера I_Э смещает выходную характеристику вверх примерно на величину приращения тока эмиттера. Пологость характеристики объясняется движением дырок в базе только за счет диффузии. Небольшой подъем характерно пик с увеличением U_КБ можно объяснить уменьшением эффективной ширины базы при увеличении U_КБ. При этом уменьшается число рекомендаций в базе, а, следовательно, при неизменном токе эмиттера ток базы уменьшается, а ток коллектора соответственно увеличивается.

Для схемы с ОЭ семейство входных характеристик записывается в виде:

Примерный вид этих характеристик показан на рис. 4(a).

а) б)

Рис. 4. Семейства характеристик транзистора; а) входных; в) выходных

Управляющим током в схеме ОЭ является базовый ток I_Б. В соответствие с законом Кирхгофа ток базы можно найти как разность токов эмиттера и тока коллектора (рис. 1).

I_Б = I_Э – I_К

С учетом соотношения I_К =  I_Э + I_К0:

I_Б = (1 – ) I_Э – I_К

Когда на базу подано запирающее напряжение ток эмиттера I_Э = 0, и в цепи базы протекает ток I_К0. Когда на базу подается отпирающее напряжение, эмиттерный переход открывается, и появляется ток эмиттера который экспоненциально растет с увеличением напряжения U_БЭ. Следовательно, и ток базы будет изменяться экспоненциально с изменением U_БЭ, т. е. входная характеристика аналогична вольтамперной характеристике диода (p-n перехода). С увеличением напряжения U_КЭ характеристики смещаются в сторону от оси токов. Это смещение обусловлено уменьшением эффективной ширины базы при увеличении U_КЭ, приводящем к уменьшению тока базы при неизменном токе эмиттера.

Семейство выходных характеристик для схемы с ОЭ записывается в виде:

Примерный вид этих характеристик показан на рис. 4(б). Найдем выражение, связывающее ток коллектора с током базы.

I_К =  I_Э + I_К0 = ( I_Б + I_К) + I_К0

или

Величина – коэффициент передачи тока базы

Вводя это обозначение и учитывая, что получим окончательное выражение для тока коллектора:

I_К =  I_Б + (1 + ) I_К0

Когда ток базы равен I_К0, т. е. транзистор закрыт, в цепи коллектора протекает ток, разный I_К0. При токе базы, равном 0, в цепи коллектора протекает ток I_К = (1 + ) I_К0. В дальнейшем при увеличении тока базы выходные характеристики смещаются вверх на величину I_Б. Особенностью характеристик, снятых при постоянном токе базы, является относительно большой наклон характеристик к оси напряжений и равенство нулю тока коллектора при U_КЭ = 0. Большой наклон характеристик, т. е. увеличение тока I_К с ростом U_КЭ при I_Б = const, можно объяснить следующим образом. Постоянный ток базы при увеличении (U_КЭ), т. е. при уменьшении эффективной ширины базы, можно поддерживать только за счет увеличения напряжения U_БЭ в прямом направления, вызывающего значительное увеличение избыточной концентрации дырок в базе, рост градиента концентрации, а значит и увеличение тока коллектора. Начальные участки выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ сходятся в начало координат, так как при U_КЭ = 0 разность потенциалов на коллекторном переходе равна нулю, а, следовательно, равен нулю в ток коллектора. С увеличением температуры выходные характеристики смещаются в сторону больших токов и наклон их увеличивается.

Семейства статических характеристик транзистора в схемах с ОК не рассматриваются, так как они легко могут быть получены из соответствующих семейств характеристик для схемы с ОЭ.