Лабораторная работа №2 исследование характеристик транзисторов

Цель работы: Исследование статических вольт-амперных характеристик транзистора в схемах с общей базой и общим эмиттером.

Теоретические сведения

Транзистор - полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления и/или генерирования электрических колебаний.

Т ранзистор биполярный - полупроводниковый прибор с двумя или более очень близко расположенными и взаимодействующими между собой p-n-п-реходами, включенными встречно, и двумя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Классическая структура биполярного транзистора (БПТ) реализуется на основе трех полупроводниковых областей (рис. 1) с различными типами электропроводности.

В транзисторе p-n-p одна из р-областей называется эмиттером, вторая - коллектором, средняя n-область является базой. Для транзистора n-p-n типы проводимостей этих областей меняются. На рис. 2 приведено условное обозначение указанных транзисторов.

При отсутствии внешнего напряжения. на границе p- и n-областей возникают потенциальные барьеры. Если к эмиттерному переходу приложить прямое напряжение (соответствующее проводящему направлению), а к коллекторному - обратное, то потенциальный барьер эмиттерного перехода снизится на U_эб, а потенциальный барьер коллекторного перехода увеличится на U_кб. Уменьшение высоты потенциального барьера эмиттерного перехода приводит к увеличению количества дырок, преодолевающих его и переходящих в базу. Вследствие диффузии дырки движутся в сторону коллекторного перехода, поле которого является ускоряющим для них. Часть из них рекомбинирует с электронами в базе. Восполнение последних происходит через базовый электрод в виде тока базы. Через этот же электрод протекает обратный ток коллекторного перехода I_к0. Большая часть дырок втягивается в коллекторную область и образует дополнительную составляющую коллекторного тока.

Для БПТ выполняется соотношение (рис. 1)

I_э = I_к + I_б,

где I_э, I_к , I_б - соответственно токи эмиттера, коллектора и базы.

Отношение  = I_к/I_э_Uкб=0 называется коэффициентом передачи тока от эмиттера к коллектору (передачи э миттерного тока в коллекторную цепь) и показывает количественно: какая часть дырок, перешедших эмиттерный переход, достигает коллекторного перехода.

Вид ВАХ транзистора зависит от схемы включения. Возможны три схемы включения в зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). На практике распространены две первые.

Н а рис. 3 приведена входная ВАХ БПТ, включенного по схеме с ОБ: I_э = f(U_эб) при U_кб=const, а на рис. 5 - выходная ВАХ того же транзистора. При I_э=0 ток коллектора I_к=I_к0. При I_э0 I_к=I_к0 + I_э. Некоторое увеличение I_к с ростом U_кб при I_э=const объясняется расширением коллекторного перехода, что приводит к сужению базы и увеличению коэффициента  (эффект модуляции толщины базы).

Входные и выходные ВАХ БПТ, включенного по схеме с ОЭ (рис. 5), приведены на рис. 6, 7. Зависимость между входным током I_б и выходным - I_к для данной схемы включения определяется как

(1)

г де =/(1-)=I_к/I_б - коэффициент передачи тока от базы к коллектору (передачи базового тока в коллекторную цепь).

При I_б=0

I_к = I_к0(+1) = I_кэ0= I_к0^*.

При увеличении выходных напряжений (U_кб для схемы с ОБ, U_кэ - с ОЭ) сверх некоторого допустимого напряжения I_к резко нарастает, что приводит к пробою коллекторного перехода.

П ри изменении температуры окружающей среды БТ изменяются I_к0 и коэффициент , что приводит к смещению выходных характеристик вверх или вниз (рис. 4). Смещение входных ВАХ (см. рис. 3) при изменении температуры объясняется теми же причинами, что и для прямой ветви ВАХ диода.

Вследствие наличия емкостей эмиттерного и коллекторного переходов и конечной скорости перемещения носителей через базу коэффициенты  и  уменьшаются с ростом частоты входного сигнала. Указанные факторы также приводят к созданию сдвига по фазе между входным и выходным сигналами. В целом зависимость коэффициента  от частоты определяется выражением

,

а коэффициента  - выражением

. (2)

Ч астота f_, при которой  = ₀/2, где ₀ - коэффициент передачи тока эмиттера для f=0, называется предельной. Для схемы с ОЭ предельная частота f_ предполагает, что =₀/2 .

Для транзистора, включенного по схеме с ОЭ, f_ = f_/.

Для БПТ по схеме с ОЭ также вводится понятие граничной частоты f_г, на которой модуль  для выражения (2) становится равным 1. Обычно частотные свойства транзистора характеризуют с помощью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), отображающей зависимость модуля коэффициента передачи тока ( или ) от частоты, и фазо-частотной характеристики (ФЧХ), показывающей изменение фазового сдвига при изменении частоты.

На практике в цепь коллектора БПТ включается нагрузочное сопротивление, с которого снимается выходной сигнал (рис. 8). Тогда

U_кэ + I_к R_к = Е_к.

Д анное уравнение описывает прямую, которая называется линией нагрузки (рис. 9). Из рисунка видно, что при работе транзистора с нагрузкой I_к зависит не только от I_б, но и от напряжения U_кэ. Для схемы с ОБ I_б заменяется на I_э, а U_кэ - на U_кб.

В зависимости от того, какой участок выходных ВАХ пересекает линия нагрузки, различают три режима работы БТ: активный, насыщения и отсечки.

В активном режиме сохраняется зависимость I_к=f(I_б) в виде выражения (1). Когда I_б=I_{б нас},

I_{к нас} = (Е_к-U_кэ)/R_к  Е_к/R_к,

так как U_{кэ нас}<<E_к.

В режиме отсечки I_к  I_кэ0.

Активный режим транзистора обычно используется в работе усилительных схем, а насыщения и отсечки - импульсных.

Б ПТ является нелинейным электронным элементом, так как характеризуется нелинейными зависимостями U=f(I) входных и выходных ВАХ (см. рис. 3, 4, 6, 7). Но при работе транзистора в режиме малого сигнала, т.е. при относительно небольших амплитудах переменных составляющих входных и выходных величин, он может быть представлен в виде активного линейного четырехполюсника (рис. 10), предполагающего линейные зависимости между токами и напряжениями на входе и выходе. Возможно шесть вариантов выбора пар независимых и зависимых переменных для описания связи токов и напряжений в данном четырехполюснике. В силу специфики входных и выходных ВАХ транзистора для его описания обычно выбирают в качестве независимых переменных входной ток i₁ и выходное напряжение u₂, а зависимыми становятся: входное напряжение u₁ и выходной ток i₂. При таком выборе четырехполюсник описывается системой уравнений на основе h-параметров

Указанный выше выбор зависимых и независимых переменных приводит к преобразованию данной системы к виду

u

(3)

₁ = h₁₁i₁ + h₁₂u₂;

i₂ = h₂₁i₁ + h₂₂u_2.

Тогда физический смысл h-параметров определяется как:

- входное сопротивление при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;

- коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода на входе по переменному сигналу;

- коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;

- выходная проводимость при холостом ходе на выходе по переменному сигналу.

Единицы измерений h-параметров различны: h₁₁ измеряется в омах, h₂₂ - в сименсах, h₂₁ и h₁₂ - безразмерны. Так как физические размерности параметров неодинаковые, то такую систему называют гибридной.

С хема замещения транзистора на основе h-параметров представлена на рис. 11. В ней генератор э.д.с. h₁₂u₂ учитывает наличие напряжения обратной связи во входной цепи, когда на выходе действует напряжение u₂, а входная цепь разомкнута. Сам генератор считается идеальным, т.е. не имеющим внутреннего сопротивления. Идеальный генератор тока h₂₁i₁ учитывает взаимосвязь выходного и входного токов.

В инженерных расчетах обычно используется упрощенная эквивалентная схема БПТ на основе h-параметров (рис. 12), в которой отсутствуют параметры h₁₂ и h₂₂ в силу их незначительного влияния на функционирование транзистора.

Для каждой схемы включения транзистора существует свой набор h-параметров, идентифицируемый соответствующим индексом, но между этими наборами существует однозначная связь, представленная в табл. 1.

Таблица 1

H11э		h11б
H12э		h12б
H21э		h21б
H22э		h22б

Применительно к схеме включения с ОЭ для коэффициента h_21э широко используется обозначение , а в схеме с ОБ - вместо h_21б коэффициент -, так как в данной схеме включения направления тока i_к противоположно базовому направлению тока i₂ исходного четырехполюсника (см. рис. 10), т.е. h_21б<0. Но в практических расчетах коэффициент  обычно используется как положительная величина.

H-параметры обычно измеряются специальными техническими средствами, что упрощает данный процесс и повышает его точность, но при практических расчетах значения данных параметров могут быть определены и графо-аналитическим методом по статическим входным и выходным ВАХ, так как переменные составляющие токов и напряжений транзистора представляют приращения постоянных составляющих этих величин, т.е. система (3) может быть представлена в виде

U₁= h₁₁I₁ + h₁₂U₂;

U₁= h₁₁I₁ + h₁₂U₂.

На рис. 13 показан процесс определения h-параметров по входной ВАХ транзистора, а на рис. 14 - по выходной. Из рисунков видно, что значения h-параметров не являются постоянными для конкретного транзистора и зависят от режима по постоянному току (рабочей точки покоя транзистора) - значений постоянных составляющих токов и напряжений на входе и выходе транзистора. Поэтому в справочной литературе при указании h-параметров обязательно указывается и режим, при котором произведены измерения. Значения h-параметров также зависят от частоты переменного сигнала и температуры окружающей среды.

;

.