Объект и средства исследования

Биполярный транзисторпредставляет собой кристалл полупроводника, состоящий из трех слоев с че­редующейся проводимостью (p-n-p или n-p-n) и снабженный тремя вывода­ми (электродами) для подключения к внешней цепи. Крайние слои называют эмитте­роми коллектором,между ними находится база. В трехслойной структуре образуются два электронно-дырочных перехода: эмиттерныйпереходмежду эмитте­ром и базой и коллекторныйпереходмежду кол­лектором и базой. В качестве исходного материала транзисторов используют германий или кремний.

При изготовлении транзистора обязательно должны быть выполнены два условия:

1) толщина базы (расстояние между эмиттерным и коллекторным переходами) должна быть малой по сравнению с длиной свободного пробега носителей заряда;

2) концентрация примесей (и основных носителей) за­ряда в эмиттере должна быть значительно больше, чем в базе.

В нормальном активном режиме к эмиттерному переходу должно быть приложено прямое, а к коллекторному – обратное напряжение. В этом режиме происходит диффузия (инжекция) из эмиттера в базу неосновных для нее носителей заряда. Вследствие несимметрии эмиттерного перехода ток эмиттера I_э обусловлен в основном этой диффузией зарядов. В результате перепада концентрации вдоль базы неосновные носители продвигаются от эмиттера к коллектору. Поскольку база в транзисторе выполняется тонкой, основная часть носителей зарядов, инжектирован­ных эмиттером, достигает коллекторного перехода, не по­падая в центры рекомбинации. Эти носители захватываются полем коллекторного перехода, смещенного в обратном на­правлении, и образуют ток коллектора I_к. Вследствие малой вероятности рекомбинации в тонкой базе основная часть эмиттерного тока попадает в цепь коллектора:

I_к ≈ α I_э, (1)

где α = 0,95 ÷ 0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера.

Остальная часть эмиттерного тока составляет ток базы:

I_б ≈ (1 – α) I_э. (2)

Соотношения (1) и (2) справедливы для схемы включения транзистора с общей базой (ОБ): источники напряжений эмиттер-база U_эб и коллектор-база U_кб подключены одним полюсом к базе. Выражения для токов коллектора и базы показывают, что токи в тран­зисторе связаны линейными соотношениями.

В схеме с ОБ отсутствует усиление по току. Поэтому чаще применяется схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ). Питание и базовой (напряжение база-эмиттер U_бэ), и коллекторной (напряжение коллектор-эмиттер U_кэ) цепей осуществляется относительно эмиттера. При этом должны соблюдаться условия нормального активного режима.

В схеме с ОЭ входным является ток базы. Из (1) и (2) можно получить:

I_к ≈ β I_б, (3)

где β = α / (1 – α) – коэффициент передачи тока базы. Его величина составляет 20 ÷ 200 и более.

Выражение (3), как и (1), является приближенным. Более точное уравнение тока коллектора имеет вид

I_к ≈ β I_б + (β + 1) I_кбо + U_кэ / r_к.э, (4)

где I_кбо – обратный ток коллекторного перехода в схеме с ОБ; r_к.э – дифференциальное сопротивление цепи коллектора в схеме с ОЭ.

Работа проводится на персональном компьютере с помощью программы схемотехнического моделирования Electronics Workbench 5.0c.

Из набора компонентов "Transistors" выбрать биполярный транзистор n-p-n типа и через меню "Свойства компонента" (Component Properties…) выбрать заданную модель транзистора фирмы nationl2 и установить коэффициент передачи тока базы (Edit → Sheet1 → Forward current gain coefficient (βF) согласно табл. 1.

Таблица 1

Рис. 1. Схема для исследования статических ВАХ биполярного транзистора

Собрать схему с общим эмиттером (рис. 1), содержащую источник постоянного тока (DC Current Source) в базовой цепи и источник постоянного напряжения (Battery) в цепи коллектора, а также вольтметр для измерения напряжения база–эмиттер и миллиамперметр для измерения тока коллектора.