Цель работы: овладеть осциллографическим методом получения статических вольт-амперных характеристик биполярного транзистора и методикой определения параметров транзистора по его характеристикам.
Введение
Устройство транзистора. Биполярный транзистор является полупроводниковым прибором с двумя р п переходами, в котором ток обусловлен движением неосновных носителей заряда. Действие биполярного транзистора связано с движением носителей заряда обоих знаков — электронов и дырок.
Биполярный транзистор содержит три области полупроводника с чередующимися типами проводимости - n-р-n (рисунок 1а) или р-n-р (рисунок 1б). Средняя область называется базой, крайние — эмиттером и коллектором. На границе эмиттер-база образуется р — n-переход, называемый эмиттерным, на границе база-коллектор- р-n-переход, называемый коллекторным.
а - типа n-p-n; б – типа p-n-p
Рисунок 1 - Структура и условные обозначения биполярного транзистора
Режимы работы и включение. К переходам транзисторов подводят напряжения питания, которые могут быть приложены к переходам в прямом или обратном направлениях. В зависимости от их полярности различают режимы работы транзисторов.
В активном режиме напряжение на эмиттерном переходе прямое, на коллекторном переходе — обратное. Режиму насыщения соответствуют прямые напряжения на обоих переходах, режиму отсечки — обратные. Инверсный режим характеризуется обратным напряжением на эмиттерном переходе и прямым напряжением на коллекторном. Полярности напряжений питания транзисторов типа n-р-n и р-n-р, находящиеся в одном и том же режиме, противоположны по знаку.
Различают три основные схемы включения транзисторов: с общим эмиттером (рисунок 2а), с общей базой (рисунок 2б) и с общим коллектором (рисунок 2в).
а- с общим эмиттером; б – с общей базой; с – с общим коллектором
Рисунок 2 - Включение транзистора типа n-p-n
Характеристики транзистора. В транзисторе взаимосвязанными являются четыре величины — входной ток i1, входное напряжение u1, выходной ток i2, выходное напряжение u2. Эти токи и напряжения относятся к определенным электродам в соответствии со схемой включения транзистора. Взаимосвязь токов и напряжений электродов обычно выражается семействами входных и выходных характеристик.
Входные характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой (рисунок 3а), выражают зависимость тока эмиттера iэ от напряжения эмиттер-база uэб при неизменном напряжении коллектор — база uкб, т. е. iэ = f(uэб) при uкб = const. При uкб = 0 входная характеристика близка к вольт-амперной характеристике полупроводникового диода. В активном режиме (uкб > 0) характеристика смещается в сторону больших токов эмиттера вследствие модуляции ширины базы и изменения градиента концентрации неосновных носителей заряда в базе. Однако влияние напряжения uкб на ток эмиттера проявляется слабо, так как электрическое поле, вызванное напряжением uкб, почти полностью сосредоточено в коллекторном переходе. В режиме насыщения (uкб <0) характеристика смещается в сторону меньших токов is.
Выходные характеристики транзистора в схеме с общей базой (рисунок 3б) выражают зависимость тока коллектора Ik от напряжения коллектор — база uкб при заданном значении тока эмиттера iэ: ik=f(uкб) при iэ=const.
Рисунок 3 – Статические характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой.
При iэ=0 выходная характеристика выражает зависимость обратного тока коллекторного перехода uкб от обратного напряжения, приложенного к нему. При появлении тока эмиттера (iэ>0) в цепи коллектора проходит ток ik. В активном режиме выходные характеристики представляют собой почти прямые линии, имеющие небольшой наклон к оси абсцисс. Небольшое увеличение тока ik при возрастании напряжения uкб объясняется модуляцией ширины базы и некоторым увеличением в связи с этим градиента концентрации электронов в базе. При больших напряжениях uкб наблюдается увеличение коллекторного тока, обусловленного лавинным размножением электронов. В случае отрицательного напряжения коллектора (uкб <0) транзистор находится в режиме насыщения. Коллекторный переход открывается, возникает встречный поток электронов из коллектора в базу, ток коллектора ik резко уменьшается.
Для схемы с общим эмиттером входная характеристика транзистора (рисунок 4а) представляет собой зависимость тока базы iб от напряжения база —эмиттер uэб при определенном значении напряжения коллектор -эмиттер uкэ: iб=f(uэб) при uкэ = const.
Вид этой характеристики такой же, как и входной характеристики для схемы с общей базой. Однако iб < iэ и изменение тока базы, приходящееся на единицу напряжения uкэ, значительно меньше, чем такое изменение тока эмиттера. Увеличение напряжения uкэ вызывает уменьшение тока iб , так как происходит уменьшение ширины базы и снижается вероятность рекомбинации в базе неосновных носителей заряда.
Выходные характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером (рисунок 4б) представляют собой зависимость тока коллектора ik от напряжения коллектор— эмиттер uкэ при постоянном токе базы iб: ik=f(uкэ) при iб=const.
Участки характеристик, соответствующие малым значениям напряжения uкэ являются крутыми. Объясняется это тем, что напряжение, приложенное к коллекторному переходу, равно разности напряжений uкэ— uбэ. Пока uкэ < uбэ, к коллекторному переходу приложено прямое напряжение, транзистор работает в режиме насыщения и ток коллектора сильно зависит от напряжения на коллекторном переходе. После перехода транзистора в активный режим (uкэ > uбэ) выходные характеристики транзистора имеют пологий вид. Однако зависимость тока ik от напряжения uкэ проявляется в большей степени, чем для транзистора, включенного по схеме с общей базой. Увеличение напряжения uкэ вызывает расширение коллекторного перехода и сужение области базы. Вероятность рекомбинации электронов в базе и ток базы уменьшаются. Чтобы поддерживать ток базы iб неизменным, необходимо увеличивать напряжение uбэ. А это приводит к увеличению инжекции электронов в базу и возрастанию коллекторного тока.
Параметры транзистора. Из четырех взаимосвязанных величин напряжений и токов u1, u2, i1, i2 электродов транзистора две можно считать независимыми переменными, две - зависимыми переменными. Возможны шесть вариантов функциональных зависимостей и шесть вариантов параметров транзистора.
Наибольшее распространение получила система h-параметров, называемая гибридной. В этой системе зависимости между токами и напряжениями представляются в виде: u1 = f1(i1, u2 ); i2 = f2(i1, u2 ).
Для этих функций полные дифференциалы напряжения du1 и тока di2 имеют вид:
На низких частотах h-параметры транзистора представляют собой действительные числа, на высоких частотах — комплексные, так как между токами и напряжениями электродов транзистора имеются фазовые сдвиги, обусловленные наличием емкостей переходов, внутренней обратной связью, конечным временем перемещения носителей заряда в базе и другими причинами.
Приборы и принадлежности: лабораторный стенд, осциллограф, миллиамперметр, вольтметр, исследуемые транзисторы.
