Студопедия — Биполярный транзистор
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Биполярный транзистор






 

4.1 Теоретическая часть

 

4.1.1 Устройство и принцип действия

 

Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности электрических сигналов и имеющий три или более выводов. По принципу действия транзисторы разделяют на два основных класса – биполярные и полевые (униполярные). В биполярных транзисторах физические процессы определяются движением носителей заряда обоих знаков – основных и неосновных, что отражено в их названии.

Биполярный транзистор, далее называемый просто транзистором, содержит три полупроводниковые области с чередующимися типами проводимости (n-p-n или p-n-p), которые называются соответственно эмиттером, базой и коллектором; эти области разделены двумя взаимодействующими между собой p-n переходами – эмиттерным и коллекторным. Взаимодействие между переходами обеспечивается благодаря тому, что расстояние между ними (толщина базы) много меньше диффузионной длины неосновных носителей в базе. К полупроводниковым областям созданы омические контакта и внешние выводы. Структура и условное графическое обозначение транзистора приведены на рисунке 4.1: (а) – n-p-n, (б) – p-n-p.

Эмиттер База Коллектор Эмиттер База Коллектор

IЭ IК IЭ IК

n p n p n p

IБ IБ

 

а) б)

 

Рисунок 4.1 – Структура и условное графическое обозначение биполярного транзистора

 

Принцип действия транзисторов обоих типов проводимости одинаков, поэтому будем рассматривать только транзистор типа n-p-n; для транзистора типа p-n-p отличие состоит только в том, что полярность рабочих напряжений и направления токов противоположны.

Принцип действия транзистора можно рассмотреть на примере простейшей одномерной модели, представленной на рисунке 4.2, а. В этой модели p-n -переходы считаются плоскими, а носители движутся только в одном направлении – вдоль оси x, перпендикулярной переходам. Штриховкой показаны обедненные слои p-n переходов; расстояние между ними дает физическую толщину базы W Б, а расстояние между металлургическими границами – технологическую толщину базы WБ0.

 

Lоб Э WБ Lоб К

 

Эмиттер База Коллектор

n+p n

x

 

Lоб Э WБ0 Lоб К а)

 

 

qδφ

 

 

Eф

 

 

 

 

Lоб К б)

q(φ - UЭБ) 1 2

 

Eф Э

1эВ Eф Б q(φ + |UКБ|)

 

Lоб Э WБ Eф К

 

0,5 мкм

 

 

в)

 

Рисунок 4.2 – Одномерная модель транзистора (а) и энергетические диаграммы в состоянии равновесия (б) и в активном режиме (в).

 

Энергетическая диаграмма для одномерной модели в состоянии равновесия (при нулевых напряжениях на переходах) показана на рисунке 4.2, б. Она является совмещением энергетических диаграмм p-n -переходов. Равновесная система характеризуется единым уровнем Ферми ЕФ. На границе эмиттера и базы образуется энергетический барьер высотой , а на границе базы с коллектором – барьер высотой . Небольшое искривление границ энергетических зон в базе (разность энергий на границах базы qδφ; ~ 0,1 эВ) обусловлено внутренним электрическим полем в базе, возникающим вследствие неравномерного распределения акцепторов; их концентрация у границы базы с эмиттерным переходом значительно выше концентрации у границы с коллекторным переходом. Такое распределение примесей характерно для большинства транзисторов.

В активном режиме, являющимся основным для усилительных схем, на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Энергетическая диаграмма в активном режиме приведена на рисунке 4.2, в. Потенциальный барьер эмиттерного перехода уменьшается на значение прямого напряжения UЭБ, что приводит к инжекции электронов из эмиттера в базу. Основное назначение эмиттера – обеспечить максимально возможную при данном прямом токе одностороннюю инжекцию электронов в базу. Для этого концентрация доноров в эмиттере NgЭ на границе с переходом должна быть значительно больше концентрации акцепторов в базе: NgЭ>>NaБ.

Электроны, инжектируемые в базу, движутся к коллекторному переходу. Это движение является совокупностью диффузии и дрейфа. Диффузионное движение обусловлено повышением вследствие инжекции концентрации электронов в базе около эмиттерного перехода, тогда как около коллекторного перехода она мала из-за экстракции полем этого перехода. Диффузия присуща всем типам транзисторов. Дрейфовое движение вызывается внутренним электрическим полем в базе. Транзисторы с неоднородно легированной базой, в которой существенно дрейфовое движение, называют дрейфовыми. Менее распространены бездрейфовые транзисторы с однородно легированной базой, в которой нет внутреннего электрического поля.

Часть электронов, инжектированных в базу, не доходит до коллекторного перехода вследствие рекомбинации. Однако их число невелико, так как толщина базы мала по сравнению с диффузионной длиной электронов.

Электроны, достигающие коллекторного перехода, втягиваются в него электрическим полем и перебрасываются в коллектор. Таким образом, в активном режиме коллектор собирает инжектированные в базу электроны.

В активном режиме токи коллектора и эмиттера почти одинаковы, а их разность равна току базы. Коллекторный ток практически не зависит от напряжения на коллекторном переходе, поскольку при любом обратном напряжении все электроны, достигающие в базе коллекторного перехода, попадают в его ускоряющее поле и уносятся в коллектор. По этой причине дифференциальное сопротивление коллекторного перехода rК = dUКБ/dIК очень велико, что характерно для p-n - переходов, включенных в обратном направлении. В цепь коллектора можно включить нагрузочный резистор с достаточно большим сопротивлением Rн без существенного уменьшения коллекторного тока. В то же время дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (rЭ = dUЭБ/dIЭ), включенного в прямом направлении, очень мало (rЭ << rК). При увеличении эмиттерного (входного) тока на ΔIЭ коллекторный ток возрастает приблизительно на то же значение (ΔIК ~ ΔIЭ). Изменение мощности ΔPвх = ΔIЭΔUЭБ = ΔIЭ2 rЭ, потребляемой в цепи эмиттера, может быть много меньше изменения мошности ΔPвых = ΔIКΔUКБ = ΔIК2 Rн ~ ΔIЭ2 Rн, выделяемой в нагрузке. Говорят, что электрическая схема, содержащая транзистор, источник питания и нагрузочный резистор Rн > rЭ, способна “усиливать” мощность электрического сигнала (ΔPвых > ΔPвх), причем коэффициент усиления по мощности ΔPвых /ΔPвх = Rн / rЭ.

 

4.1.2 Схемы включения

 

В схеме с общей базой (ОБ), представленной на рисунке 4.3, а, напряжения на эмиттере UЭБ и коллекторе UКБ отсчитываются относительно базы – общего электрода для входной (эмиттерной) и выходной (коллекторной) цепей.

Эта схема обладает усилением по мощности и напряжению (ΔUКБ > ΔUЭБ), но не обеспечивает усиления тока (ΔIК ~ ΔIЭ) и характеризуется малым входным сопротивлением (равным сопротивлению эмиттерного перехода при прямом напряжении).

Наиболее широко применяется схема с общим эмиттером (ОЭ), представленная на рисунке 4.3, б, в которой напряжения на базе UБЭ и коллекторе UКЭ отсчитываются относительно эмиттерного электрода, общего для входной (базовой) и выходной (коллекторной) цепей. Так как IБ = IЭIК << IК, то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔIК >> ΔIБ) и напряжения (ΔUКЭ > ΔUБЭ). Кроме того, ее входное сопротивление ΔUБЭ/ΔIБ = (ΔUБЭ/ΔIЭ)(ΔIЭ/ΔIБ) много больше входного сопротивления схемы ОБ.

В схеме с общим коллектором (ОК), представленной на рисунке 4.3, в, напряжения на базе UБК и эмиттере UЭК отсчитываются относительно коллектора – общего электрода для входной (базовой) и выходной (эмиттерной) цепей. Так как IБ << IЭ, то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔIЭ >> ΔIБ), приблизительно такое же, как и схема ОЭ. В отличие от схем ОБ и ОЭ схема ОК не обеспечивает усиления напряжения и поэтому ее часто называют эмиттерным повторителем. К достоинствам следует отнести высокое входное сопротивление, возрастающее при увеличении сопротивления нагрузочного резистора в цепи эмиттера.

 

IЭ IК IК IЭ

 

IБ IБ

– + + + _ –

UЭБ UКБ UКЭ UЭК

+ IБ – UБЭ IЭ – UБК IК +

– +

 

 

в) а) б)

 

Рисунок 4.3 – Схемы включения транзистора

 

4.1.3 Токи в транзисторе

 

В активном режиме полный ток эмиттера IЭ = IЭn + IЭp + IЭрек состоит из тока IЭn электронов, инжектированных из эмиттера в базу, тока IЭp дырок, инжектированных из базы в эмиттер, и тока IЭрек рекомбинации носителей в эмиттерном переходе. В этой сумме только первый ток является полезным, поскольку он влияет на ток коллектора, два остальных тока являются вредными, и их стремятся уменьшить. С этой целью эмиттер легируют значительно сильнее, чем базу, тогда концентрация электронов в эмиттере будет значительно больше концентрации дырок в базе и IЭn >> IЭp.

Движение электронов, инжектированных в базу, сопровождается рекомбинацией части электронов, поэтому ток IКn электронов, подходящих к коллекторному переходу, меньше тока IЭn на величину IБрек, называемую током рекомбинации в базе, который необходимо уменьшать. IБрек будет тем меньше, чем меньше толщина базы по отношению к диффузионной длине электронов Ln в базе.

Если напряжение на коллекторном переходе значительно меньше напряжения лавинного пробоя и ударная ионизация отсутствует, то полный ток коллектора IК = IКn + IКБ0, где IКБ0обратный ток коллектора в схеме с ОБ, не зависящий от тока эмиттера. Как и для одиночного p-n - перехода, обратный ток IКБ0 состоит из токов термогенерации, теплового и утечки. Ток IКБ0 может быть измерен при заданном обратном напряжении на коллекторном переходе и отключенном эмиттере (IЭ = 0).

Ток IКn – управляемый, т. е. зависит от тока эмиттера и может быть представлен как IКn = αIЭ, где α; – статический коэффициент передачи тока эмиттера в схеме ОБ. Поскольку IКn < IЭn < IЭ, то α; < 1. Таким образом, в активном режиме

 

IК = IКn + IКБ0 = αIЭ + IКБ0, (1)

 

откуда

α = (IК - IКБ0)/ IЭ. (2)

 

Обычно рабочие токи коллектора IК значительно превышают величину IКБ0, тогда можно записать

 

α = IКn / IЭ = γЭ χБ, (3)

где

γЭ = IЭn / IЭ = IЭn / (IЭn + IЭp + IЭрек) (4)

 

коэффициент инжекции эмиттера;

 

χБ = IКn / IЭn (5)

 

коэффициент переноса.

Коэффициент инжекции γЭ показывает, какую часть составляет полезный ток инжекции электронов из эмиттера в базу в полном токе эмиттера. Коэффициент переноса χБ показывает, какая часть электронов, инжектируемых из эмиттера в базу, достигает коллекторного перехода; значение χБ тем ближе к единице, чем меньше электронов рекомбинирует в базе при их движении к коллектору. На коэффициент переноса помимо значений толщины базы и диффузионной длины неосновных носителей существенное влияние оказывает площадь коллекторного перехода. Это объясняется особенностями диффузионного движения носителей заряда. Диффузия происходит как в сторону коллектора, так и в направлении вывода базы и поверхности кристалла, что сопровождается дополнительной рекомбинацией и уменьшением коэффициента переноса. Для уменьшения рассеивания неосновных носителей площадь коллекторного перехода делают значительно больше площади эмиттерного перехода.

Значение коэффициента α; зависит от тока эмиттера и напряжения UКБ. В области малых токов эмиттера коэффициент инжекции значительно меньше единицы, поскольку диффузионные токи эмиттерного перехода значительно меньше рекомбинационных. При увеличении тока эмиттера диффузионные токи возрастают быстрее рекомбинационных, поэтому коэффициенты инжекции и переноса увеличиваются, что приводит к росту α;. Область больших токов соответствует высокому уровню инжекции, при котором проявляется несколько физических эффектов, приводящих к уменьшению α;. Одним из таких эффектов является уменьшение удельного сопротивления базы, вызванное увеличением концентрации инжектированных в базу носителей. Это сопровождается уменьшением коэффициента инжекции и α;.

Зависимость α; от напряжения UКБ определяется изменением (модуляцией) толщины базы и лавинным умножением носителей зарядов в запирающем слое коллекторного p-n -перехода; то и другое приводит к росту α; при увеличении напряжения UКБ.

Из соотношения IБ = IЭ – IК и выражения (1) получаем

 

IБ = (1 – α)IЭ – IКБ0.

 

При некотором очень малом токе эмиттера, равном IКБ0 / (1 - α), ток базы равен нулю. Однако рабочие токи эмиттера значительно превышают IКБ0 / (1 - α), и тогда

 

IБ = (1 – α)IЭ = IЭ – IКn = IЭp + IЭрек + IБрек. (6)

 

Для схемы ОЭ в активном режиме из (1) и условия IЭ = IК + IБ получаем

 

IК = βIБ + (1+β) IКБ0 = βIБ + IКЭ0, (7)

 

где

 

β = α / (1 – α) = (IК – IКБ0) / (IБ + IКБ0) (8)

 

статический коэффициент передачи тока базы.

ГОСТ 20003-74 вводит термин «статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора» с обозначением h21Э как «отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении коллектор-эмиттер и токе эмиттера в схеме с общим эмиттером». Фактически h21Э = β;. По аналогии можно ввести обозначение h21Б = α;.

В то время как α; < 1, значения β; могут быть очень большими, напрмер α; = 0,99 соответствует β; = 100.

Учитывая соотношение между коэффициентами α; и β; (8), можно сделать вывод о том, что β; также зависит от тока эмиттера и напряжения на коллекторном переходе, причем эта зависимость более сильная, чем у α;.

Ток IКЭ0 = (1+β) IКБ0 представляет собой неуправляемую (т. е. не зависящую от тока базы) составляющую коллекторного тока и называется обратным током коллектора в схеме с ОЭ. Таким образом, в схеме с ОЭ неуправляемый ток коллектора в β + 1 раз больше, чем в схеме с ОБ. Причина заключается в том, что ток IКБ0 является одной из составляющих базового (входного) тока, усиливаемого транзистором при его включении с ОЭ. Большое значение тока IКЭ0 является существенным недостатком схемы с ОЭ.

 

4.1.4 Статические вольт-амперные характеристики (ВАХ)

 

Статическими ВАХ называют графики, выражающие функциональную связь между токами и напряжениями транзистора. В зависимости от того, какие напряжения и токи принимаются за независимые переменные, возможны различные системы функциональной связи и соответствующие им семейства статических характеристик. Среди этих семейств характеристик наибольшее распространение получили статические характеристики, относящиеся к системе, в которой в качестве независимых переменных приняты входной ток и выходное напряжение:

 

Uвх = f (Iвх, Uвых);

Iвых = f (Iвх, Uвых).

 

В статическом режиме эти зависимости выражаются четырьмя семействами характеристик:

– входными:

Uвх = f (Iвх) при Uвых = const;

– выходными:

Iвых = f (Uвых) при Iвх = const;

– обратной связи:

Uвх = f (Uвых) при Iвх = const;

– прямой передачи:

Iвых = f (Iвх) при Uвых = const.

 

Вид характеристик зависит от способа включения транзистора. Для однозначного установления зависимости между токами и напряжениями транзистора достаточно иметь два семейства характеристик. Наибольшее применение получили входные и выходные характеристики. Характеристики обратной связи и прямой передачи применяются редко и могут быть получены из входных и выходных характеристик путем перестроения.

 

4.1.4.1 Входные характеристики

 

–UЭБ UКБ = 0

 

10 В

 

 

UКБ

 

 

0 IЭ

 

 

Рисунок 4.4 – Семейство входных характеристик транзистора, включенного с ОБ

 

Входными характеристиками транзистора, включенного с ОБ, называют семейство характеристик, выражающих зависимость UЭБ = f (IЭ) при постоянных значениях напряжения UКБ, которое является параметром семейства входных характеристик. Типичное семейство входных характеристик для маломощного n-p-n транзистора показано на рисунке 4.4. Отрицательные значения напряжения UЭБ соответствуют прямому включению эмиттерного перехода. Характеристика для UКБ = 0 практически совпадает с ВАХ p-n -перехода. В активном режиме (UЭБ < 0, UКБ > 0) при увеличении UКБ происходит смещение входной характеристики в область меньших напряжений (вниз). Это обусловлено уменьшением толщины базы за счет расширения области пространственного заряда при увеличении обратного напряжения на коллекторном переходе (эффект Эрли). Если поддерживать постоянным ток IЭ, то градиент концентрации электронов в базе должен оставаться неизменным, т. е. должна уменьшаться концентрация электронов на границе эмиттерного перехода nБЭ (рисунок 4.5,а). Это может происходить только за счет уменьшения напряжения UЭБ.

В режиме насыщения (UЭБ < 0, UКБ < 0) происходит инжекция электронов в базу не только из змиттера, но и из коллектора. Концентрация электронов на границе коллекторного перехода nБК будет возрастать с увеличением прямого напряжения UКБ. Для сохранения постоянного значения тока IЭ необходимо поддерживать постоянство градиента концентрации электронов в

 

nP IЭ = const

U'КБ > UКБ

U'ЭБ< UЭБ

nБЭ

UКБ > 0

n'БЭ

 

U'КБ Коллектор

 

 

nP0

 

w'Б x

wБ

 

 

Рисунок 4.5, а – Распределение электронов в базе транзистора при различных напряжениях коллектор – база и постоянном токе эмиттера (активный режим)

nP IЭ = const

n'БЭ |U'КБ| > |UКБ|

U'ЭБ > UЭБ

 

nБЭ U'КБ

 

UКБ < 0 Коллектор

 

nP0

 

wБ x

 

w'Б

 

Рисунок 4.5, б – распределение электронов в базе транзистора при различных напряжениях коллектор – база и постоянном токе эмиттера (режим насыщения)

 

базе (рисунок 4.5, б). Это обеспечивается одновременным ростом концентрации электронов на границе эмиттерного перехода nБЭ за счет увеличения напряжения UЭБ. Таким образом, при увеличении прямого напряжения на коллекторном переходе и постоянном токе IЭ входная характеристика смещается в область больших напряжений (вверх).

 

UБЭ

 

UКЭ 10 В

 

 

UКЭ = 0

 

0 IБ

 

Рисунок 4.6 – Входные характеристики транзистора, включенного с ОЭ

 

В схеме с ОЭ входные характеристики (рисунок 4.6) – это зависимости UБЭ = f (IБ) с параметром UКЭ. При UКЭ = 0 оба p-n -перехода транзистора оказываются включенными в прямом направлении, т. е. транзистор работает в режиме насыщения. Электроны инжектируются из эмиттера и коллектора в базу, где часть их рекомбинирует с дырками. В цепи базы протекает ток, определяемый рекомбинацией, а также инжекцией дырок из базы в эмиттер и коллектор. Входная характеристика представляет собой ВАХ двух параллельно включенных p-n -переходов. При увеличении напряжения UКЭ транзистор переходит в активный режим (при UКЭ > UБЭ), т. е. коллекторный переход включается в обратном направлении и в цепи базы проходит ток

 

IБ = IБрек – IКБ0 = (1 – α) IЭ – IКБ0.

 

При UБЭ = 0 ток эмиттера равен нулю и в цепи базы протекает ток IБ = – IКБ0. Увеличение напряжения UБЭ сопровождается ростом рекомбинационной составляющей тока базы (1 – α) IЭ и при некотором значении UБЭ ток базы становится равным нулю. Дальнейшее увеличение напряжения UБЭ сопровождается ростом тока базы. При одинаковых значениях UБЭ ток базы в активном режиме будет меньше, чем в режиме насыщения. Это обусловлено тем, что прекращается инжекция дырок из базы в коллектор и уменьшается ток рекомбинации из-за снижения заряда электронов в базе. Входная характеристика для активного режима пройдет дальше от оси токов.

При больших обратных напряжениях на эмиттерном переходе наблюдается пробой. Механизм пробоя эмиттерного перехода является туннельным вследствие высокой концентрации примесей. Напряжение пробоя снижается при увеличении концентрации примесей и уменьшении радиуса кривизны эмиттерного перехода; типичные значения составляют 5 – 8 В.

 

4.1.4.2 Выходные характеристики

 

Выходными характеристиками транзистора, включенного с ОБ, называют семейство характеристик, выражающих зависимость IК = f (UКБ) при использовании в качестве параметра тока IЭ. Семейство выходных характеристик n-p-n транзистора показано на рисунке 4.7. Область характеристик при UКБ > 0 соответствует активному режиму, где ток коллектора равен IК = αIЭ + IКБ0. Так как α мало отличается от 1, а ток IКБ0 очень мал по сравнению с рабочими значениями IК, то можно считать, что ток коллектора практически равен току эмиттера. Поскольку значение α; зависит от IЭ и UКБ, выходные характеристики располагаются неэквидистантно (на различном расстоянии друг от друга) при одинаковых изменениях тока эмиттера.

 

 

IК Активный режим

IЭ

4 мА

Режим

насыщения 3 мА

 

 

2 мА

 

 

1 мА

IЭ = 0

 

0 Режим отсечки UКБ

 

Рисунок 4.7 – Семейство выходных характеристик транзистора, включенного с ОБ

 

Область характеристик при UКБ < 0 и IЭ > 0 относится к режиму насыщения, где с ростом прямого напряжения коллекторного перехода экспоненциально возрастает его ток инжекции. Инжектируемые из коллектора электроны движутся навстречу экстрагируемым из базы, в результате полный ток коллектора уменьшается и даже может изменить направление.

Границей между активным режимом и режимом отсечки является характеристика, снятая при IЭ = 0. Она представляет собой обратную ветвь ВАХ коллекторного p-n -перехода. При увеличении положительного напряжения на коллекторе его ток быстро достигает значения IКБ0. Дальнейший рост положительного напряжения UКБ до определенного значения сопровождается незначительным увеличением тока IК, причиной чего является рост токов генерации и утечки в коллекторном p-n -переходе. При достижении напряжением UКБ некоторого значения коэффициент лавинного умножения становится больше единицы, что сопровождается резким возрастанием тока IК и пробоем коллекторного перехода. Напряжение пробоя коллекторного перехода при IЭ = 0 называют пробивным напряжением коллектор-база и обозначают UКБ0проб. С увеличением токов эмиттера и коллектора напряжение пробоя уменьшается, и лавинный пробой может перейти в тепловой.

Для схемы с ОЭ семейство выходных характеристик n-p-n транзистора приведено на рисунке 4.8; здесь параметром является ток базы. Пологий участок характеристик, где UКЭ > UБЭ (UБЭ = 0,5 ÷ 0,6 В при 25°С), соответствует активному режиму. На этом участке ток коллектора согласно выражению (7) и зависимости β (UКЭ) заметно увеличивается с ростом напряжения UКЭ вследствие повышения β;. Таким образом, дифференциальное выходное сопротивление в активном режиме для схемы с ОЭ значительно ниже, чем для схемы с ОБ. Поскольку β зависит от тока эмиттера, а значит и от тока базы, то характеристики неэквидистантны, т. е. при одинаковом изменении тока базы характеристики располагаются на разных расстояниях друг от друга.

Крутые участки характеристик при малых напряжениях UКЭ соответствуют режиму насыщения. При повышении напряжения UКЭ прямое смещение и ток инжекции коллекторного перехода уменьшаются, а коллекторный ток увеличивается. Напряжение коллектор-эмиттер в режиме насыщения при заданных токах коллектора и базы называют напряжением насыщения UКЭнас.

 

Активный режим

IК IБ

3 мА

 

Режим

насыщения 2 мА

 

 

1 мА

 

 

IБ = 0

 

IБ = –IКБ0

 

0 Режим отсечки UКЭ0 проб UКЭ

 

Рисунок 4.8 – Семейство выходных характеристик транзистора, включенного с ОЭ

 

При больших напряжениях UКЭ наблюдается резкое увеличение тока, обусловленное пробоем. В схеме с ОЭ напряжение пробоя UКЭ0проб значительно ниже, чем в схеме с ОБ. Понижение напряжения лавинного пробоя в схеме с ОЭ объясняют проявлением внутренней положительной обратной связи. Пары носителей заряда, образующиеся в коллекторном переходе при ударной ионизации, разделяются полем этого перехода: электроны переносятся в коллектор, а дырки – в базу. Так как ток базы поддерживается постоянным, то дырки накапливаются в базе и повышают ее потенциал, т. е. прямое напряжение на эмиттерном переходе. Возрастает инжекция электронов в базу из эмиттера. Большая часть электронов проходит через базу в коллекторный переход. Там они в свою очередь вызывают ударную ионизацию, в результате чего увеличивается число дырок, попадающих в базу. Так возникает положительная обратная связь, приводящая к резкому увеличению коллекторного тока. Формула для определения пробивного напряжения коллектор-эмиттер при IБ = 0 имеет вид

 

UКЭ0проб = UКБ0проб , (9)

 

где m – коэффициент, зависящий от материала, из которого изготовлен транзистор.

 

4.1.5 Транзистор как линейный четырехполюсник. Система h -параметров

 

Транзистор можно рассматривать как четырехполюсник (рисунок 4.9), связь между токами и напряжениями в котором представляется двумя, в общем случае нелинейными функциями. В качестве независимых переменных в них можно выбрать любые две из четырех величин I1, I2, U1, U2. Для большого класса электронных схем, называемых линейными, токи и напряжения складываются из сравнительно больших постоянных составляющих (I=, U=) и малых переменных составляющих, которые можно рассматривать как малые приращения (ΔI, ΔU). Переменные составляющие представляют в этих схемах, типичным примером которых являются усилители, основной интерес. В пределах малых изменений напряжений и токов статические характеристики транзистора приблизительно являются линейными, поэтому функциональные зависимости переменных составляющих также будут линейными. Для линейных схем характерна работа транзистора в активном режиме.

 

 

I1 I2

 

U1 Вход Выход U2

 

 

Рисунок 4.9 – Представление транзистора в виде четырехполюсника

 

Выберем в качестве независимых переменных входной ток I1 и выходное напряжение U2, тогда функциональные зависимости имеют вид U1 = f1 (I1, U2), I2 = f2 (I1, U2). Для малых приращений токов и напряжений получим

 

ΔU1 = ΔI1 + ΔU2; ΔI2 = ΔI1 + ΔU2. (10)

 

Пусть приращения ΔI1, ΔU 2 представляют собой малые гармонические колебания с комплексными амплитудами , ; приращения зависимых переменных являются также гармоническими колебаниями с комплексными амплитудами , . Частные производные в (10) в этом случае обозначают символами h11, h12, h21, h22, а уравнения четырехполюсника записывают в виде

 

= h11 + h12 ; = h21 + h22 . (11)

 

Отсюда вытекает смысл h -параметров, являющихся комплексными величинами:

h11 = / при = 0 – входное сопротивление при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока (т. е. при U2 = U2= const);

h12 = / при = 0 – коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе для переменной составляющей (т. е. при I1 = I1= = const);

h21 = / при = 0 – коэффициент передачи тока при коротком замыкании выхода по переменному току (т. е. при U2 = U2= = const);

h22 = / при = 0 – выходная проводимость при разомкнутом входе для переменной составляющей (т. е. при I1 = I1= = const).Значения h-параметров зависят от постоянных составляющих входного тока (I1=) и выходного напряжения (U2=), от частоты, а также от схемы включения, что отмечается третьим индексом Б, Э, К соответственно для схем ОБ, ОЭ, ОК.

На низких частотах, когда емкостные составляющие токов пренебрежимо малы, h -параметры являются действительными величинами и представляют собой дифференциальные параметры, которые легко определить по статическим характеристикам.

Достоинством системы h -параметров является простота их измерения на низких частотах, поэтому в технических условиях (ТУ) и справочниках по транзисторам низкочастотные параметры приводятся в системе h -параметров. На высоких частотах из-за влияния паразитных емкостей трудно осуществить режим разомкнутого входа для переменных составляющих, что сильно снижает точность измерений.

 

4.1.6 Определение h -параметров по статическим характеристикам

 

Рассмотрим пример определения h -параметров транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Для нахождения h11э, h12э используются входные характеристики (рисунок 4.10). Пусть I1= = IБ = 20 мкА, U2= = UКЭ = 10 В. Через точку А, соответствующую этим значениям, проводим горизонтальную прямую до пересечения с соседней характеристикой в точке В, получаем приращение ΔUБЭ = 0,04 В, соответствующее изменению ΔUКЭ = 9 В, следовательно, h12э = ΔUБЭ / ΔUКЭ = 0,04 / 9 = 0,0044. Далее проводим через точку А вертикальную прямую до пересечения с соседней характеристикой в точке С и получаем приращение ΔIБ = 12 мкА, соответствующее изменению ΔUБЭ = 0,04 В. В этом случае h11э = ΔUБЭ / ΔIБ = 3,3 кОм.

Для определения h21э, h22э используем выходные характеристики (рисунок 4.11). Проводя через точку А вертикальную прямую до пересечения с соседней характеристикой в точке В, получаем ΔIК1 = 2мА при изменении тока базы от 20 до 40 мкА (ΔIБ = 20 мкА) и UКЭ = 10 В, следовательно, h21э = ΔIК1 / ΔIБ = 100. Выберем в окрестности точки А точку С, лежащую на той же характеристике так, чтобы в пределах отрезка АС характеристика была линейной. Получим приращение тока ΔIК2 = 0,4 мА и соответствующее ему приращение напряжения ΔUКЭ = 4 В при заданном токе базы 20 мкА, следовательно, h22э = ΔIК2 / ΔUКЭ = 4*10-4/ 4 = 10-4 См.

Примечание. Обратите внимание на то, что h21э – дифференциальный (малосигнальный) параметр, а h21Э – статический параметр.

IБ, мкА

 

10В

С

 

 

UКЭ= 0 ΔIБ

 

20 В А

 

ΔUБЭ

 

 

 

0 0,2 0,4 0,6 0,8 UБЭ, В

 

Рисунок 4.10 – Определение h11э, h12э по входным характеристикам

 

IК, мА

8 IБ= 40 мка

 

 

6 B

 

IБ= 20 мка

4 ΔIК1

A

 

2 C ΔIК2

ΔUКЭ

 

 

10 20 UКЭ, В

 

Рисунок 4.11 – Определение h21э, h22э по выходным характеристикам

 

 

4.2 Цель работы

 

Научиться определять статические и дифференциальные параметры БТ.

 

4.3 Задачи

 

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

– провести измерения и построить статические вольтамперные характеристики (ВАХ) БТ, включенного по схеме с общей базой (ОБ) или по схеме с общим эмиттером (ОЭ) (по заданию преподавателя);

– определить и рассчитать статические параметры БТ;

– рассчитать дифференциальные параметры БТ.

 

4.4 Порядок работы и методы решения задач

 

4.4.1 Из справочника /1/ выпишите кратко основные электрические и эксплуатационные параметры исследуемого БТ, выполните эскиз внешнего вида с указанием расположения выводов, запишите маркировку и зарисуйте условное графическое обозначение /5/.

4.4.2. Изобразите включение БТ по схеме с ОБ или с ОЭ в активном режиме /2, раздел 4.1/, укажите токи и напряжения во входной и выходной цепях. Дайте эскиз структуры БТ.

4.4.3 С помощью лабораторного макета проведите измерения семейств статических входных и выходных характеристик БТ /2, раздел 4.3; 3, раздел 4.8/.

Измерение статических характеристик с помощью лабораторного макета производится по точкам методом вольтметра-амперметра. При измерении статических входных характеристик БТ необходимо задавать различные значения входного тока и измерять соответствующие им значения напряжения на входных электродах БТ. В случае схемы с ОБ изменение входного тока проводится от нуля до максимального показания измерительного прибора «Ток на входе» на самом грубом пределе измерения (9 мА). При включении транзистора с ОЭ входной ток необходимо изменять от нуля до значения, при котором выходной ток (ток коллектора) достигнет значения 20 мА. В процессе измерения входных характеристик напряжение на выходе БТ поддерживайте постоянным. Входную характеристику измерьте при напряжениях на выходе (напряжение коллектора) Uвых = 0; 0,5; 5; 10 В.

При измерении выходных ВАХ БТ (за исключением соответствующих нулевому входному току) необходимо различать режим насыщения и активный режим. В режиме насыщения необходимо, регулируя напряжение на выходе, задавать различные значения выходного тока, начиная с нуля, и фиксировать соответствующие им значения напряжения на выходе. В активном режиме следует задавать различные значения напряжения на выходе (максимальное – 10 В) и фиксировать соответствующие им значения выходного тока. Входной ток в обоих случаях поддерживается постоянным. Помните, что в схеме с ОБ режим насыщения наблюдается при прямом напряжении на выходе, активный – при обратном, поэтому при измерении выходной ВАХ необходимо переключать полярность напряжения на выходе. В схеме с ОЭ режим насыщения соответствует небольшим значениям обратного напряжения на выходе (от нуля до десятых долей вольта), о переходе в активный режим будет свидетельствовать слабая зависимость выходного тока от выходного напряжения. Измерения в режиме насыщения проводите на самом чувствительном пределе прибора «Напряжение коллектора» (1,6 В).

Выходную характеристику БТ измерьте при следующих постоянных значениях входного тока:

- для схемы с ОБ Iэ = 0; 0,3; 1,0; 6,0; 9,0 мА;

- для схемы с ОЭ Iб = 0; 0,05; 0,1; 0,15 мА.

4.4.4 Используя результаты полученных измерений, постройте семейства входных и выходных характеристик БТ, покажите на них области, соответствующие режиму отсечки, режиму насыщения и активному режиму. Оси координат должны быть обозначены в соответствии со схемой включения транзистора, т. е. в качестве входных и выходных величин указаны конкретные напряжения и токи (например, Uкб, Iэ и т. д.).

4.4.5 По статическим ВАХ БТ определите (рассчитайте) его статические параметры /3, раздел 4.6; 4/:

а)для схемы с ОБ: б)для схемы с ОЭ:

- h21Б и h21Э при Uкб = 5 В и Iэ = 1 мА; - h21Э при Uкэ = 5 В и Iэ = 1 мА;

- Iкбо при Uкб = 5 В; - Iкэо при Uкэ = 5 В;

- Uкэ нас при Iб = 0,1 мА и Iк = 1 мА.

В случае схемы с ОБ при расчете h21Э используйте соотношение, связывающее h21Б и h21Э /3, формула 4.48/.

Используя построенные статические ВАХ БТ, рассчитайте его дифференциальные (малосигнальные) параметры /2, раздел 4.4; 3, раздел 4.10; 4/:

а)для схемы с ОБ: б)для схемы с ОЭ:

h11б; h12б; h22б; h21б h11э; h12э; h22э; h21э

при Iэ = 1 мА; Uкб = 5 В; при Iб = 0,1 мА; Uкэ = 5 В.

При расчете дифференциальных параметров БТ методом графического дифференцирования величины приращений токов и напряжений на электродах БТ необходимо выбрать такими, чтобы в пределах этих приращений участок статической ВАХ БТ оставался линейным.

Отчет о выполненной работе должен содержать информацию об исследуемом транзисторе (пункты 4.4.1, 4.4.2), результаты измерений (в виде таблиц), расчеты, графики ВАХ. обязательно наличие поясняющих записей.

Для успешной защиты выполненной работы вы должны знать основные статические и дифференциальные параметры БТ, уметь пояснить ход его статических ВАХ, эффект усиления с его помощью, уметь изобразить условное обозначение БТ, сравнить с другими типами усилительных приборов.

 

Литература

 

1 Аксенов А. И. Отечественные полупроводниковые приборы. Транзисторы биполярные. Диоды. Варикапы. Стабилитроны и стабисторы. Тиристоры. Оптоэлектронные приборы. Аналоги отечественных и зарубежных приборов: Справ. изд. – 6-е изд., доп. и испр. – М.: Солон-Пресс, 2008.–589 с.: ил.

2 Шишкин Г. Г. Электроника: Учеб. для вузов / Г. Г. Шишкин, А. Г. Шишкин. – М.: Дрофа, 2009. – 703 с.: ил.

3 Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учеб. пособие. – 8-е изд., испр. – СПб.: Лань, 2006. – 480 с.: ил.

4 ГОСТ 20003-74. Транзисторы биполярные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров.

5 ГОСТ 2.730-73. Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые.

 







Дата добавления: 2015-10-12; просмотров: 2358. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Вычисление основной дактилоскопической формулы Вычислением основной дактоформулы обычно занимается следователь. Для этого все десять пальцев разбиваются на пять пар...

Расчетные и графические задания Равновесный объем - это объем, определяемый равенством спроса и предложения...

Кардиналистский и ординалистский подходы Кардиналистский (количественный подход) к анализу полезности основан на представлении о возможности измерения различных благ в условных единицах полезности...

Обзор компонентов Multisim Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит. Multisim оперирует с двумя категориями...

Ситуация 26. ПРОВЕРЕНО МИНЗДРАВОМ   Станислав Свердлов закончил российско-американский факультет менеджмента Томского государственного университета...

Различия в философии античности, средневековья и Возрождения ♦Венцом античной философии было: Единое Благо, Мировой Ум, Мировая Душа, Космос...

Характерные черты немецкой классической философии 1. Особое понимание роли философии в истории человечества, в развитии мировой культуры. Классические немецкие философы полагали, что философия призвана быть критической совестью культуры, «душой» культуры. 2. Исследовались не только человеческая...

Патристика и схоластика как этап в средневековой философии Основной задачей теологии является толкование Священного писания, доказательство существования Бога и формулировка догматов Церкви...

Основные симптомы при заболеваниях органов кровообращения При болезнях органов кровообращения больные могут предъявлять различные жалобы: боли в области сердца и за грудиной, одышка, сердцебиение, перебои в сердце, удушье, отеки, цианоз головная боль, увеличение печени, слабость...

Вопрос 1. Коллективные средства защиты: вентиляция, освещение, защита от шума и вибрации Коллективные средства защиты: вентиляция, освещение, защита от шума и вибрации К коллективным средствам защиты относятся: вентиляция, отопление, освещение, защита от шума и вибрации...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.01 сек.) русская версия | украинская версия