Исследование биполярного транзистора

4.3. Технологическая карта – инструкция по выполнению лабораторной
работы № 3 Исследование биполярного транзистора, включенного по схеме с
общим эмиттером
Цель работы: снятие и анализ входных и выходных характеристик;
определение по ним h-параметров.
Биполярные транзисторы - биполярным транзистором называют
полупроводниковый прибор с тремя областями чередующегося типа электрической
проводимости, разделенными двумя взаимодействующими р–п переходами, способный
усиливать мощность.
Конструктивно–сплавной биполярный транзистор представляет собой пластинку
монокристалла полупроводника проводимостью p или n – типа, по обеим сторонам которой
наплавлены полупроводники, образующие с данным полупроводником иной тип
проводимости.
На рис.12-11 показана конструкция транзистора, в которой в пластинку
германия n–типа вплавлены по обеим сторонам шарики индия, образующие с
германием проводимость p–типа.
Рис. 12-11. Реальная структура сплавного транзистора p-n-p
На рис.12-12 показана упрощенная плоскостная структура транзистора.
p
n
p
n
p
n
Э
Б
К
w
Б
Э
Эмиттерный
p-n переход
К
Коллекторный
p-n переход
а)
б)
Рис.12-12. Упращённая структура транзистора p-n-p (а) и n-p-n (б)
Э-эмиттер, Б-база, К-коллектор
Крайние области транзистора называют эмиттером и коллектором среднюю – базой, р–п
переходы соответственно называют эмиттерным и коллекторным. Если эмиттер и коллектор
обладают дырочной проводимостью (области р), а база – электронной проводимостью (область
п), структура транзистора р–п–р. Если проводимости областей транзистора противоположна
названным, его структура п–р–п.
Принцип действия транзисторов обеих структур одинаков и основан на использовании
свойств р–п переходов.
Условное обозначение транзисторов в схемах полярности напряжений в активном
(усилительном) режиме работы и направления токов показаны на рис.12-13
Рис. 12-13. Условное обозначение транзисторов структур р–п–р (а) и п–р–п (б), полярности
напряжений в активном режиме работы и направления токов.
Различают 3 схемы включения транзисторов в зависимости от того, какой вывод транзистора
принимается общим для его входной и выходной цепей (см. рис.12-14) :
1)
2)
3)
с общей базой (ОБ),
с общим эмиттером (ОЭ)
с общим коллектором (ОК)
Рис.12-14. Схемы включения транзисторов:
а) с общей базой.
б) с общим эмиттером.
в) с общим коллектором.
Транзисторы в схемах могут работать в различных режимах: активном
(усилительном), насыщения и отсечки. Последние два режима называют ключевыми.
Рассмотрим принцип работы транзистора структуры р–п–р на примере схемы с общей
базой. Обычно для исследования работы транзистора используют условную плоскостную
схему (рис.12-15).
Рис.12-15 Направления токов в транзисторе
Для работы транзистора в активном режиме на его эмиттерный переход подается
небольшое по величине напряжение в прямом направлении, а на коллекторный переход –
значительно большее по величине (примерно, на порядок) напряжение в обратном
направлении. При подаче напряжения на эмиттерный переход в прямом направлении
понижается высота его потенциального барьера, поэтому дырки вследствие разности
концентрации их в эмиттере и базе (т.е. вследствие диффузии) инжектируются
(впрыскиваются) в область базы, образуя дырочный ток эмиттера ,Iэр.
Одновременно из области базы в результате диффузии в области эмиттера переходят
электроны базы, образуя в эмиттере электронный ток Iэп.
Итак, ток эмиттера равен:
Iэ=Iэр+Iэn
(12.13)
Ток Iэn не участвует в создании коллекторного (выходного) тока транзистора и только
нагревает эмиттерный переход, поэтому его величину уменьшают. Для этого базу насыщают
донорной примесью незначительно. Из–за малой величины тока Iэn им часто пренебрегают.
Инжектированные в область базы дырки у эмиттерного перехода
имеют
значительную концентрацию и за счет диффузии перемещаются в сторону коллекторного
р–п перехода. Так как поле коллекторного перехода для дырок является ускоряющим,
происходит экстракция (всасывание) дырок в область коллектора. Поскольку их
концентрация около коллекторного перехода выше, чем в остальной части коллектора, за
счет диффузии дырки перемещаются в сторону омического контакта, где рекомбинируют с
электронами, поступающими от источника Екб. Таким образом, дырки от эмиттера через
базу попадают в коллектор, образуя дырочную составляющую тока Iкр в области
коллектора. Токи Iэр и Iкр по величине не равны, так как часть дырок эмиттера, попавших в
область базы, не доходит до коллекторного перехода, рекомбинируя с электронами базы, в
результате чего исчезают и дырка и электрон. В базе вследствие этого процесса протекает
составляющая тока базы называемая током рекомбинации Iбрэк.
Вместе с основными носителями заряда через эмиттерный и коллекторный переходы
движутся не основные носители, образующие дрейфовую составляющую тока в каждой из
областей транзистора.
Влияние на свойства транзистора оказывает дрейфовый ток, образованный
перемещением не основных носителей через коллекторный переход: дырок, из области базы и
электронов из области коллектора. Этот ток называют обратным током коллекторного
перехода Iко.
Так как он образуется в результате генерации пар носителей дырка–электрон при
повышении температуры сверх 0 0 К, его называют тепловым током. С повышением
температуры он растет по экспоненциальному закону. В германиевых транзисторах при
повышении температуры на каждые 100 К Iко возрастает в 2 раза, в кремниевых – в 2,5
раза.
Величина Iко не зависит от величины потенциального барьера р–п перехода, так как
поле р–п перехода для не основных носителей является ускоряющим, она зависит от
температуры транзистора, т.е. Iко является неуправляемым током.
Таким образом, можно записать значения токов, протекающих в отдельных областях
транзистора в схеме ОБ.
Ток эмиттера был определен выше:
Iэ=Iэр+IэпIэр
(12.14)
Iб=Iэn–Iбрэк–Iко
(12.15)
Ток базы
Ток коллектора
Iк=Iкр+Iко.
Из уравнений (14),(15),(16) можно установить
Iэ=Iб+Iк,
что соответствует 1–му закону Кирхгофа.
(12.16)
(12.16)
Токи Iк и Iб содержат составляющую Iко, следовательно, их величина, как и Iко,
изменяется с изменением температуры. Для того, чтобы поддерживать величины этих токов на
определенном уровне вне зависимости от температуры, схемы, в которых работает транзистор,
стабилизируют.
Итак, через транзистор течет сквозной дырочный ток от эмиттера через базу в
коллектор, а в выводах транзистора – электронный ток.
Напомним, что за положительное направление тока принимают направление
движения положительных зарядов (дырок), т.е. направление, противоположное
направлению движения электронов (см. рис.12-15)
Током коллектора можно управлять. Для изменения его величины следует изменять
величину напряжения источника питания Еэ. С увеличением Еэ уменьшается высота
потенциального барьера эмиттерного перехода и увеличивается ток Iэ, а, следовательно, и
ток Iк. Таким образом, ток эмиттера является управляющим током, а ток коллектора –
управляемым. Поэтому транзистор часто называют прибором, управляемым током.
Усиление электрических сигналов с помощью биполярного транзистора.
Транзистор в активном режиме обладает способностью усиливать мощность
электрического сигнала, включенного в входную цепь. При этом в зависимости от схемы
включения транзистора (ОБ, ОЭ, ОК) будет наблюдаться усиление сигнала либо по току,
либо по напряжению, либо по тому и другому. Например, в схеме с ОБ имеется усиление
по напряжению и по мощности, усиление по току не происходит . Для того, чтобы
выделить мощность входного сигнала, в выходную цепь транзистора включают
нагрузочный резистор Rк, обладающий большим
сопротивлением, значительно
превышающим входное сопротивление транзистора Rэ (сопротивление эмиттерного
перехода, включенного в прямом направлении (см. рис. 12-16).
Включение резистора Rк, хотя и вызывает снижение потенциального барьера
коллекторного перехода из–за уменьшения напряжения на коллекторе (Uкб=Eкб–Rк .Iк), но
это не вызовет инжекцию дырок коллектора в базу и коллекторный ток Iк не уменьшится.
Величина тока Iк, как установлено выше, практически равна величине тока эмиттера Iэ.
Поскольку входное сопротивление транзистора Rэ мало, небольшое изменение тока
эмитгера вызовет небольшое изменение напряжения в эмиттерной цепи. В коллекторной
цепи на сопротивлении нагрузки Rк это небольшое изменение тока вызовет значительное
изменение напряжения Uк=RкIк, т.к. Rк велико.
Действительно, если напряжение между эмиттером и базой изменится на величину
Uэб, ток эмиттера изменится на величину Iэ=Uэб/Rэ. Ток коллектора изменится на ту
же величину Iк=IэIэ, (1). Напряжение на нагрузке Rк в коллекторной цепи
изменится на Uк=RкIк или Uк=(Rк/Rэ)Uэб, т.е. приращение напряжения на
коллекторной нагрузке в Rк/Rэ раз больше приращения напряжения в эмиттерной цепи. Так
как Rк>>Rэ, следовательно, Uк>>Uэб. При этом происходит и усиление по мощности.
Приращение входной мощности равно Рвх=РэIэ2 приращение выходной мощности
Рвых=RкIк2RкIэ2 или Рвых=(Rк/Rэ)Рвх. Т.к. Rк>>Rэ, то Pвых>>Pвх.
При работе транзистора в схеме усилителя на вход его подается переменное напряжение
сигнала, которое нужно усилить. В этом случае Еэ не изменяется, но последовательно с ним
включенное переменное напряжение сигнала малой величины изменяется, и это будет
приводить к большим изменениям (колебаниям) переменного напряжения сигнала на
сопротивлении нагрузки Rк, т.е. в схеме будет происходить усиление малого входного сигнала.
В схеме с ОЭ происходит усиление по току и напряжению. Здесь входным током
является ток базы, он значительно меньше тока эмиттера. Если изменить входное
напряжение Uбэ, изменится потенциально барьер эмиттера и, следовательно, дырочный ток
эмиттера и ток коллектора. Так как в базу от источника поступает небольшой ток, меньший
по величине, чем ток эмиттера и, следовательно, и коллектора, то незначительное
изменение тока во входной цепи вызовет значительно большее изменение тока в выходной
цепи коллектора.
Рис.12-16 Структурная схема транзистора с ОБ с нагрузочным резистором Rk в выходной
цепи.
Таким образом, в схеме с ОЭ происходит усиление по току. При этом имеется
усиление и по напряжению. Так как выходное сопротивление велико, в цепь коллектора
можно включить большое сопротивление. На этом сопротивлении напряжение будет
значительно выше, чем напряжение во входной цепи. Усиление по напряжению и току
приводит к значительное усилению по мощности.
В схеме усиления с ОК (p-n-p) Ku=1, а коэффициент усиления по току Ki=10-100. Так
как в этой схеме Uвх=Uвых, то такую схему называют эмиттерный повторитель.
Параметры транзистора:
1) Статический коэффициент усиления по току в схеме с ОБ
=Iкр/Iэ
(12.17)
Обычно =0,9–0,99.
Статический коэффициент усиления по току в схеме о ОЭ имеет другое выражение.
Его можно получить из соотношения Iк=Iэ+Iко, если подставить в него выражение
Iэ=Iб+Iк. Тогда Iк=(Iб+Iк)+Iко, откуда:
или
Iк=(/(1–))Iб+Iко/(1–),
(12.18)
Iк=Iб+Iкоэ,
=/(1–),
(12.19)
(12.20)
где =/(1–) статический коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ,
выраженный через .
Из уравнения (12.9) можно установить, что схема с ОЭ обладает большим усилением
по току. Например, если=0,985, то =66.
Обратный ток коллекторного перехода в схеме с ОЭ.
Iкоэ=Iко/(1–)=(1+)Iко
(12.21)
Коэффициенты  и  являются важнейшими параметрами транзисторов. Их часто
называют коэффициентами передачи тока эмиттера () и тока базы ().
2) Коэффициент обратной связи по напряжению. В схеме с ОБ он равен
M б =Uэб/Uкб
,
(12.22)
в схеме с ОЭ
Mэ =Uбэ/Uкэ,
(12.23)
где Uэб, Uбэ, Uкб, Uкэ – соответственно приращения напряжений эмиттера, базы и
коллектора.
3) Входное сопротивление. В схеме с ОБ равно:
Rвхб=Uэв/Iэ,
(12.23)
Rвхэ=Uбэ/Iб ,
(12.24)
в схеме с ОЭ
где Iэ и Iб – соответственно приращения тока эмиттера и тока базы.
4) Выходное сопротивление. В схеме с ОБ равно
Rвыхб=Uкб/Iк,
в схеме с ОЭ
Rвыхэ=Uкэ/Iк
(12.25)
(12.26)
На рис. 12-17 показаны входные и выходные статические характеристики транзистора,
включённого по схемам ОБ и ОЭ
Uкб=0
Uкб<0
Uкб>0
Iэ
0
а)
Iб
Uкэ
0
Uкэ=0
Uкэ<0
б)
-Uбэ
Iк
Iк
Iб>0
Iэ>0
Iб=0
Iэ=0
-Uкб
0
в)
0
г)
-Uкэ
Рис. 12-17. Входные (а,б) и выходные (в,г) статические характеристики транзистора,
включенного по схеме с ОБ (а,в) и по схеме с ОЭ (б,г)
Схемы замещения транзисторов типа p-n-p
Схемы замещения транзисторов строят на той основе, что эммиттерный переход
имеет сопротивление до десятков Ом, коллекторный переход имеет сопротивление до
сотни килоОм, область базы имеет сопротивление до сотен Ом.
Рис. 12-18. Схема замещения транзистора p-n-p, включенного по схеме с ОБ.
В схеме ОБ (рис.12-18) входное напряжение равно сумме падений напряжений на
сопротивлениях Rэ и Rб при прохождении по ним токов, соответственно эмиттерного и
тока базы. Как показывают расчёты, по приведённой схеме, Rвхб совпадает с расчётами
Rвхб=  Uэб/  Iэ  десяткам Ом.
Аналогичные расчёты можно проводить по схемам замещения транзисторов,
включённых по схемам с ОК и с ОЭ (рис. 12-19, а, б)
Рис 12-19. а) Схемы замещения транзистора p-n-p, включенного по схеме с ОК.
Рис 12-19. б)Схемы замещения транзистора p-n-p, включенного по схеме с ОЭ.
Н-параметры транзистора.
При расчётах часто транзистор рассматривают как
усиливающее мощность устройство, имеющее на входе напряжение U1 и ток I1, а на
выходе соответственно U2 и I2. Такую модель называют активным четырёхполюсником.
(рис. 12-20)
Рис. 12-20. Транзистор, как активный четырёхполюсник, включённый по схеме с ОЭ.
Рассмотрим Н-параметры транзистора включенного по схеме с ОЭ (рис.12-20)
1. Входное сопротивление VT для переменного тока:
Н11=  Uбэ/  iб (Uкэ=const)
(12.27)
2. Выходная проводимость:
Н22 =  iк/  Uкэ (iб=const)
3. Коэффициент усиления по току:
Н21 =  iк/  iб ( Uкэ=const)
(12.28)
(12.29)
Для маломощных транзисторов:
Н11  10 3  10 4 (Ом)
а для транзисторов средней и большой мощности Н11  50  1000(Ом)
(12.30)
Выходная проводимость для маломощных транзисторов
Н 22  10 5  10 6 (См) , а для средней и большей мощности Н 22 
10 4
(См) (31)
10 6
Коэффициент усиления по току
Н 21  20  200
(12.32)
Общая характеристика схем включения транзисторов p-n-p типа.
Схемы
Iвх Iвых
Ki
Rвх и Rвых Uвх
Uвых
Ku
Kp
Инв
ОБ
Iэ
Iк
<1
Rвх < Rвых
Uэб
Uкб
>1
>1
Нет
ОЭ
Iб
Iк
>1
Rвх < Rвых
Uбэ
Uкэ
>1
>1
Да
ОК
Iб
Iэ
>1
Rвх > Rвых
Uбк
Uэк
<1
>1
Нет
Влияние температуры на работу полупроводниковых транзисторов. На работу
транзисторов значительно влияет повышение температуры. При этом возрастает
начальный ток коллектора, а, следовательно, это приводит к изменению характеристик
транзистора. Например, для германиевого транзистора включённого по схеме ОБ при
диапазоне нагрева от 200С до 700С Iко (начальный ток коллектора) увеличится в 25 раз.
Известно, что Iк=Iко+  Iэ,
где  
(12.33)
Iк
- не зависит от температуры, Iэ=const и поэтому незначительное увеличение
Iэ
Iк при повышении температуры практически не изменяет режим работы транзистора. В
том случае, если транзистор включён по схеме ОЭ, то начальным током является сквозной
ток и он возрастает при изменении температуры от 200С до 700С примерно в 2 раза.
Очевидно, что такое возрастание тока приводит к резкому изменению выходных
характеристик (зависимости Iк от Uкэ) транзистора, перемещается рабочая точка и режим
усиления нарушается.
Приборы и оборудование:
1.
2.
1.
2.
3.
Транзистор VТ1 типа МП42.
Резисторы R1 и R2.
Амперметр РА1 и РА2.
Вольтметры РV1 и РV2.
Проводники.
Схема опыта: Рис.1. Схема исследования транзистора.
Порядок рыаботы
1. Зарисовать схему исследования, изображенную на рис. 1. Выписать из
справочника (2) параметры транзистора VТ1 типа МП42: Fα, h21оэ, Uкэmax, Iкmax
Ркmax.
2. Включить питание и приборы.
3. Снять входную статическую характеристику транзистора Iб= f(Uбэ) для
двух значений Uкэ. Для этого установить необходимое значение Uкэ
потенциометром R2 по РV2 и поддерживать его неизменным при снятии
характеристики. Напряжение Uбэ изменять потенциометром R1 по РV1.
Следить за изменением тока Iб по РА1. Результаты измерений занести в
таблицу 1.
4. Снять входную статическую характеристику транзистора Iк= f(Uкэ) для
трех значений тока Iб. Для этого установить необходимое значение Iб
потенциометром R1 по РА1 и поддерживать его неизменным при снятии
характеристики. Напряжение Uкэ изменять потенциометром R2 по РV2.
Следить за изменением тока Iк по РА2. Результаты измерений занести в
таблицу 2.
5. По данным таблиц 1 и 2 построить в координатных осях графики входных
и выходных характеристик транзистора.
6. Выбрать рабочую точку на входных и выходных характеристиках.
7. Выполнить построения на входных и выходных характеристиках для
определения h-параметров транзистора.
Рассчитать по входным характеристикам h11, h12; по выходным h21, h22 по
формулам:
h11 =
𝛥𝑈бэ
𝛥𝐼б
; h12 =
𝛥𝑈бэ
𝛥𝑈кэ
; h21 =
𝛥𝐼к
𝛥𝐼б
; h22 =
𝛥𝐼к
𝛥𝑈кэ
.
8. Определить в рабочей точке электрические параметры: Iб0, Iк0, Uбэ0, Uкэ0.
9. Составить отчет.
Таблица 1 Результаты измерений - Iб= f(Uбэ) при Uкэ = const.
Uкэ = 0 В
Uкэ = 9 В
Uбэ, B
Iб, мA
Uбэ, B
Iб, мA
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Таблица 2 Результаты измерений – Iк= f(Uкэ) при Iб = const.
Iб = 0,1 мA
Iб = 0,2 мA
Iб = 0,3 мA
Uкэ, B
Iк, мA
Uкэ, B
Iк, мA
Uкэ, B
Iк, мA
0
2
4
6
8
10
0
2
4
6
8
10
0
2
4
6
8
10
Контрольные вопросы.
 Назовите особенности схемы включения с ОЭ.
 Почему h21э значительно больше 1?
 Чем объяснить увеличение входного сопротивления транзистора в
схемы с ОЭ.
 Какие параметры транзистора характеризуют его рабочую точку?
 Каков физический смысл h-параметров?
 Почему схема с ОЭ наиболее распространена?