ДОСЛІДЖЕННЯ БІПОЛЯРНИХ ТРАНЗИСТОРІВ

 

Мета роботи

 

Побудувати статичні характеристики та визначити параметри схем заміщення біполярних транзисторів.

 

ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

 

Біполярні транзистори – напівпровідникові прилади з тришаровою структурою різної провідності, принцип роботи яких базується на взаємодії двох p - n переходів.

Розрізняють транзистори n-p-n та p-n-p типів (рисунок 1.1, а та б).

 

Рисунок 1.1 – Структурні схеми та умовні позначення біполярних транзисторів

n-p-n (а) та p-n-p (б) типів

 

Середній шар обох типів транзисторів називають базою (Б), крайні – емітером (Е) та колектором (К). Електронні p-n переходи називають емітерним (ЕП) та колекторним (КП).

В залежності від зміщення переходів біполярний транзистор може знаходитись в одному з чотирьох режимів: активному, насичення , відсічки та інверсному. В активному режимі ЕП зміщений в прямому, а КП – в зворотному напрямках. Для цього режиму характерна здатність транзистора підсилювати вхідний сигнал. В режимі насичення обидва переходи зміщені в прямому напрямку – транзистор відкритий, опір між колектором і емітером мінімальний. В режимі відсічки обидва переходи зміщені в зворотному напрямку – транзистор закритий, опір між колектором і емітером максимальний. В інверсному режимі ЕП зміщений в зворотному напрямі, а КП – у прямому. Початкові функції ЕП і КП змінюються, що призводить (внаслідок асиметрії структури транзистора) до погіршення підсилювальної здатності транзистора.

Розглянемо роботу n-p-n транзистора в активному режимі (рисунок 1.2), який забезпечується полярністю прикладених напруг U_БЕ і U_КЕ (U_БЕ менша за U_КЕ). Транзистор p-n-p типу працює аналогічно, але полярність напруг зворотна.

При збільшенні напруги U_БЕ потенційний бар’єр ЕП понижується. Це призводить до зростання дифузії основних носіїв заряду через ЕП. Потік електронів з n області переважає потік дірок з р області за рахунок введення більшої концентрації домішок в емітерну область. Частина електронів, інжектованих емітерним переходом в область бази рекомбінує, але їх переважна більшість попадає в електричне поле ЕП і вільно дрейфує в область колектора, утворюючи струм колектора І_К. Електрони, що рекомбінували в область бази, а також дірки, які рухаючись назустріч електронам, рекомбінували в область емітера, зумовлюють незначний струм бази І_Б. Функція ЕП – інжекція основних носіїв в область бази, а КП – їх екстракція (збір).

Струми транзистора визначають за формулами:

 

І_Е = І_Б + І_К ;

І_К = α_cm І_Е ; (1.1)

І_К = β_cm І_Б ,

де α_cm , β_cm – статичні коефіцієнти передачі струму відповідно емітера і бази ( β_cm ≈ 20 … 100).

 

Рисунок 1.2 – Полярність напруг транзистора n-p-n типу в активному режимі

При зміні потенціалу на базі транзистора всі струми змінюються відносно їх приростів і для них справедливі співвідношення:

 

ΔІ_Е = ΔІ_Б + ΔІ_К ;

ΔІ_К = αΔІ_Е ; (1.2)

ΔІ_К = βΔІ_Б ,

де α , β – динамічні коефіцієнти передачі струму відповідно емітера і бази.

Вольт-амперні характеристики І_Б = F₁ (U_БE ) при U_КE = const називають вхідними статичними характеристиками транзистора, а залежності І_К = F₂ (U_КE ) при І_Б = const – вихідними статичними характеристиками транзистора (рисунок 1.3).

 

Рисунок 1.3 – Вхідні (а) та вихідні (б) статичні характеристики

біполярного транзистора

 

Основна схема ввімкнення транзистора зображена на рисунку 1.4, яка називається схемою з спільним емітером (СЕ). Вхідна напруга подається на базу, а вихідна знімається з колектора.

Розрахунок статичного режиму (режиму, при якому на вхід подається постійне зміщення) виконується методом навантажувальної характеристики, яку будують на вихідних статичних характеристиках транзистора (рисунок 1.5, а). Лінія статичного навантаження (ЛСН) будується за двома точками U_KE = Е_K та І_K = Е_K / R_K відповідно на осі абсцис і осі ординат, що випливає з рівняння навантажувальної характеристики:

. (1.3)

 

Рисунок 1.4 – Схема ввімкнення транзистора за схемою з СЕ

 

б)

 

Рисунок 1.5 – Визначення струмів та напруг в стані спокою

 

Значення струму І_КР і напруги U_КEР в статичному режимі (стані спокою) визначається робочою точкою р, розташування якої на ЛСН задається значенням постійної напруги зміщення бази U_БЕР і відповідним значенням струму бази І_БР . Зв’язок між вихідними величинами І_КР , U_КEР та вхідними величинами І_БР, U_БЕР встановлюється за допомогою прохідної статичної характеристики (рисунок 1.5, б). Прохідну статичну характеристику будують за точками перетину ЛСН з вихідними статичними характеристиками транзистора. Вхідну статичну характеристику, зняту при U_КЕ ≈ U_КEР , з метою спрощення графічного аналізу доцільно зображати повернутою, як показано на рисунку 1.5, в.

При роботі транзистора в підсилювальному режимі, крім постійної напруги зміщення, на базу подається вхідна змінна напруга невеликої амплітуди. Відносно вхідного змінного сигналу транзистор представляють однією з лінійних Т- подібних схем заміщення у фізичних параметрах (рисунок 1.6), оскільки всі її елементи пов’язані з внутрішніми (фізичними) параметрами транзистора.

 

Рисунок 1.6 – Т- подібна схема заміщення транзистора

 

Резистивний елемент R_E характеризує диференціальний (динамічний) опір емітерного переходу і об’ємний опір емітерної області. Значення R_E залежить від постійної складової струму емітера І_E :

R_E = U_T / I_E = 0,025 / I_E , (1.4)

 

де U_Т – температурний потенціал емітерного переходу. Числове значення R_E знаходиться в межах від одиниць до десятків Ом.

Резистивний елемент R_Б відображає об’ємний опір бази, який визначається напрямом струму бази до границі з емітерним переходом. Базовий шар порівняно високоомний (R_Б набагато більший від R_E). Значення R_Б залежить від типу транзистора і складає ( 100 … 400) Ом.

Резистивний елемент R_К характеризує диференціальний опір колекторного переходу. Він враховує зміну колекторного струму зі зміною напруги U_КЕ внаслідок ефекту модуляції бази ( розширення КП за рахунок збільшення об’ємного заряду в ньому і зменшення товщини базового шару ). Опір R_К ≈ (0,01 … 1 ) мОм .

Ємнісний елемент С_К характеризує бар’єрну ємність закритого КП, яка залежить від типу транзистора (С_К ≈ 100 ... 10000 пФ).

В коло колектора схеми заміщення ввімкнене залежне джерело струму βΔ І_Б , яке враховує співвідношення між приростами струмів бази і колектора. Диференціальний коефіцієнт передачі струму бази є частотно - залежним коефіцієнтом. В області частот, що становить десятки кілогерц, коефіцієнт передачі струму комплексне число β = β e ^j( модуль β і аргумент залежать від частоти ).

Частотні властивості транзистора визначають за так званою граничною частотою f _β , на якій модуль коефіцієнта передачі β зменшується в разів.

Параметри транзистора, що входять в Т-подібну схему заміщення характеризують фізичні властивості тришарової напівпровідникової структури. Однак їх пряме вимірювання неможливе, що зумовило використання теорії читириполюсників для моделювання транзисторів.

Переважно використовують диференціальні (динамічні) h-параметри транзистора за схемою з СЕ. Система рівнянь лінійного чотириполюсника в h-формі відносно малих приростів величин (вхідних ∆U_БЕ, ∆І_Б і вихідних ∆U_КЕ, ∆І_К ) має вигляд:

ΔU_БE = h_11E ΔI_Б + h_12E ΔU_КE ;

(1.5)

ΔІ_К = h_21E ΔI_Б + h_22E ΔU_КE ,

 

де h_11E , h_12E , h_21E , h_22E – динамічні параметри транзистора, ввімкненого за схемою з СЕ: h_11E – вхідний опір, h_12E – коефіцієнт зворотного зв’язку за напругою, h_21E – коефіцієнт передачі струму бази, h_22E – вихідна провідність. Системі рівнянь (1.5) відповідає схема заміщення транзистора, яка зображена на рисунку 1.7.

Схема заміщення має два залежних ідеальних джерела: джерело струму, кероване струмом і джерело напруги, кероване напругою.

 

 

Рисунок 1.7 – Схема заміщення біполярного транзистора з залежними джерелами струму та напруги

 

Вхідний динамічний опір h_11E та динамічний коефіцієнт зворотного зв’язку за напругою h_12E визначають за вхідними статичними характеристиками транзистора (рисунок 1.8).

 

при U_КE = const . (1.6)

при І_Б = const . (1.7)

 

 

Рисунок 1.8 – Визначення параметрів h_11E , h_12E за вхідними характеристиками

 

Динамічний коефіцієнт передачі h_21E та вихідну динамічну провідність h_22E визначають з вихідних статичних характеристик транзистора (рисунок 1.9).

при U_КE = const . ( 1.8 )

при І_Б = const . ( 1.9 )

 

 

 

б)

 

Рисунок 1.9 – Визначення параметрів h_21E , h_22E з вихідних характеристик

 

Зв’язок між h- параметрами транзистора і його фізичними параметрами за схемою з СЕ:

 

h_11E = R_Б + R_E (1 + β) ;

h_12E = R_E / R_К;

h_21E = β ; (1.10)

h_22E = 1 / R_К.

 

При роботі транзистора в ключовому режимі робоча точка р транзистора стрибкоподібно змінює своє розташування на ЛСН. Вона знаходиться або в точці а (рисунок 1.5, а) і транзистор відкритий, або в точці b і транзистор закритий. Закритий і відкритий стани транзистора характеризуються залишковими значеннями опору між колектором і емітером транзистора. Опори в стані насичення і відсічки :

;

(1.11)

,

 

де індекси a і b відповідають стану насичення і відсічки.

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

 

1. Зібрати схему для зняття статичних характеристик транзистора (рисунок 1.10)

 

 

 

Рисунок 1.10 – Схема для зняття статичних характеристик транзистора.

 

2. Підтримуючи сталим значення U_KE зняти залежності І_Б =F₁(U_БE) при

U_KE = 0; 5; 10 В. Результати записати в таблицю 1.1.

Таблиця 1.1

Величини	Значення величин
UБЕ , В
ІБ, мА (UКЕ = 0 В)
ІБ, мА (UКЕ = 5 В)
ІБ, мА (UКЕ = 10 В)

 

3. Підтримуючи сталим значення І_Б зняти залежності І_К = F₂ (U_КE) при п’яти різних значеннях струму І_Б . Результати записати в таблицю 1.2

Таблиця 1.2

Величини	Значення величин
UКЕ , В
ІК, мА (ІБ = … мА)
ІК, мА (ІБ = … мА)
ІК, мА (ІБ = … мА)
ІК, мА (ІБ = … мА)
ІК, мА (ІБ = … мА)

 

 

ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕНЬ

 

1. Побудувати графіки залежностей І_Б=F₁ (U_БE)та І_К = F₂ (U_КE) .

2. Розрахувати h- параметри транзистора, згідно заданого варіанту

(таблиця 1.3).

Таблиця 1.3

Варіант
ЕК, В
RК, кОм		1,5			0,6	0,8	1,2		1,5
UКЕР, В

3. Розрахувати залишкові опори транзистора при його роботі в ключовому режимі.

Зробити висновки про виконану роботу.

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

 

1. Поясніть принцип роботи p-n-p транзистора. В чому полягає його відмінність від транзистора зі структурою n-p-n ?

2. Як зміщені емітерний та колекторний переходи при різних режимах роботи біполярного транзистора?

3. Яка фізична суть Т-подібної схеми заміщення транзистора?

4. Як визначаються h - параметри транзистора?

5. Як визначаються параметри Т-подібної схеми заміщення?

6. Як визначаються залишкові опори транзистора при його роботі в ключовому режимі?