Цель работы: Экспериментально изучить входные и выходные статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой, определить его параметры.
1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
1.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНЗИСТОРА
Транзисторами (от английских слов transfer of resistor – преобразователь сопротивления) называют электропреобразовательные полупроводниковые приборы с одним или несколькими взаимодействующими электронно-дырочными переходами, способные усиливать мощность сигнала и имеющие три и более внешних вывода.
Основным элементом двухпереходного биполярного транзистора является монокристалл полупроводника типа n или р, в котором с помощью примесей созданы три области с электронной и дырочной электропроводимостью, разделенные двумя р-n-переходами (рис. 1). Если средняя область имеет электронную проводимость типа n, а две крайние – дырочную типа р, то такой транзистор имеет структуру р-n-р в отличие от транзисторов n-р-n, имеющих среднюю область с дырочной, а крайние области с электронной проводимостями.
Рис.1. Схема включения p-n-p транзистора с общей базой (а); условные обозначения p-n-p и n-p-n транзисторов (б).
Средняя область кристалла полупроводника (в данном случае n-проводимости) называется базой. Одна крайняя область (для нашего случая с р-проводимостью), инжектирующая (эмиттирующая) неосновные носители заряда, называется эмиттером, а другая, осуществляющая экстракцию (выведение) носителей заряда из базы, – коллектором. База отделена от эмиттера и коллектора соответственно эмиттерным и коллекторным р-п-переходами. От базы, эмиттера и коллектора сделаны металлические выводы (Б, Э, К).
В рабочем режиме к электродам транзисторов подключают постоянные напряжения от внешних источников энергии. Помимо постоянных напряжений, к электродам подводят сигналы, подлежащие преобразованию. В связи с этим различают входную цепь, в которую подводят сигнал, и выходную, в которой с нагрузки снимают сигнал. В зависимости от того, какой из электродов при включении транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают схемы с общей базой ОБ, общим эмиттером ОЭ и общим коллектором ОК. Наиболее широко используются схемы включения с ОБ и ОЭ.
На рисунке 1а показана одномерная модель транзистора, который включен по схеме с общей базой. Входной сигнал в этом случае подается между эмиттером и базой, а выходной снимается с коллекторной цепи. Аналогично транзистор может быть включен по схемам с общим эмиттером (вход база – эмиттер, выход коллектор – эмиттер), с общим коллектором. Потенциал общего электрода схемы принимают равным нулю, а напряжение на других отсчитывают относительно потенциала общего электрода. Обозначение напряжений в цепях транзистора снабжают буквенными индексами, указывающими на электроды, между которыми оно включено, причем второй индекс относится к общему электроду схемы.
В зависимости от полярности напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам, различают активный, отсечки, насыщения и инверсный режимы включения транзистора.
Активный режим используется при усилении слабых сигналов. В этом режиме на эмиттерный переход подается прямое, а на коллекторный – обратное напряжение. В активном режиме эмиттер инжектирует в область базы неосновные для нее носители, а коллектор производит экстракцию (выведение) неосновных носителей из базовой области.
В режиме отсечки к обоим переходам подводятся обратные напряжения, при которых ток через транзистор ничтожно мал. В режиме насыщения оба перехода транзистора находятся под прямым напряжением; в обоих переходах происходит инжекция носителей; транзистор превращается в двойной диод; ток в выходной цепи максимален при выбранном значении нагрузки и не управляется током входной цепи; транзистор полностью открыт. Транзистор в режимах отсечки и насыщения обычно используется в схемах электронных переключателей.
В инверсном режиме меняют функции эмиттера и коллектора, подключив к коллекторному переходу прямое, а к эмиттерному – обратное напряжение. Однако из-за несимметрии структуры и различия концентрации носителей в областях коллектора и эмиттера инверсное включение транзистора неравноценно его нормальному включению в активном режиме.
Рассмотрим принцип действия p-n-p транзистора, включенного по схеме с ОБ. Так как эмиттерный переход смещен в прямом направлении, то через эмиттерный переход протекает значительный ток основных носителей. Так как обычно уровень легирования базы значительно ниже уровня легирования эмиттера, то в данном случае ток эмиттера будет преимущественно дырочным. В базе инжектированные дырки из области эмиттерного перехода, где их концентрация высока, диффундируют к коллекторному переходу. В процессе диффузии часть инжектированных из эмиттера дырок рекомбинирует с электронами, однако, так как ширина базы W много меньше диффузионной длины дырок (базу специально делают узкой), то большая часть дырок доходит до коллекторного перехода. Все дырки, дошедшие до обратно смещенного коллекторного p-n перехода, захватываются электрическим полем этого перехода и перебрасываются в область коллектора. Возникает коллекторный ток. Ток коллектора несколько меньше тока эмиттера за счет рекомбинационных процессов в базе транзистора, поэтому коэффициент передачи тока эмиттера α = ik/iэ немного меньше единицы, т.е. схема с общей базой не усиливает токовый сигнал.
Если в цепь эмиттера подавать входные переменные сигналы, а в цепь коллектора включить нагрузку, то транзистор будет работать в качестве усилителя. В схеме транзистора с общей базой можно получить значительное усиление по напряжению, так как дифференциальное выходное сопротивление обратно смещенного коллекторного перехода велико, в цепь коллектора может быть включено большое сопротивление Rнаг , на этом нагрузочном резисторе падение напряжения будет во много раз больше входного переменного сигнала (ΔUнаг. = ΔIк Rнаг. ≈ ΔIэ Rнаг).
Транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, может дать большое усиление не только по напряжению, но и по току. Так как ток базы iб=iэ-iк=iэ(1-α), то коэффициент передачи тока базы β = iк/ iб=α/(1-α) будет значительно больше единицы, так как α ≈1.
Для нахождения аналитических выражений, описывающих связь внешних характеристик и параметров транзистора с электрофизическими параметрами областей и его геометрией, решаются уравнения непрерывности для неосновных носителей тока во всех трех областях транзистора. Классическая теория транзистора основана на том, что модель транзистора одномерная, уровень инжекции мал, что позволяет пользоваться диффузионным приближением для неосновных носителей тока; процессами генерации и рекомбинации носителей в области объемного заряда переходов пренебрегают, а концентрацией легирующих примесей во всех областях не изменяются с координатой.
и коллектора различаются. В этом случае эквивалентная схема для большого сигнала имеет вид, показанный на рис.2.
Рис.2. Эквивалентная схема транзистора для большого сигнала.
1.2. Статические ХАРАКТЕРИСТИКИ
ТРАНЗИСТОРА С ОБЩЕЙ БАЗОЙ
Входными статическими характеристиками транзистора, включенного по схеме с общей базой, является зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении, т.е. семейство зависимостей Iэ = f(Uэб) при Uкб = const.
Выходными статическими характеристиками транзистора, включенного по схеме с общей базой, является зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе, т.е. семейство зависимостей Iк = f(Uкб) при Iэ = const.
На рис.3 приведено семейство выходных характеристик: Uкб 2 > Uкб 1, Iэ3 > Iэ2 > Iэ1.
Рис.3. Семейство входных (а) и выходных (б) ВАХ транзистора с общей базой.
При больших обратных напряжениях на коллекторе ток коллектора начинает резко возрастать из-за лавинного пробоя коллекторного p-n перехода.
Характеристики прямой передачи тока Iк=f(Iэ) при Uкб=const. Ее можно построить по выходным характеристикам. Для этой цели на семействе выходных характеристик проводят ряд вертикальных линий с заданным интервалом значений Uкб . Затем отмечают точки пересечения со статическими характеристиками и определяют значения токов тока Iк и Iэ при выбранном значении Uкб. По полученным значениям Iк и Iэ строят зависимость Iк = f(Iэ) при Uкб = const (рис.4а). Эти характеристики также можно снять экспериментально.
Характеристики обратной связи по напряжению Uэб = f(Uкб) при Iэ = const можно построить по семейству входных характеристик. Для этой цели на входных характеристиках проводят ряд горизонтальных линий с заданным интервалом токов Iэ, Затем находят координаты точек пересечения (Uэб и Uкб) и по ним строят характеристики Uэб = f(Uкб) при Iэ = const (рис.4б). Эти характеристики также можно снять экспериментально.
Рис.4. Статические характеристики прямой передачи тока и обратной связи с общей базой.
1.3. Основные параметры биполярных транзисторов
- Коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока.
- Дифференциальное сопротивление эмиттерного p-n перехода rэ. диф (Ом – десятки Ом).
- Обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении Iк (несколько нА – десятки мА).
- Объемное сопротивление базы rб (десятки – сотни Ом).
- Выходная проводимость или дифференциальное сопротивление коллекторного перехода rк.диф.=1/h22э=∂Uкб/∂Iк|Iб=соnst, h22э (доли – сотни мкОм).
- Максимально допустимый ток коллектора Iк.max (сотни мА – десятки А).
- Напряжение насыщения коллектор-эмиттер Uкэ нас. (десятые доли – один вольт).
- Наибольшая мощность рассеяния коллектором РКmax (мВт – десятки Вт).
- Емкость коллекторного перехода Ск (пФ – десятки пФ).
- Предельная частота коэффициента передачи тока, на которой коэффициент передачи тока уменьшается до 0,7 своего статического значения fпр. (кГц – сотни МГц).
Обозначение биполярных транзисторов состоит из шести или семи элементов. Первый элемент – буква, указывающая исходный материал: Г-германий, К-кремний, А-арсенид галлия. Для транзисторов специального назначения первый элемент цифра:1 – германий, 2 – кремний, 3 – арсенид галлия. Второй элемент – буква Т. Третий элемент – число, присваиваемое в зависимости от назначения транзистора. Четвертый, пятый и шестой элементы – цифры, означающие порядковый номер разработки. Шестой (седьмой) элемент – буква, указывающая разновидность типа из данной группы приборов, например: ГТ108А, 2Т144А, КТ3102А и т.д.
В данной работе используется транзистор германиевый р-п-р универсальный низкочастотный маломощный типа МП-26. Его параметры:
Постоянное напряжение коллектор-база 70 В.
Постоянное напряжение коллектор-эмиттер 70 В.
Среднее значение тока коллектора 80 мА.
Среднее значение тока эмиттера 80 мА.
Коэффициент передачи тока 30-80.
Обратный ток коллектора 75 мкА.
2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА
Лабораторный макет выполнен в унифицированном корпусе. Принципиальная электрическая схема, используемая в макете, приведена на рисунке 5 и на передней панели макета.
Рис.5. Принципиальная электрическая схема измерений.
3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
3.1. Подготовка приборов к работе
- К гнездам «0» и «I» на лицевой панели макета подключить амперметр.
- К гнездам «0» и «U» подключить вольтметр.
- Подключить макет к источникам питания, как указано на лицевой панели макета.
- Кнопки «S5», «S6» должны быть нажаты на протяжении всех измерений.
- При нажатии кнопки «S1» измеряется ток эмиттера, который можно изменять, вращая ручку резистора R1.
- При нажатии кнопки «S2» измеряется ток коллектора.
- При нажатии кнопки «S3» измеряется напряжение коллектор-база, которое можно регулировать, вращая ручку резистора R2.
- При нажатии кнопки «S4» измеряется напряжение эмиттер-база.