Принцип действия и схемы включения транзистора
Лабораторная работа N4
Исследование статических характеристик и параметров маломощных биполярных транзисторов
| Цель работы: | Изучить принцип действия биполярного транзистора, исследовать статические характеристики и параметры транзистора, методы их экспериментального измерения, ознакомиться с усилительными свойствами транзистора. |
ВВЕДЕНИЕ
Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей.
Создание в 1948 г. Американским ученым Дж. Бардиным, В. Браттейном и В. Шокли точечного транзистора открыло новый этап развития электроники. Уже в 50 – х годах были разработаны различные типы биполярных транзисторов которые и послужили основой элементной базы электронных устройств нового поколения. В настоящее время разработано и широко применяются несколько сотен типов транзисторов, отличающихся друг от друга мощностью выходного сигнала, рабочим частотным диапазоном, напряжением питания, характером входных сигналов и рядом других параметров.
Название прибора “транзистор” состоит из двух английских слов: transfer – переносить, преобразовывать и resistor – сопротивление. В биполярных транзисторах, которые называют просто транзисторами, перенос электрического тока в кристалле полупроводника и усиление сигнала обусловлены движением носителей заряда обеих полярностей – электронов и дырок.
|
|
|
2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Структура транзистора
Структура биполярного транзистора представляется тремя областями с чередующимися типами проводимости. Порядок чередования областей определяет транзисторы с прямой (p – n – p) и обратной (n – p – n) проводимостью. Упрощенные схемы структур и условные графические изображения этих типов транзисторов показаны на рис.1.
Три чередующихся слоя с разными типами проводимости образуют два p – n перехода, обозначенные цифрами 1 и 2 на рис.1. Взаимодействие между ними будет обеспечено тогда, когда толщина области между переходами, которая называется базой (Б), будет меньше диффузионной длины пробега неосновных носителей заряда. Примыкающие к базе области чаще всего неодинаковы. Одну из них изготавливают так, чтобы она обеспечивала эффективную инжекцию носителей в базу. Эта область обычно легирована значительно сильнее, чем база, и называется эмиттером (Э). Другая область должна наилучшим образом осуществлять экстракцию (отсос) носителей из базы и называется коллектором (К). Соответственно примыкающий к эмиттеру переход 1 называется эмиттерным, а примыкающий к коллектору (2) - коллекторным.
|
|
|
Каждый из переходов внешним источником напряжения может быть смещен в прямом или обратном направлении. Это позволяет осуществлять три режима работы транзистора:
1). режим отсечки – оба p –n перехода смещены в обратном направлении, токи через транзистор практически отсутствуют;
2). режим насыщения – на оба перехода подано прямое смещение, через транзистор проходят достаточно большие токи;
3). активный режим – на эмиттерный переход подано прямое смещение, на коллекторный – обратное.
В режимах отсечки и насыщения управление транзистором практически отсутствует и используются они в ключевом режиме работы, когда транзистор выполняет роль электронного ключа: режим отсечки – это разрыв цепи, тока в ней нет, режим насыщения – замкнутое положение ключа, ток в цепи максимально допустимый. В активном режиме управление током транзистора наиболее эффективно, поэтому транзистор в этом режиме выполняет функции активного элемента цепи (усиление, генерирование сигналов и т.п.)
Если в активном режиме на эмиттерный переход подано прямое смещение, а на коллекторный - обратное, то включение транзистора называют нормальным. При противоположных полярностях напряжений на переходах включение называют инверсным.
|
|
|
Принцип действия и схемы включения транзистора
Наличие трех выводов у транзистора позволяет применять три различных схемы включения транзистора в электрическую цепь. Эти схемы показаны на рис.2 и называются, соответственно схемами с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Название определяется названием электрода транзистора, который является общим для входного и выходного сигналов (см. рис.2).
Рассмотрим принцип работы n – p – n транзистора, включенного по схеме с общей базой (рис.1, б; 2, а). В активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный – в обратном. Эмиттер инжектирует электроны в базовую область. Если концентрация носителей в эмиттере 
много больше, чем концентрация примеси в базе 
( 
), то ток электронов 
, инжектируемых в базу, будет практически равен полному току эмиттера 
. Эффективность эмиттера характеризуют коэффициентом инжекции
,
который должен быть близок к единице.
Часть электронов рекомбинирует с дырками базы. Но, если толщина базы 
- диффузионной длины электронов в базе, то большинство электронов достигнет коллектора. Коллекторный переход смещен в обратном направлении, поэтому открыт для неосновных носителей, каковыми являются электроны в p – базе. Поэтому они захватываются полем коллекторного p – n перехода и попадают в коллектор (экстракция дырок коллектором). Эффективность перемещения электронов через базу определяется коэффициентом переноса χ 
, где 
- ток электронов, достигших границы области пространственного заряда (ОПЗ) коллекторного перехода со стороны базы. При малом отношении 
значение 
близко к единице.
|
|
|
Полный ток коллектора 
может превышать ток , связанный с инжекцией электронов из эмиттера. Во –первых, электроны при повышенном обратном напряжении на ОПЗ коллектора 
могут вызвать ударную ионизацию носителей заряда. Лавинное умножение в ОПЗ коллектора увеличивает все токи, пересекающие переход в М раз, где М коэффициент лавинного умножения. Лавинное умножение носителей сопровождается шумами и приводит к нестабильной работе транзистора. Такой режим не используется при усилении сигналов. Для этого задают такое обратное напряжение , при котором n 
1, т.е. лавинное умножение носителей в коллекторном p – n переходе практически отсутствует. Во – вторых, даже при токе эмиттера 
через коллекторный p – n переход протекает обратный ток, обусловленный обратным напряжением на переходе, как в обычном изолированном p – n переходе:
(2.1)
где 
- обратный ток насыщения коллекторного перехода; знак минус в правой части обусловлен выбором положительного направления тока на рис 1, б.
Обозначив управляемую эмиттером составляющую тока коллектора через 
, для полного тока коллектора получим:
(2.2)
где 
- коэффициент передачи тока эмиттера.
Индекс N обозначает нормальное включение транзистора (рис.1, б), когда эмиттер инжектирует электроны, а коллектор их собирает. В (2.2) входит величина - падение напряжения на ОПЗ коллектора. Отметим, что под и 
понимают разность потенциалов на границах ОПЗ коллекторного и эмиттерного переходов. Они отличаются от показанных на рис.1 напряжений 
и 
на величину падения напряжения на квазинейтральных областях базы, эмиттера и коллектора. Мы будем считать, что , , полагая, что токи эмиттера, базы и коллектора и создаваемые ими падения напряжения малы.
2.3. Статические характеристики
Для анализа работы транзистора в электронных устройствах используется два вида вольт – амперных характеристик (ВАХ): входные и выходные. Первая из них представляет собой зависимость входного тока 
от входного напряжения 
при постоянном выходном напряжении, т.е. зависимость 
. Выходной ВАХ является зависимость выходного тока
от выходного напряжения 
при постоянном входном токе: 
. Поскольку постоянный параметр ( или ) для каждого типа ВАХ может принимать неограниченный ряд значений, то каждая из этих зависимостей представляется не одной кривой, а несколькими, которые называются поэтому семейством входных и выходных характеристик.
Поскольку на практике используются различные схемы включения транзистора (ОБ, ОЭ, ОК см рис.2), то входные и выходные токи и напряжения тоже будут различными, поэтому и семейства входных и выходных ВАХ различаются для различных схем включения. Так, из рис.2 следует, что семейства входных и выходных ВАХ для схемы с общей базой представляют собой зависимости:
входные: 
(2.3)
выходные: 
Аналогично определяются входные и выходные ВАХ для других схем включения.
Входная характеристика транзистора, снятая при 
представляет собой естественную ВАХ эмиттерного перехода (для схемы включения ОБ, например). При повышении выходного напряжения значительная доля инжектированных носителей будет покидать базу через коллекторный переход, поэтому ток эмиттера при том же напряжении на переходе будет возрастать, т.е. с повышением выходного напряжения входные характеристики смещаются к оси тока (рис.3, а). С повышением выходного напряжения ток через
эмиттерный переход будет существовать даже при , т.к. неосновные носители из базы будут втягиваться полем коллекторного перехода, а на их место будут поступать носители через эмиттерный переход. Чтобы ток через эмиттерный переход стал равным нулю, на него следует подать обратное напряжение.
Семейство выходных характеристик определяет выражение (2.2) для транзистора с ОБ. При 
выходная ВАХ транзистора тоже подобна ВАХ изолированного коллекторного перехода (рис.3, б). При задании некоторого тока 
ток коллектора увеличивается на величину 
. Смещение выходных ВАХ вверх по оси тока коллектора 
при увеличении тока эмиттера соответствует принципу действия транзистора.
Ток коллекторного перехода существует и при нулевом напряжении на коллекторе (короткое замыкание коллектора с базой). Этот ток обусловлен градиентом концентрации неосновных носителей заряда в базе при инжекции носителей в нее из эмиттера, т.е. при наличии тока эмиттера. Чтобы ток коллектора стал равным нулю, на коллектор требуется подать прямое напряжение, что соответствует работе транзистора в режиме насыщения.
Усиление сигналов транзистором оценивается коэффициентами усиления по току 
, по напряжению 
и по мощности 
. Для транзистора с ОБ коэффициент усиления по току 
, т.е. усиления по току в этой схеме включения не происходит. Но зато можно получить большое усиление по напряжению. Как видно из рис.3, б выходное дифференциальное сопротивление транзистора 
в пологой, почти горизонтальной области характеристики велико, что позволяет включить в выходную цепь последовательно большое сопротивление нагрузки 
. Транзистор для выходной цепи представляет собой генератор тока 
с большим выходным сопротивлением 
. При малых изменениях тока эмиттера 
напряжение на коллекторе транзистора изменяется на большое значение:
,
где 
- эквивалентное сопротивление параллельно включенных и .
Входное дифференциальное сопротивление 
, определяемое по входной ВАХ (рис.3, а), значительно меньше , поэтому и изменение входного напряжения 
при том же изменении входного тока 
тоже будет значительно меньше 
. Поэтому коэффициент усиления транзистора с ОБ по напряжению
При больших значениях 
.
Коэффициент усиления по мощности транзистора с ОБ 
тоже может значительно превышать единицу:
Биполярный транзистор называют активным элементом электрической цепи, поскольку он усиливает мощность входных сигналов ( 
>1). Так, при средних значениях 
кОм, 
Ом величина 
, если 
. Физически усиление входного сигнала по мощности означает отбор энергии нагрузкой от источника питания выходной цепи, а активная роль транзистора сводится к роли клапана, регулирующего поступление энергии от источника в нагрузку, управление которым осуществляется малым по мощности входным сигналом.
В схеме с ОЭ транзистор усиливает сигнал как по напряжению, так и по току. Входным током в этой схеме является ток базы, а выходным – ток коллектора. Токи транзистора связаны между собой первым законом Кирхгофа 
.
Подставив это соотношение в (2.2), получим
(2.4)
Это выражение определяет семейство выходных ВАХ транзистора с ОЭ, т.е. зависимости 
при 
. Множитель перед 
- это коэффициент усиления по току транзистора с ОЭ, называется также коэффициентом передачи тока базы:
(2.5)
У применяемых на практике транзисторов 
= 0,90…0,99, что соответствует 
= 9…100. Физически большие значения обусловлены рекомбинационной природой базового тока. Поступающие в базу от источника питания через базовый электрод дырки, представляющие собой ток базы, нарушают электронейтральность базы и снижают потенциальный барьер эмиттерного p – n перехода. Из эмиттера в базу увеличивается приток электронов, но время пролета слоя базы электроном 
много меньше времени жизни электронов и дырок в базе 
. Поэтому для нейтрализации притока дырок в базу требуется в 
раз больший приток электронов из эмиттера.
Коэффициент усиления по напряжению транзистора с ОЭ определяется:
(2.6)
Коэффициент усиления по мощности транзистора с ОЭ
обычно значителен, так как усиление происходит по току и напряжению. Поэтому в большинстве усилительных каскадов используется включение транзистора с ОЭ. Это бывает выгодно еще и потому, что входное сопротивление транзистора с ОЭ 
больше сопротивления 
транзистора с ОБ в 
( 
) раз.
Транзистор с ОК имеет коэффициент усиления по напряжению немного меньший единицы, т.к. разность потенциалов между входным электродом – базой, и выходным – эмиттером практически не зависит от тока базы. Усиление по току значительно и составляет
Потенциал эмиттера практически повторяет потенциал базы (см. рис.2, в), поэтому каскад на транзистору с ОК называют эмиттерным повторителем.
Малосигнальные параметры
Если при работе транзистора переменные напряжения на его переходах достаточно малы, то токи в нем являются линейными функциями этих напряжений. Это позволяет рассматривать транзистор как линейный четырехполюсник (рис.4), т.е. как некоторое устройство, имеющее два входных и два выходных зажима, и связь между токами и напряжениями на входе ( 
) и выходе ( 
) которого выражается системой линейных уравнений.
Из теории четырехполюсников следует, что только две из перечисленных величин независимы, а две другие могут быть выражены через них. В качестве независимых можно выбирать произвольно любую пару величин. Таким образом можно составить шесть систем уравнений, описывающих связь между входными и выходными токами и напряжениями четырехполюсника. Для транзисторов наиболее удобной оказалась система малосигнальных h – параметров, в которой в качестве независимых величин выбираются входной ток 
и выходное напряжение 
.
(2.7)
В режиме малых сигналов функции 
и 
линейны, поэтому приращения величин можно получить дифференцированием (2.7) следующим образом:
(2.8)
В качестве малых приращений входных и выходных токов и напряжений можно принять переменные составляющие 
, 
, 
, 
. Тогда (2.8) можно переписать
(2.9)
Коэффициенты 
в правой части (2.9) называются h – параметрами. Они имеют вполне определенный физический смысл и устанавливают взаимосвязь между токами и напряжениями транзистора.
Если в первом уравнении (2.9) положить 
, что соответствует короткому замыканию выходной цепи по переменной составляющей (постоянное напряжение на выходных зажимах при этом 
), то получаем:
- входное сопротивление транзистора по переменному току при коротко замкнутом выходе.
Если в том же уравнении положить 
( 
), то
- коэффициент обратной связи по переменному напряжению при разомкнутой входной цепи (холостой ход) по переменному току.
Аналогично из второго уравнения (2.9), получаем:
- коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе по переменному току;
- выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи по переменному току.
Поскольку транзистор допускает три схемы включения, то к обозначению соответствующего параметра добавляется буква, обозначающая схему включения транзистора. Например, для схемы с ОЭ параметры обозначаются 
.
Преимущества h – параметров заключаются в удобстве их экспериментального определения. Они легко определяются для заданного режима работы по постоянному току (рабочей точки) по входным и выходным ВАХ. Кроме того, h – параметры измеряют в режимах, близких к режимам работы транзисторов в практических схемах.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 289; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!