Исследование биполярных транзисторов

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 7Следующая ⇒

Цель работы: ознакомление с характеристиками биполярного транзистора, с методиками их определения для различных схем включения, получение навыков практического исследования вольт-амперных характеристик транзистора и определения его параметров.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами и тремя или более выводами. В зависимости от порядка расположения трех областей в полупроводниковом кристалле различают транзисторы n-p-n и p-n-p типов. Их упрощенные структуры и условные обозначения показаны на рис. 10. Центральную область кристалла называют базой (Б), а наружные области – соответственно эмиттером (Э) и коллектором (К). р-n переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а p-n переход между коллектором и базой – коллекторным.

Непременное условие нормальной работы биполярного транзистора – малая ширина базы . Необходимо, чтобы выполнялось условие ( диффузионная длина неосновных носителей в базе).

а) б)

Рис. 10. Структуры и схемное обозначение n-p-n (а) и p-n-p (б) транзисторов

Определение. Носители заряда, выходящие из слоя с повышенной концентрацией и входящие в слой с меньшей концентрацией, по мере продвижения рекомбинируют с носителями заряда противоположного знака. Их концентрация уменьшается по экспоненциальному закону, стремясь к равновесной. Расстояние, на котором избыточная концентрация носителей заряда уменьшается в е раз, называют диффузионной длиной L (соответственно – для электронов и – для дырок). Иными словами, это среднее расстояние, на которое носитель заряда может переместиться за время своей жизни.

Отсутствие накала, малые габаритные размеры, стоимость, высокая надежность – таковы преимущества, благодаря которым транзистор вытеснил из большинства областей электронные лампы.

На каждый p-n переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. Различают четыре режима работы биполярного транзистора:

- режим отсечки – на оба перехода поданы обратные напряжения;

- режим насыщения – на оба перехода поданы прямые напряжения;

- нормальный активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное;

- инверсный активный режим – на эмиттерный переход подано обратное напряжение, а на коллекторный – прямое.

В режиме отсечки через оба перехода проходят незначительные обратные токи, что эквивалентно большому сопротивлению. Это позволяет в первом приближении считать, что между всеми выводами транзистора будет обрыв, а токи в его внешних цепях равны нулю.

В режиме насыщения через оба перехода проходит большой прямой ток, что эквивалентно малому сопротивлению. Поэтому можно считать, что в этом режиме между всеми выводами транзистора будет короткое замыкание. Иными словами, транзистор «стягивается в точку», а токи, проходящие через него, будут определяться только сопротивлениями элементов, включенных во внешние цепи транзистора.

Более сложная картина наблюдается при работе транзистора в активном режиме. В этом случае источник питания подключен к эмиттерному переходу в прямом направлении и через эмиттерный переход проходит достаточно большой прямой ток (рис. 11).

Рис. 11. Процессы в биполярном транзисторе в

нормальном активном режиме работы

При этом из эмиттера в базу инжектируются электроны, а из базы в эмиттер – дырки. Однако в связи с тем, что эмиттер легирован значительно сильнее базы, поток электронов будет намного больше потока дырок. За счет инжекции электронов в базу, а также инжекции дырок из базы в эмиттер формируется ток эмиттера . Инжектированные электроны проходят базу, а так как толщина базы мала, большинство электронов не успевает рекомбинировать в ней и почти все они достигают коллекторного перехода. Вблизи коллекторного перехода электроны попадают под действие электрического поля этого обратносмещенного перехода (источник питания подключен минусом к базе) и втягиваются этим полем в коллектор. В коллекторе электроны становятся основными носителями зарядов и легко доходят до коллекторного вывода, создавая ток коллектора . За время прохождения базы часть электронов все-таки рекомбинирует в области базы и вызывает соответствующий ток базы .

Между всеми токами биполярного транзистора существует очевидное соотношение:

(15)

Различают три схемы включения биполярного транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). На рис. 12 показаны схемы включения транзистора. Основные особенности этих схем отмечены в табл. 3.

ОК

Рис. 12. Схемы включения транзистора

Основной параметр биполярного транзистора – коэффициент усиления по току. Для схемы ОБ коэффициент усиления по току обозначается буквой и определяется для нормально включенного транзистора как

. (16)

Поскольку , то . Для современных транзисторов . Таким образом, схема ОБ не обеспечивает усиление тока. Однако транзистор с ОБ позволяет получить высокое усиление сигнала по напряжению. В цепи коллектора вследствие большого сопротивления обратносмещенного коллекторного перехода (r_К> > r_Э) может быть включено достаточно большое сопротивление нагрузки r_Н> > r_Э. В таком случае изменения напряжения на нагрузке DU_Н могут значительно превышать изменения входного напряжения (на эмиттере) DU_Э:

, (17)

где DI_Э, DI_К – изменения входного (эмиттерного) и выходного (коллекторного) токов.

Наибольшее применение получила схема с ОЭ, т. к. обеспечивает наибольшее усиление по току, напряжению и мощности. Коэффициент усиления по току биполярного транзистора для схемы ОЭ определяется как

. (18)

Используя соотношение (1), нетрудно получить связь между и в следующем виде:

(19)

Коэффициент усиления по току биполярного транзистора для схемы ОЭ составляет . Таким образом, транзистор, включенный по схеме ОЭ, – хороший усилитель тока. Кроме того, схема ОЭ, как и схема ОБ, позволяет получить высокое усиление сигнала по напряжению вследствие большого сопротивления обратносмещенного коллекторного перехода. Значительное усиление транзистора, включенного по схеме с ОЭ, по току и напряжению позволяет получить значительное усиление по мощности.

Схема с ОК имеет наибольшее входное сопротивление и используется для согласования каскадов в радиотехнических схемах.

В схеме с общим коллектором ОК коэффициент усиления меньше 1. Казалось бы, такое устройство не очень востребовано, но тот факт, что у схемы с ОЭ плохие параметры именно из-за того, что у ОЭ низкое входное сопротивление и высокое выходное, не получается использовать несколько схем с ОЭ, т. к. каждая следующая схема будет закорачивать выходной сигнал предыдущей. Если же между схемами с ОЭ использовать схемы с ОК, то высокое выходное сопротивление ОЭ согласуется с очень высоким входным сопротивлением схемы ОК, а низкое выходное сопротивление схемы ОК согласуется с низким входным сопротивлением следующей схемы ОЭ.

Это происходит потому, что при единичном усилении по напряжению схема с ОК имеет довольно большой коэффициент усиления по току (примерно ). Часто такие схемы называются эмиттерными повторителями.

Основные особенности схем ОБ, ОЭ, ОК отмечены в табл. 3.

Наиболее полно свойства биполярного транзистора описываются его вольт-амперными характеристиками (ВАХ). Однако, прежде чем рассматривать их, необходимо заметить следующее. Во-первых, биполярный транзистор – «токовый» прибор, т. к. основные процессы, протекающие в таком транзисторе, определяются его входным током. Поэтому кроме выходных ВАХ для него важны также и входные ВАХ. А в связи с тем, что входные и выходные токи и напряжения транзистора достаточно сильно связаны друг с другом, для полной характеристики транзистора нужно иметь не отдельные характеристики, а семейства ВАХ: входных и выходных. Конечно, при любой схеме включения физические процессы в транзисторе не меняются, но существенно изменяются входные и выходные величины, что и приводит к соответствующим изменениям в семействах ВАХ транзистора.

Таблица 3

Основные параметры биполярного транзистора при включении

по схемам с ОБ, ОЭ, ОК

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 Следующая ⇒