Краткие теоретические сведения. Лабораторная работа « Снятие статических характеристик биполярного транзистора»

Лабораторная работа «Снятие статических характеристик биполярного транзистора»

Краткие теоретические сведения.

Транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, структура которого содержит два электронно-дырочных перехода. Транзистор представляет собой монокристаллическую пластину полупроводника, в которой с помощью особых технологических приемов созданы три области, две из них имеют одинаковый тип электропроводности и разделены между собой областью с иной электропроводностью. Эта средняя область называется базой, а две другие, крайние – эмиттером и коллектором.

Эмиттер осуществляет инжекцию (т.е. введение) неосновных носителей зарядов в базу, а коллектор–экстракцию (сбор) носителей. Транзистор, у которого эмиттер и коллектор имеют электропроводность р-типа относятся к p-n-p–типу. Если же база р–типа, а коллектор и эмиттер n-типа, то это транзистор n-p-n-типа (рис. 1). Так, если коллектор транзистора p-n- p-типа подключается к отрицательному полюсу источника, то коллектор транзистора n-p-n-типа к положительному. В условных графических изображениях эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода.

Рис. 1.

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие заключается лишь в том, что в транзисторе n-p-n–типа через базу к коллектору движутся электроны, инжектированные эмиттером, а в транзисторе p-n-p–типа–дырки. Для этого к электродам транзистора подключают источники тока обратной полярности.Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на примере транзистора p-n-p типа включенного по схеме с (ОБ) общей базой (рис. 2).

Рис.2

Между р- и n-областями возникают p-n переходы. Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным (ЭП), а переход между коллектором и базой - коллекторным (КП). Как показано на рис. 2, коллекторная цепь транзистора подключается к источнику э.д.с.-Е_к т.е. КП смещен в обратном направлении. В коллекторном переходе напряженность поля под действием Е_к возрастает. Это приводит к появлению незначительного обратного тока I _ко в коллекторной цепи, обусловленного движением неосновных носителей зарядов. Этот ток существенно возрастает с увеличением температуры, поэтому его называют тепловым током коллектора – I_ко.

Эмиттерный переход внешним источником напряжения смещен в прямом направлении (ЭП, рис. 2). Напряженность поля эмиттерного перехода при этом уменьшается. Через эмиттерный переход происходит инжекция дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер. В цепи эмиттера появится ток, равный сумме токов, обусловленных электронной I_э(n) и дырочной I_э(p) электропроводностями:

Iэ = Iэ(n) + Iэ(p) ≈ Iэ(p)

Особенность транзистора состоит, в том, что концентрация дырок в эмиттере намного больше концентрации электронов в базе. Поэтому дырочная составляющая тока эмиттера значительно больше электронной. В базе происходит накопление неосновных носителей зарядов–дырок. В результате диффузии дырки перемещаются к коллекторному переходу. Часть дырок при этом рекомбинирует в базе с электронами, что создают ток в цепи базы I_б. Но так как толщина базы (w, рис.2) очень мала (несколько микрометров), доля рекомбинированных дырок незначительна. Вблизи коллекторного перехода дырки оказываются под действием электрического поля, обратно включенного перехода, увлекаются им через переход в коллекторную область и далее – к выводу коллектора, где рекомбинируют с электронами, поставляемыми через внешнюю цепь источником э.д.с, что создает ток в коллекторной цепи I_к.

Таким образом, ток эмиттера равен сумме токов базы I_б и коллектора I_к:

Iэ = Iк + Iб

(2)

Ток коллектора состоит из потока дырок инжектируемых эмиттером за вычетом тока базы и собственного теплового тока коллекторного перехода:

Iк = Iэ(p) – Iб +Iко =α Iэ + Iко,

(3)

где α = I_к/I_э – коэффициент передачи тока эмиттера; I_к0 – тепловой ток обратно включенного коллекторного перехода.

Отсюда, ток базы равен:

Iб = Iэ - Iк= (1 – α) Iэ - Iко

(4)

Этот ток составляет не более 1% от тока эмиттера.

Все сказанное справедливо также для транзистора n-p-n–типа с учетом высказанных ранее замечаний о перемене на противоположное направление движения токов и смене знаков источников питания схемы транзистора.

В зависимости от того какой из выводов транзистора является общим между входным источником сигнала и выходной цепью транзистора существуют три основные схемы включения транзистора в электрическую цепь: с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК), с общей базой (ОБ) (рис. 3).

Рис. 3.

Основными вольтамперными характеристиками транзистора являются входная и выходная характеристики.

Зависимость U_вх =¦₁(I_вх)|_{Uвых =const} – называют входной статической вольт–амперной характеристикой (ВАХ), а зависимость I_вых=¦₂(U_вых) |_{Iвх =const} выходной статической ВАХ. ВАХ снимают в режиме по постоянному току и представляют собой зависимости постоянных токов и напряжений. Характеристики транзистора зависят от схемы его включения.

Для транзистора включенного по схеме с ОБ это будут соответственно зависимости:

Uэб =¦1(Iэ), при Uкб=const Iк =¦2(Uкб), при Iэ=const

(5)

Характеристики обычно снимаются при нескольких различных постоянных значениях I_э и U_кб. При этом получаются семейства статических входных и выходных характеристик, которые представлены на рис. 4 а, б.

Рис. 4.

Входной характеристикой для схемы с ОБ является зависимость напряжения U_эб от входного тока I_э при фиксированном U_кб (рис. 4а). Эта характеристика подобна обычной характеристике полупроводникового диода смещенного в прямом направлении. При подаче положительного коллекторного напряжения U_кб>0 характеристика смещается влево. Это свидетельствует о наличии в транзисторе внутренней обратной связи, возникающей по ряду причин. Например, увеличение коллекторного напряжения вызывает уменьшение толщины базы, из-за чего увеличивается градиент концентрации основных носителей, что вызывает увеличение тока эмиттера и веерообразное смещение входных характеристик влево.

Выходная характеристика для схемы с ОБ (рис. 4б) выражает зависимость тока коллектора I_к =f₂(U_кб) при заданных входных токах I_э. Как видно из рис. 4б при U_кб=0 ток коллектора I_к ¹ 0, т.к. основные носители области эмиттера, инжектированные в базу, дрейфуют через коллекторный p-n-переход в область коллектора. Ток коллектора I_к (ток неосновных носителей) исчезает (обращается в ноль) только при некотором напряжение обратной полярности (при прямом смещении коллекторного перехода).

Незначительный наклон выходных характеристик указывает на высокое омическое сопротивление коллекторного перехода в закрытом состоянии, достигающий десятков и даже сотен кОм.

Наиболее часто на практике применяют схему включения транзистора с общим эмиттером ОЭ. При таком включении входным электродом является база, эмиттер заземляется (общий электрод), а выходным электродом по-прежнему является коллектор (рис. 5).

Рис. 5.

Основным передаточным параметром для схемы включения с ОЭ является коэффициент усиления тока базы b:

h21э=b = D Iк /D Iб, Uкэ= const

(6)

Параметр b связан с коэффициентом передачи тока эмиттера соотношением

b = a/ (1- a)

По порядку величина b лежит в интервале значений b=10¸200.

Из остальных h-параметров важное значение имеют входное дифференциальное сопротивление транзистора

h 11э = DUбэ /D Iб, Uкэ=const

(7)

и выходная дифференциальная проводимость

h22э = D Iк /DUкэ, Iб= const

(8)

Для схемы с ОЭ входное сопротивление единицы составляет единицы кОм, а выходная проводимость - 10^{- 4} -10 ^-5

Входная и выходная характеристики транзистора с ОЭ несколько отличаются от характеристик транзистора с ОБ (см. рис. 5).

Входной характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, является зависимость напряжения U_бэ от входного тока I_б, U_бэ =¦₁(I_б) при заданном напряженииU_кэ. Совокупность таких зависимостей называется семейством входных характеристик транзистора (рис.5 б). При U_кэ =0 тепловой ток I_к0 в цепи коллектора отсутствует и зависимостьU_бэ =¦₁(I_б) соответствует ВАХ эмиттерного р-n–перехода, включенного в прямом направлении. ПриU_кэ > 0 в цепи коллектора появляется ток-I_к0, направленный навстречу току I_б. Для компенсации этого тока в цепи базы нужно создать ток I_б=I_к0, приложив соответствующее напряжение U_бэ. Это приводит к смещению входной характеристики вправо вниз.

Выходной характеристикой транзистора по схеме с ОЭ является зависимость I_к =¦₂(U_кэ)при заданном токе I_б ( рис. 5в). Если U_бэ=0, в цепи коллектора протекает только тепловой ток, так как в этом случае инжекция дырок из эмиттера в базу (для p-n-p-транзистора I_к0 = -I_б) или инжекция электронов из эмиттера в базу (для n-p-n–транзистора) отсутствует. При U_кэ=0 ток в цепи коллектора не проходит, это объясняется тем, что напряжение U_бэи U_кэнаправлены встречно друг другу, т.е. потенциал коллектора выше потенциала базы и коллекторный переход оказывается при этом закрыт. Поэтому выходные характеристики не пересекают ось ординат.

При работе транзистора с коллекторной нагрузкой R _к связь между коллекторным током I _к и напряжением на коллекторе U _к выражается уравнением нагрузочной характеристики:

Iк=(Ек - Uк)/Rк

(9)

Нагрузочная характеристика представляет прямую на семействе коллекторных характеристик транзистора (см. рис.5.в), пересекающуюся с осями координат Е _к/ R_к и Е_к соответственно.

Экспериментально нагрузочную характеристику можно снять посредством регулировки тока базы I_б.