Основні теоретичні положення. Дослідження біполярних транзисторів

Лабораторна робота

Дослідження біполярних транзисторів

Мета роботи: Вивчення принципу роботи біполярного транзистора. Експериментальне визначення його характеристик та параметрів.

Основні теоретичні положення

Біполярні транзистори - це напівпровідникові прилади з двома взаємодіючими pn -переходами, утвореними в кристалі напівпровідника, та трьома виводами. Назва приладу “біполярний” обумовлена тим, що робота транзистора базується на використанні носіїв зарядів обох знаків (електронів та дірок).

Структура біполярного транзистора складається з трьох областей електронної та діркової провідності, які чергуються. Залежно від послідовності розташування цих областей розрізняють біполярні транзистори типу npn та типу pnp (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Структури біполярних транзисторів: а - типу pnp; б – типу npn

Одна з крайніх областей транзистора називається емітером, середня область - базою, а друга крайня область - колектром; pn -перехід з боку емітера називають емітерним переходом, а з боку колектора - колекторним.

Емітер, база та колектор відрізняються типом електропровідності, концентрацією носіїв зарядів та розмірами. В емітері концентрація носіїв зарядів є найбільшою, в базі - найменшою. Емітерний перехід має значно меншу площу поперечного перерізу, ніж колекторний. Ширина базової області складає одиниці мікрометрів.

Режими роботи транзистора. Емітерний та колекторний переходи транзистора в залежності від прикладених до них напруг можна зміщувати як в прямому, так і в зворотному напрямах. Залежно від напрямів вмикання pn -переходів розрізняють такі режими роботи транзистора:

1) нормальний активний режим - емітерний перехід зміщений прямо, а колекторний у зворотному напрямі;

2 ) режим відтину - оба переходи транзистора зміщені у зворотних напрямах;

3) режим насичення - оба переходи транзистора зміщені у прямих напрямах;

4) інверсний активний режим - колекторний перехід зміщений прямо, а емітерний - у зворотному напрямі.

Основним режимом роботи біполярного транзистора є нормальний активний режим. В цьому режимі транзистор успішно виконує функції керованого активного елемента, тобто може здійснювати підсилення, генерування та перетворення електричних сигналів.

На рис.2.2 подані схемні позначення біполярних транзисторів та вказані полярності зовнішних напруг, які забезпечують нормальний активний режим роботи транзисторів, а також показані додатні напрями струмів через їх зовнішні виводи. Зауважимо, що в нормальному активному режимі абсолютне значення напруги U_КЕ має бути більшим від значення напруги U_БЕ.

Рис. 2.2. Схемні позначення біполярних транзисторів

(а - типу pnp; б - типу npn) та полярності їх зовнішних напруг

Принцип роботи. Із структури транзисторів (рис. 2.1) видно, що по суті вони представляють собою два напівпровідникові діоди, які мають спільну область (базу), через яку взаємодіють.

В нормальному активному режимі залежність струму від напруги на емітерному переході подібна до залежності струму від напруги звичайного діода, зміщеного прямо, а залежність струму від напруги на колекторному переході аналогічна залежності струму від напруги зворотно зміщеного діода. Однак наявність спільної базової області спричинює те, що через неї емітерний та колекторний переходи взаємно впливають на роботу один одного. Розглянемо це на прикладі транзистора типу npn, схема вмикання якого подана на рис. 2.3.

Рис. 2.3. До пояснення принципу роботи біполярного транзистора

(типу npn)

При нульовій напрузі на емітерному переході (U_БЕ=0) через колекторний перехід, який зміщений у зворотному напрямі, протікає лише тепловий струм I_КБО.

При прикладенні до емітерного переходу прямої напруги, його потенціальний бар’єр понизиться і через нього потече струм I_E внаслідок інжекції електронів з емітера в базу та дірок з бази в емітер. Оскільки концентрація дірок в базі є нижчою ніж концентрація електронів в емітері, то процесом інжекції дірок можна знехтувати. Ширина бази в біполярних транзисторах є достатньо мала, так що інжектовані електрони досягають колекторного переходу, не встигаючи рекомбінувати з дірками бази. Лише невелика частина (менше ніж 1%) електронів рекомбінує в базі, в результаті чого виникає струм бази І_Б, який в порівняння з іншими струмами транзистора є незначним. Підійшовши до колекторного переходу, електрони попадають під вплив сильного електричного поля зворотно зміщеного колекторного переходу, яке для них є прискорювальним. Тому вони втягуються в колекторний перехід і переходять в колекторну область. Відбувається так звана екстракція носіїв зарядів в колектор. Внаслідок цього колекторний струм І_Кзбільшиться на величину І_К^‘, спричинену електронами, які прийшли в колекторну бласть. Значення цього струму буде дещо меншим від струму емітера, оскільки невелика частина електронів рекомбінувала в базі, тобто:

І_к^‘ =aІ_Е, (2.1)

де a - деякий коефіцієнт пропорційності, менший від одиниці (a=0,99...0,999), який називають статичним коефіцієнтом передавання емітерного струму транзистора.

Отже, сумарний струм колектора дорівнюватиме

I_K=I_KБО+aІ_Е. (2.2)

При великих емітерних струмах транзистора, при яких І_KБО<<I_E, наближено приймають:

I_K@aI_E. (2.3)

Оскільки потік електронів, що рухаються з емітера в колектор, та відповідно емітерний струм в базі розгалужуються на дві частини, то можна записати, що

I_Е=I_К+I_Б. (2.4)

Часто замість коефіцієнта a використовують коефіцієнт b, який показує у скільки разів струм колектора більший від струму бази:

b=I_К/I_Б=aI_E/(I_Е- I_К)=aI_E/(1 - a)I_Е=a/(1 - a). (2.5)

Значення коефіцієнта b для промислових взірців транзисторів лежить в межах 50...300. Його називають статичним коефіцієнтом підсилення струму бази транзистора.

Якщо ж пряму напругу емітерного переходу збільшувати, то відповідно зростатиме колекторний струм, тобто пряма напруга емітерного переходу при нормальному активному режимі роботи транзистора керує струмом колектора. Власне на цьому ефекті базується підсилення електричних коливань з допомогою транзисторів.

При прикладенні до обох переходів транзистора зворотної напруги (режим відтину) через виводи транзистора протікатимуть лише незначні зворотні струми pn - переходів, близькі до нуля. Транзистор в цьому випадку рахується закритим.

При прикладенні до обох переходів прямих напруг наступає режим насичення, в якому виникне процес інжекції електронів з колектора в базу, який буде спрямований назустіч потоку електронів, що рухаються з емітера. В результаті сумарний струм колектора понизиться, а струм бази навпаки - зросте.

Схеми вмикання. В практичних схемах біполярний транзистор розглядають як чотириполюсник - прилад з двома вхідними та двома вихідними затискачами. В зв’язку з цим один з виводів транзистора приймають спільним для вхідного та вихідного кіл. В результаті отримують три схеми вмикання транзистора: з спільною базою, з спільним емітером та з спільним колектором (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Схеми вмикання біполярних транзисторів типу npn

(а - з спільною базою: б - з спільним емітером; в - з спільним колектором)

Статичні вольт-амперні характеристики. Із викладеного вище випливає, що зовнішні струми біполярного транзистора взаємозв'язані співвідношенням (2.4), а напруги між зовнішніми виводами, як бачимо з рис. 2.2, задовільняють умову:

U_КЕ=U_БЕ+U_КБ (2.6)

Розглядаючи біполярний транзистор як триполюсник, можемо стверджувати, що режим роботи транзистора повністю визначають дві будь-які напруги між його зовнішними виводами та два будь-яких струми, що течуть через його зовнішні виводи. Звідси висновок: статичні ВАХ транзистора мають описувати взаємозв'язок між двома довільними напругами між його зовнішними виводами та двома довільними струмами через його зовнішні виводи.

Із трьох зовнішніх напруг U_КЕ, U_БЕ, U_КБ та трьох зовнішних струмів I_Е, I_К, I_Бможна вибрати такі три пари:

а) для напруг: (U_БЕ,U_КЕ); (U_БЕ,U_КБ); (U_КБ,U_КЕ);

б) для струмів: (I_Е,I_К); (I_Б,I_К); (I_Б,I_Е).

Отже, оскільки для кожної пари напруг можна вибрати три різні пари струмів, то існує 9 можливих варіантів статичних ВАХ біполярних транзисторів. Звичайно у довідковій літературі подають такі варіанти ВАХ, які найзручніше отримувати експериментально. Такими ВАХ є ті, що описують взаємозв'язок між парою напруг (U_БЕ,U_КЕ) та парою струмів (I_Б,I_К). Їх часто називають характеристиками транзистора для схеми з спільним емітером, ос-кільки при експериментальному знятті ВАХ використовують схему, де емітер є спільним для базового та колекторного кіл (рис. 2.4, б).

Графічно ВАХ подають у вигляді двох сімей характеристик, типовий вигляд яких для транзистора типу npn зображено на рис. 2.5. Характеристики, зображені на рис. 2.5,а, називають вхідними, а зображені на рис. 2.5,б - вихідними, оскільки вхідну керуючу напругу прикладають між базою та емітером, а колекторний струм є вихідним струмом транзистора.

Кожна вхідна статична ВАХ транзистора відображає залежність вхідного (базового) струму І_Б від вхідної напруги U_БЕ при деякому фіксованому значенні напруги U_КЕ, тобто І_Б=f_вх(U_БЕ) при U_КЕ=const. При збільшенні напруги колектора U_КЕ вхідні характе-ристики зміщуються вправо внаслідок того, що зміщений у зворотному напрямі колекторний перехід розширюється, а базова область звужується і кількість носіїв зарядів, що рекомбінують в базі, та відповідно струм бази зменшуються. Проте вплив напруги U_КЕ на струм І_Б є незначним, тому вхідні характеристики розміщені на графіку дуже щільно, особливо при великих колекторних напругах. Тому ці характеристики часто подають в довідниках у вигляді лише однієї усередненої характеристики.

Кожна вихідна ВАХ транзистора відображає залежність вихідного (колекторного) струму І_К від напруги U_КЕпри деякому фіксованому значенні базового струму І_Б, тобто І_К=f_вих(U_КЕ) при І_Б=const. В загальному характер цих залежностей аналогічний характеру зворотної гілки ВАХ діода, так як більша частина напруги U_КЕ подає на колекторному переході і зміщує його у зворотно-му нарямі. Однак їх хід суттєво залежить від базового струму та від колекторної напруги. При збільшенні струму І_Бвихідні характеристики зміщуються вверх, а при фіксованому значенні базового струму колекторний струм І_К із збільшенням напруги U_КЕдещо зростає, що випливає із описаного раніше принципу дії транзистора. При великих напругах U_КЕ наступає пробиття транзистора, який спричинює різке зростання колекторного струму.

Рис. 2.5.Статичны вольтамперны характеристики быполярного транзистора типу npn з спільним емітером: а - вхідні; б - вихідні

Зауважимо, що ВАХ транзистора також суттєво залежать від температури: із збільшенням температури характеристики транзистора зміщуються вліво і вверх, що еквівалентно збільшенню струмів транзистора.

Еквівалентні схеми (моделі). При аналізі електронних кіл, в першу чергу з використанням ЕОМ, біполярні транзистори представляють еквівалентними схемами, які часто називають моделями. Найпопулярнішою є модель Еберса-Молла, яка з деякими спрощеннями зображена на рис. 2.6 для транзистора типу npn в нормальному активному режимі роботи. У випадку транзистора типу pnp в моделі необхідно поміняти полярності вмикання діодів та змінити напрями струмів і напруг на протилежні.

В цій еквівалентній схемі діодами VD_Е та VD_К відображають відповідно емітерний та колекторний переходи. Кероване джерело струму J=a×i_DE моделює процес передавання струму з емітера в колектор. Ємності C_ЕБта С_БК - це бар’єрні ємності емітерного та колекторного переходів, а С_DE та С_DK - їх дифузійні ємності. Опором R_Б відображають опір базової області транзистора.

Розрахунок значень параметрів елементів моделі проводиться за відповідними формулами, які наводяться у довідковій літературі та у підручниках. В загальному випадку всі елементи еквівалентної схеми в тому числі і коефіцієнт a є нелінійними, тобто залежними від прикладених напруг та протікаючих струмів. При роботі транзисторних схем на постійному струмі в цій еквівалентній схемі відпадає потреба враховувати бар’єрні та дифузійні ємності емітерного та колекторного переходів.

Рис. 2.6. Еквівалентна схема біполярного транзистора типу npn

При аналізі електронних схем в режимі слабких сигналів (лінійні підсилювачі, лінійні фільтри, тощо) використовують лінеаризовані малосигнальні еквівалентні схеми біполярних транзисторів, які пов'язують малі відхилення струмів та напруг відносно їх значень в робочій точці. Це означає, що у вищерозглянутій еквівалентній схемі транзистора всі нелінійні елементи замінюють лінійними, значення параметрів яких дорівнюють значенням диференціальних параметрів, визначеним в робочій точці. Так, діоди VD_Е та VD_К замінють диференціальними опорами r_ЕБ та r_КБ, бар'єрні та дифузійні ємності переходів - диференціальними ємностями С_Е та С_К, які в сумі відповідають диференціальним бар'єрним та дифузійним ємностям емітерного та колекторного переходів. Статичний коефіцієнт передавання струму a представляють диференціальним коефіцієнтом передавання емітерного струму, який на малосигнальних еквівалентних схемах позначають h_21Б. В результаті малосигнальна еквівалентна схема біполярного транзистора набирає вигляду, зображеного на рис. 2.7.

Наявність ємностей С_Е та С_К в цій еквівалентній схемі дозволяє відобразити частотні властивості транзистора, які проявляються в діапазоні високих частот (сотні кГц і вище). Орієнтовні значення параметрів елементів малосигнальної еквівалентної схеми наступні:

r_Б та r_ЕБ - десятки Ом ¸ одиниці кОм;

r_КБ - десятки ¸ сотні кОм;

h_21Б = 0,95 ¸ 0,995;

С_Е - сотні ¸ тисячі пФ;

С_К - одиниці ¸ сотні пФ.

Рис. 2.7. Малосигнальна еквівалентна схема біполярного транзистора

В діапазоні низьких частот впливом ємностей переходів можна знехтувати, і в такому випадку малосигнальні параметри можна безпосередньо визначати на підставі ВАХ транзистора. Розглянемо це на прикладі ВАХ біполярного транзистора з спільним емітером.

Вхідні ВАХ транзистора відображають функціональну залежність I_Б=f _вх(U_БЕ,U_КЕ). Для малих приростів струмів та напруг в робочій точці, використовуючи розклад в ряд Тейлора, можна записати:

DI_Б = (¶I_Б/¶U_Б_E)DU_Б_E + (¶I_Б/¶U_KE)DU_KE +... (2.7)

Якщо знехтувати частинними похідними вище від першої, то вхідну статичну ВАХ для малих змін струму і напруги поблизу робочої точки можна рахувати лінійною.

Коефіцієнти розкладу (¶I_Б/¶U_Б_E) та (¶I_Б/¶U_KE) мають розмірність провідностей. Із рівняння (2.7) параметр (¶I_Б/¶U_Б_E)» DI_Б/DU_Б_E при DU_KE = 0, або U_KE=cоnst. Його фізичний зміст - вхідна провідність транзистора з спільним емітером для малих приростів струму I_Б та напруги U_Б_E. Позначимо його g_ББ. Спосіб визначення цього параметра по ВАХ в деякій заданій робочій точці А подано на рис. 2.8,а.

Рис. 2.8. Визначення низькочастотних малосигнальних параметрів транзистора по вхідних ВАХ

Параметр (¶I_Б/¶U_KE)» DI_Б/DU_К_E при DU_Б_E = 0, або при U_Б_E = =const. Фізичний зміст цього параметра - зворотна прохідна провідність транзистора для малих приростів струму I_Б та напруги U_К_E. Спосіб визначення цього параметра по ВАХ в деякій заданій робочій точці А подано на рис. 2.8,б. Тут DU_К_E=U_К_E₂-U_К_E₁. Позначимо цей параметр g_БК. Оскільки при DU_К_E >0 приріст струму DI_Б<0, то g_БК<0.

Вихідні ВАХ транзистора відображають функціональну залежність I_К = f _вих(I_Б,U_КЕ). Для малих приростів струмів та напруг, використовуючи розклад в ряд Тейлора, можна також записати:

DI_К = (¶I_К/¶I_Б)DI_Б+ (¶I_К/¶U_KE)DU_KE +... (2.8)

Якщо знехтувати частинними похідними вище від першої, то вихідну статичну ВАХ для малих змін струму і напруги поблизу робочої точки можна також рахувати лінійною.

Із рівняння (2.8) параметр (¶I_К/¶I_Б)» DI_К/DI_Б при DU_KE = 0, або U_KE=cоnst. Він є безрозмірний. Його фізичний зміст - малосигнальний коефіцієнт передавання (підсилення) струму з бази в колектор транзистора з спільним емітером, який позначимо як b_диф (в довідниках його позначають як h_21Е). Спосіб визначення цього параметра по ВАХ в деякій заданій робочій точці А подано на рис. 2.9,а.

Рис. 2.9. Визначення низькочастотних малосигнальних параметрів

транзистора по вихідних ВАХ

Параметр (¶I_К/¶U_KE)» DI_К/DU_К_E при DI_Б = 0, або при I_Б = =const. Фізичний зміст цього параметра - вихідна провідність транзистора для малих приростів струму I_К та напруги U_К_E. Спосіб визначення цього параметра по ВАХ в деякій заданій робочій точці А подано на рис.9,б. Позначимо його g_КК.

Отже, з урахуванням прийнятих позначень рівняння (2.7) та (2.8) можемо записати:

DI_Б = g_ББDU_Б_E + g_БКDU_KE; (2.9)

DI_К= b_дифDI_Б + g_ККDU_KE. (2.10)

Лінеаризовані двополюсники доцільно описувати рівняннями, в яких усі лінеаризовані параметри є провідностями. У випадку транзистора ці рівняння матимуть вигляд:

DI_Б = g_ББDU_Б_E + g_БКDU_KE; (2.11)

DI_К= b_дифg_ББDU_Б_E + g_ККDU_KE, (2.12)

або

DI_Б = g_ББDU_Б_E + g_БКDU_KE; (2.13)

DI_К= g_КБDU_Б_E + g_ККDU_KE. (2.14)

де g_КБ= b_дифg_ББ.

Крім рівнянь (2.13), (2.14) з так званими g-параметрами малосигнальний режим біполярного транзистора часто описують ще рівнянями з так званими h-параметрами, які також можна визначати подібним способом по статичних ВАХ або розрахувати на підставі g-параметрів за формулами:

h_ББ=1/g_ББ; (2.15)

h_Б_K=- g_Б_K/g_ББ; (2.16)

h_K_Б= g_K_Б/g_ББ; (2.17)

h_БК= |g|/g_ББ, (2.18)

де |g|=g_ББ×g_КК- g_БК×g_КБ.

Зауважимо, що h-параметри біполярних транзисторів часто подаються в довідниках з напівпровідникових приладів.