2018-02-14
622
Кафедра радиоэлектроники и информационно-измерительной техники
“Исследование биполярного транзистора”
по курсу
“Электронные приборы”
Методические указания к лабораторной работе 206
Казань-2011.
УДК 621.382.3.01 (076.5)
Методические указания к лабораторной работе “Исследование биполярного транзистора” по курсу “Электроника” /КГТУ; Составители: Л. М. Урманчеев, М.И. Нургалиев, Н.Б.Куншина. Казань: 2011. 21 с.
Цель работы - ознакомится с принципом действия, характеристиками и параметрами биполярного транзистора в статическом и нагруженном режиме.
1. Принцип действия транзистора.
Транзисторами называют полупроводниковые приборы, которые способны усиливать электрическую мощность.
В основе работы биполярных транзисторов лежит инжекция неосновных носителей заряда. Термин «биполярный» призван подчеркнуть роль обоих типов носителей заряда (электронов и дырок) в работе транзистора: инжекция неосновных носителей сопровождается компенсацией их заряда основными носителями.
Биполярный транзистор представляет собой совокупность двух встречно включенных взаимодействующих p-n -переходов. Взаимодействие p-n -переходов обеспечивается тем, что они расположены близко друг к другу – значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда в базе. Транзисторы бывают двух типов: n-p-n и p-n-p в зависимости от порядка чередования слоев с разным типом проводимости (рис.1)
 |
Рис.1. Структура и условные обозначения биполярных транзисторов.
Одна из крайних областей называется эмиттером, другая – коллектором, промежуточную область называют базой. Эмиттер предназначен для инжекции носителей в базу, это наиболее сильно легированная область. Назначение коллектора – экстракция инжектированных носителей из базы. Электронно-дырочный переход (p-n-переход) между эмиттером и базой называется эмиттерным, между коллектором и базой – коллекторным. В реальном транзисторе площадь коллектора больше, чем эмиттера, и транзистор, кроме активной области, ограниченной площадью сечения эмиттера, имеет также пассивные области. Структуры на рис.1 отображают лишь активную область транзистора.
Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие лишь в том, что в p-n-p – транзисторе ток через базу переносится дырками, инжектированными из эмиттера, а в транзисторе типа n-p-n – электронами.
Режимы работы.
Возможны три режима работы биполярного транзистора:
1.Активный режим, когда один из переходов смещен в прямом направлении, а другой – в обратном. В этом режиме транзистор обладает усилительными свойствами. При этом возможны два варианта:
– Нормальное включение – на эмиттерный переход подается прямое напряжение, на коллекторный – обратное.
– Инверсное включение – когда на эмиттерный переход подано обратное напряжение, на коллекторный – прямое. Передача тока при этом значительно хуже, чем при нормальном включении, во-первых, из-за того, что коллектор легирован слабее, во-вторых, размеры эмиттера меньше, чем коллектора, и только часть зарядов попадает в эмиттер.
2.Режим насыщения (двойной инжекции) – на обоих переходах действует прямое напряжение. При этом и эмиттер, и коллектор инжектируют носители в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из них собирает носители, дошедшие от другого перехода.
3.Режим отсечки – когда оба перехода смещены в обратном направлении, транзистор заперт.
При нормальном включении транзистора из эмиттера в базу инжектируются неосновные носители, и большая их часть, диффундируя сквозь базу, достигают коллекторного перехода, не успев рекомбинировать с основными носителями благодаря малой толщине базы. Коллекторный переход открыт для дырок, инжектированных в базу, и они беспрепятственно проходят в коллектор. Таким образом, при нормальном включении коллектор собирает поступившие в базу неосновные носители заряда. Небольшая часть инжектированных носителей рекомбинируют в базе с основными носителями, в результате в цепи базы возникает ток IБ, компенсирующий убыль основных носителей за счет рекомбинации, а также за счет небольшой инжекции из базы в эмиттер.
На основании закона Кирхгофа для токов в цепях электродов транзистора можно записать
IЭ =IК+IБ (1)
Коллекторный ток IК пропорционален величине эмиттерного тока IЭ:
IК = α IЭ+ IКБО , (2)
где α – коэффициент передачи тока эмиттера, величина которого чуть меньше, но близка к единице.
В цепи коллектора протекает также собственный обратный ток коллектора IКБО. Следует отметить, что ток I KБО представляет собой выходной ток при разомкнутой цепи входного электрода (I Э= 0, режим х.х. на входе) в схеме с ОБ.
Схемы включения.
 |
В зависимости от того, какой электрод соединен с общей шиной возможны три способа включения транзистора – с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) (рис.2)
2. Статические характеристики транзистора.
Характеристики транзисторов определяют соотношения между токами, проходящими в цепях транзистора, и напряжениями на его электродах.
Для транзистора за независимые переменные удобно принять входной ток и напряжение на выходном электроде, а за функции – выходной ток и напряжение на входном электроде. Зависимые переменные рассматриваются как функции одной независимой переменной при фиксированном значении другой независимой переменной, которая является параметром характеристики. Таким образом, используются четыре семейства статических характеристик:
1) входные I ВХ = f(U ВХ ), при U ВЫХ = const;
2) передачи по току I ВЫХ = f(I ВХ ), при U ВЫХ = const;
3) выходные I ВЫХ = f(U ВЫХ ) при I ВХ = const;
4) обратной связью по напряжению U ВХ = f(U ВЫХ ),при I ВХ = const.
Указанные выше характеристики зависят от схемы включения транзистора с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК) (Рис.2).
Наиболее важными характеристиками, необходимыми для графического расчета режима работы транзистора, являются выходные и входные характеристики. Рассмотрим эти характеристики для p-n-p – транзистора.
