Основные теоретические положения

Биполярный транзистор представляет собой систему двух взаимодействующих р - n -переходов. В биполярном транзисторе физические процессы определяются носителями зарядов обоих знаков – основными и неосновными, что отражено в названии транзистора. В зависимости от чередования р - и n -областей различают биполярные транзисторы n-p-n структуры и p-n-p структуры.

Одна из крайних областей имеет более высокую степень легирования и меньшую площадь. Её называют эмиттером. Другую крайнюю область называют коллектором. Среднюю область транзистора называют базой. Переход, образованный эмиттером и базой, называют эмиттерным переходом, а переход, образованный коллектором и базой, – коллекторным переходом.

Рассмотрим принцип действия

транзистора n-p-n структуры.

Пусть эмиттерный переход транзистора
смещён в прямом направлении, а коллекторный – в обратном (рисунок 7). Поскольку эмиттер легирован намного сильнее базы, то при прямом смещении эмиттерного перехода будет происходить инжекция электронов из эмиттера в базу. Под воздействием градиента концентрации инжектированные электроны будут двигаться по направлению к коллектору. Часть электронов рекомбинирует в базе и образует ток базы I _Б. Но поскольку база тонкая, то основная часть электронов дойдет до коллекторного перехода, будет захвачена ускоряющим полем перехода и переброшена в коллектор, создавая ток коллектора.

Полный ток коллектора I _К складывается из тока электронов, дошедших до коллектора, и обратного тока коллекторного перехода I _КБО, не зависящего от тока эмиттера

I _К= α I _Э+ I _КБО,

где α – статический коэффициент передачи тока эмиттера.

Транзистор, имеющий входную и выходную цепи, можно рассматривать как четырехполюсник. Так как у транзистора всего три вывода, то один из выводов

неизбежно должен быть общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора:

· с общей базой (ОБ);

· с общим эмиттером (ОЭ);

· с общим коллектором (ОК).

Наибольшее распространение в схемотехнике получила схема ОЭ.

Как любой четырехполюсник (рисунок 8) транзистор характеризуется следующими формальными параметрами.

Входное сопротивление – h ₁₁ = ∆ U _БЭ/∆ I _Б.

Выходное сопротивление – 1/ h ₂₂ = ∆ U _КЭ/∆ I _К.

Коэффициент передачи по току – h ₂₁ = ∆ I _R/∆ I _Б, h ₂₁ = B.

Коэффициент внутренней обратной связи – h ₁₂ = ∆ U _БЭ/∆ U _КЭ.

Основными статическими вольт-амперными характеристиками биполярного транзистора являются входные и выходные характеристики.

Под входными характеристиками понимают зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении, являющимся параметром. Под выходными характеристиками понимают зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе, являющимся параметром. Характеристики, снятые при разных значениях параметра, образуют семейство характеристик.

Рассмотрим статические вольт-амперные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Входная характеристика представляет собой зависимость тока базы I _Б от напряжения база-эмиттер U _БЭ при фиксированном напряжении коллектор-эмиттер U _КЭ:

I _Б = f (U _БЭ); U _КЭ = const,

а выходная характеристика – зависимость тока коллектора I _К от напряжения коллектор-эмиттер U _КЭ при фиксированном токе базы I _Б:

I _К = f (U _КЭ); I _Б = const.

Рассмотрим входные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (рисунок 9). Пусть U _КЭ= 0. При этом оба перехода смещены в прямом направлении. Транзистор работает в режиме насыщения. Электроны переходят в базу как из эмиттера, так и из коллектора. В этом режиме при заданном
15

напряжении база-эмиттер ток базы будет максимальным.

При U _КЭ> U _БЭ (например, при U _КЭ= 1 В) транзистор переходит в нормальный активный режим.

0,8

Поскольку при U _КЭ> 1 В входные характеристики транзистора
в схеме с общим эмиттером слабо зависят от напряжения коллектор-эмиттер, то в справочниках обычно приводят две характеристики: одну при U _КЭ= 0, а вторую – при U _КЭ> 1 В (для транзисторов малой мощности принято U _КЭ = 5 В).

При увеличении температуры входные вольт-амперные характеристики будут смещаться влево с температурным коэффициентом напряжения
ТКН ≈ – 2 мВ/⁰С.

Найдем связь тока коллектора с током базы в нормальном активном режиме

I _К= α I _Э+ I _КБО.

Но I _Э= I _К+ I _Б. Тогда

I _К= α I _К+ α I _Б + I _КБО.

Разрешим полученное уравнение относительно тока коллектора

Величину называют статическим коэффициентом передачи тока базы.

Если α = 0,99, то В = 99.

Таким образом, в схеме с общим эмиттером коэффициент передачи по току
В >> 1, в отличие от схемы с общей базой, в которой коэффициент передачи по току α < 1.

С учетом введенного обозначения получим

I _К= ВI _Б+ (В + 1) I _КБО.

При токе базы I _Б= 0 в цепи коллектора протекает обратный ток коллектор-эмиттер, называемый сквозным

I _КЭ0= (В + 1) I _КБО.

Для транзисторов на основе кремния ток I _КЭ0<< I _К.

Поэтомукоэффициент передачи тока базы обычно определяют на основе соотношения

В = I _К/ I _Б.

Рассмотрим выходные вольт-амперные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (рисунок 10).

В активном режиме с ростом напряжения коллектор-эмиттер ток коллектора

возрастает, что обусловлено эффектом модуляции толщины базы.

В схеме с общим эмиттером выходные характеристики сильно зависят от температуры, смещаясь с ростом температуры вверх, что объясняется увеличением коэффициента В.

5. Проведение измерений

Подготовка к работе

Вызвать пакет анализа электронных схем Electronics Workbench (EWB) двойным щелчком по ярлыку . Открывается окно EWB, содержащее ряд кнопок для выбора компонент схем и наборное поле, на котором размещается схема.

Собрать схему согласно рисунку 11. Выбрать транзистор согласно варианту из таблицы 5.

На схеме I – источник постоянного тока для задания тока базы, вольтметр М1 включен для измерения напряжения U _БЭ транзистора. V 1 – источник напряжения питания коллекторной цепи транзистора (V 1 = Е _К), амперметр М2 измеряет ток коллекторной цепи транзистора.

R _Э = 1 Ом.

Измерительные приборы находятся в группе «Indicators».

Установить значение тока источника I равным 1мкА, напряжение V 1 равным 5В. Включить режим моделирования и убедиться, что схема работает, т.е. появились напряжение на базе и ток коллектора (М2).

5.2 Проведение измерений

5.2.1 Семейство входных характеристик

- Снять входную характеристику транзистора I _Б= ƒ(U _БЭ) т.е. зависимость тока базы от напряжения база–эмиттер при U _КЭ= 5 В.

При снятии входных характеристик удобнее задавать значения тока базы с помощью генератора тока I и измерять напряжение между базой и эмиттером вольтметром М1. Рекомендуемый ряд значений тока приведен в таблице 6, строка I _Б.

По результатам измерений заполнить таблицу 6.

- Снять входную характеристику при напряжении U _КЭ = 0.

Для получения значения напряжения U _КЭ= 0 отключить прибор М2 от источника Е _К и присоединить его к общей шине (можно установить напряжение V 1 равным нулю).

Провести измерение и ввести данные в таблицу 6.

Установить напряжение V 1 = 5B. Температуру окружающей среды t = 57ºС.

Снять одну входную характеристику I _Б= ƒ(U _БЭ)|_t_{= 57}.

Установить прежнее значение температуры 27 degrees C.

Табл. 6. Результаты измерений.

tºС		I _Б(мкА)	1	2	5	10	20	40	60	80	100	120
27	U _К= 5В	U _БЭ(мВ)
27	U _К= 0В	U _БЭ(мВ)
57	U _К= 5В	U _БЭ(мВ)

5.2.2 Семейство выходных (коллекторных) характеристик

- Снять семейство выходных (коллекторных) характеристик
I _К= ƒ (U _КЭ) при I _Б= Const (ток I _К измеряется миллиамперметром М2, напряжение U _КЭустанавливается источником V 1).

Характеристика снимается следующим образом. Устанавливается ток базы например, I _Б= 10мкА. Напряжение U _КЭ (Е _К) изменяется от нуля до 20В как рекомендовано в таблице 7.

Табл. 7. Результаты измерений пункта 5.2.2.

tºС

U _КЭ(В)

0.2

0,5

I _Б= 10 μA

I _К

I _Б= 20 μA