Методика графического определения H–параметров транзистора

Российский государственный социальный университет

Кафедра информационной безопасности и программной инженерии

 

Мальцев

УЧЕБНОЕ МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

по выполнению лабораторной работы

по учебной дисциплине

"Основы электроники"

 

Тема:

Исследование биполярного транзистора

 

 

Москва

Краткие теоретические сведения

Принцип работы, характеристики и

Параметры транзистора

Транзистор - это 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.1.1). 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.1.1.

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.1.2).

Рис. 1.2.

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.1.2, коллекторная цепь транзистора подключается к источнику э.д.с.-Е_кб т.е. КП смещен в обратном направлении. В коллекторном переходе напряженность поля под действием Е_кб 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.1.2). 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:

I_э = I_э(n) + I_э(p) ≈ I_э(p) (1)

Особенность транзистора состоит, в том, что концентрация дырок в эмиттере намного больше концентрации электронов в базе. Поэтому дырочная составляющая тока эмиттера значительно больше электронной (1). 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 очень мала (несколько микрометров), доля рекомбинированных дырок незначительна. Вблизи коллекторного перехода дырки оказываются под действием электрического поля, обратновключенного 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:

I_э = I_к + I_б (2)

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

I_к = I_э(p) – I_б +I_ко =α I_э + I_ко, (3)

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

Отсюда ток базы равен:

I_б = I_э - I_к= (1 – α) I_э - I_ко (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. 1.3).

Рис.1.3.

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:

U_эб =¦₁(I_э), при U_кб=const

(5)

I_к =¦₂(U_кб), при I_э=const

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.1.4 а, б.

Рис.1.4.

Входной характеристикой для схемы с ОБ является зависимость напряжения U_эб от входного тока I_э при фиксированном U_кб (рис.1.4а). 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.1.4б) выражает зависимость тока коллектора I_к =f₂(U_кб) при заданных входных токах I_э. Как видно из рис.1.4б 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.

Рис. 1.5.

Для снятия статических характеристик транзистора с ОБ используется измерительная схема (рис.1.5). Эмиттер питается от регулируемого источника тока Iэ (отрицательной полярности), а на коллектор напряжение подается от регулируемого источника напряжения U_к, причем напряжение должно регулироваться в диапазоне от –1В до +10В, т.к. падающая часть выходной характеристики (режим насыщения транзистора), заходит в область отрицательных коллекторных напряжений (рис.1.4б).

При анализе работы транзистора и расчетах усилительных схем используется система параметров малого сигнала. Наиболее употребительна система h–параметров, связывающая малые приращения (дифференциалы) напряжения на входе транзистора dU₁ и выходного тока dI₂c малым приращением входного тока dI₁ и выходного напряжения dU₂ транзистора: dU₁=h₁₁dI₁ + h₁₂dU₂,

(6)

dI₂=h₂₁dI₁ + h₂₂dU₂.

Указанные h-параметры, входящие коэффициентами, в уравнения (6) имеют следующий физический смысл:

h_11б = dU₁/dI₁» DU_эб/DI_э, при U_кб= const (7)

дифференциальное входное сопротивление транзистора (индекс Б означает, что h–параметр определен в схеме включения транзистора с ОБ). При токе эмиттера порядка 1мА входное дифференциальное сопротивление h_11б по порядку величины составляет десятки Ом:

h_12б = dU₁/dU₂/ » DU_эб /DU_кб, при I_э= const (8)

коэффициент обратной связи по напряжению, имеет величину порядка 10 ^{- 5} и, в большинстве случаев, при расчетах этим коэффициентом из-за его малости пренебрегают:

h_21б = dI₂ /dI_1/» D I_к/D I_э, при U_кб= const (9)

коэффициент передачи тока эмиттера, основной усилительный параметр транзистора. В технической литературе этот параметр часто обознача­ется как a. Значение a всегда меньше единицы (a<1) и имеет порядок величины 0.9¸0.995. Чем ближе a к единице, тем лучше усилительные свойства транзистора:

h_22б = dI₂ /dU₂» D I_к/DU_кб, при I_э= const (10)

выходная проводимость транзистора, в схеме с ОБ имеет величину порядка 10^-5 ¸ 10^{-7 См (1сименс – единица проводимости).}

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.1.6).

Рис.1.6.

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

h_21э=b = D I_к /D I_б, U_кэ= const (11)

Параметр b связан с коэффициентом передачи тока эмиттера соотношением

b = a/(1- a) (12)

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

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

h _11э = DU_бэ /D I_б, U_кэ=const (13)

и выходная дифференциальная проводимость

h_22э = D I_к /DU_кэ, I_б= const (14)

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.1.6).

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.6 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 считывается зависимость I_к =¦₂(U_кэ)при заданном токе I_б ( рис.1.6в). 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.

Рис. 1.7

На рис.1.7 приведена принципиальная схема стенда для снятия вольт-амперных характеристик транзистора, включенного с ОЭ. Входная цепь (цепь базы) питается от регулируемого источника тока I положительной полярности, которой поддерживает заданной ток базы. Величина тока базы I_б измеряется миллиамперметром РА1. Напряжение между эмиттером и базой U_бэ измеряется внешним вольтметром. Напряжение на коллекторе устанавливается от регулируемого источника напряжения Е_к. Напряжение коллектора U_кэ измеряется с помощью внешнего вольтметра. Для измерения коллекторного тока I_к служит миллиамперметр РА2.

При работе транзистора с коллекторной нагрузкой R_к связь между коллекторным током I_к и напряжением на коллекторе U_к выражается уравнением нагрузочной характеристики: I_к=(Е_к - U_к)/R_к (15)

Нагрузочная характеристика представляет прямую на семействе коллекторных характеристик транзистора (см. рис.7.в), пересекающуюся с осями координат Е_к/ R_к и Е_к соответственно.

Экспериментально нагрузочную характеристику можно снять посредством регулировки тока базы I_б.

Методика графического определения H–параметров транзистора

Располагая вольт–амперными характеристиками транзистора, можно графическим путем определить низкочастотные значения h-параметров. Для определения h-параметры необходимо задать рабочую точку, например А (I_бА, U_кэА), в которой требуется найти параметры.

Параметры h_11э и h_12э находят по входной характеристики U_бэ =¦₁(I_б)|_Uкэ=const.

Определим h_11э для заданной рабочей точки А (I_бА, U_кэА). На входной характеристике находим точку А, соответствующую заданной рабочей точке (рис.1.8). Выбираем вблизи рабочей точки А две вспомогательные точки А₁ и А₂ (приблизительно на одинаковом расстоянии), определим по ними DU_бэ и DI_б и рассчитаем входное дифференциальное сопротивление, по формуле:

h_11э=(DU_бэ /DI_б)|_Uкэ=const.

Приращения DU_бэ и DI_б выбирают так, чтобы не выходить за пределы линейного участка, их можно примерно принять за (10-20)% от значений рабочей точки.

Графическое определение параметра h_12э = DU_бэ /DU_кэ затруднено, так как семейство входных характеристик при различных DU_кэ>0 практически сливается в одну (рис.1.8.).

Рис. 1.8

Параметры h_22э и h_21э определяются из семейства выходных характеристик транзистора I_к=¦₁ (U_кэ) (рис.1.9).

Рис. 1.9

Параметр h_21э= (DI_к /DI_б) |_Uкэ=const находится в заданной рабочей точке А (I_бА, U_кэА). Для нахождения приращений выбирают две вспомогательные точки А₁ и А₂ вблизи рабочей точки А при постоянном U_кэ =U_кэ0. Приращение тока базы DI_б следует брать, как DI_б=I_б2 – I_б1, где I_б2 и I_б1 определены как токи базы в точках А₂ и А₁. Этому приращению DI_б соответствует приращение коллекторного тока DI_к = I_к2 – I_к1, где I_к2 и I_к1.определены в точках точках А₂ и А₁. Тогда дифференциальный коэффициент передачи тока базы рассчитаем по формуле h_21э= (DI_к /DI_б))|_Uкэ=const.

Параметр h_22э=(DI_к/DU_кэ)½_Iб=const определяется по наклону выходной характеристики (рис.1.9) в заданной рабочей точке А (I_бА, U_кэА), при постоянном токе базы I_б. Для нахождения приращений выбирают две вспомогательные точки точки А^*₁ и А^*₂. Для этих точек определяют DU^*_кэ|_{Iб = IбА} =U_к2 – U_к1 – приращение коллекторного напряжения, и приращение коллекторного тока DI^*_к= I^*_к2 – I^*_к1. При этом из семейства выходных характеристик следует выбирать ту характеристику, которая снята при выбранном значение тока базы I_б=I_бА.

Если рабочая точка не совпадает ни с одной траекторией приведенной на графике, то такую траекторию надо провести самостоятельно, между и по аналогии с соседними значения тока базы которых известно, и присвоить ей свое значение тока базы равное I_бА.

 

2. Цели и учебные вопросы лабораторной работы:

Цели лабораторной 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.