Исследование биполярного транзистора, включенного с общей базой

Цель работы — снятие и анализ входных и выход­ных характеристик транзистора, включенного с ОБ; опре­деление по ним h-параметров (рисунок1).

Пояснения. Биполярные транзисторы являются наи­более универсальными и распространенными полупроводниковыми приборами, предназначенными для усиле­ния и генерирования электрических колебаний, и имеют трехслойную р-n-р- или n-р-n-структуру (рисунок 19). Каждый слой имеет вывод, название которого совпадает с названием слоя или области транзистора. Среднюю область транзистора называют базой, а крайние — эмит­тером и коллектором. Эти транзисторы получили назва­ние биполярных потому, что перенос тока в них осу­ществляется носителями заряда двух типов: электронами и дырками.

Рисунок – 18 Функциональная схема с общей базой. Рисунок – 19 Структурная схема транзистора.

Биполярный транзистор имеет два p-n-перехода — эмиттерный П1 и коллекторный П2 — и два запирающих слоя с контактными разностями потенциалов UK1 и UK2, обусловливающих напряженности ЕK1 и EK2 электрических полей в них. Ширина переходов I01и I02 ширина базовой области IБ.

В зависимости от выполняемых в схеме функций транзистор может работать в трех режимах.

В активном режиме транзистор работает в усилителях, когда требуется усиление электрических сигналов с минимальным искажением из формы. При этом на эмиттерный переход подают внешнее напряжение в прямом направлений, а на коллекторный – в обратном (рисунок 20).

Рисунок – 20 Схема транзистора.

Основные носители эмиттера под действием напряжения Uэб преодолевают эмиттерный переход, а им на встречу движутся основные носители базы, которых значительно меньше, поскольку концентрация примеси в базе мала. Часть дырок эмиттера рекомбинирует с элек­тронами базы вблизи перехода П1, а остальные инжектируются (впрыскиваются) в базовую область.

На пути к коллекторному переходу часть дырок эмиттера рекомбинирует с электронами базы (в реальных транзисторах от 0,1 до 0,001 количества носителей заря­ди, покинувших эмиттер). Остальные дырки достигают коллекторного перехода, на который подано обратное напряжение UКБ, и с ускорением перебрасываются в кол­лектор полем перехода П2.

Таким образом, ток Iэ основных носителей, покидаю­щих эмиттер, частично теряется в переходе П1 и базе на рекомбинацию, эти потери составляют ток базы IБ. Остальная его часть достигает коллектора, где рекомбинирует с электронами, поступающими в него из внешней цепи в виде тока iK. Уход дырок из эмиттера восполняет­ся генерацией пар электрон—дырка в эмиттерной области и отводом электронов во внешнюю цепь в виде токаIБ.Расход электронов базы на рекомбинацию компенси­руется их притоком в виде тока IБ.

Токи транзистора, работающего в активном режиме, связаны уравнением Iэ == Iк. + IБ, которое можно перепи­сать в приращениях: ΔIэ = ΔIк + Δ IБ.Таким образом, при появлении переменной составляющей входного тока транзистора (в рассматриваемом случае это ток эмитте­ра) появляется переменная составляющая выходного (коллекторного) тока. Если в цепь коллектора включить резистор, то падение напряжения Uвых на нем окажется значительно больше переменного напряжения UBX вход­ного сигнала, т. е. транзистор усиливает входной сигнал (рисунок 21,а).

В активном режиме транзистор управляется в любой момент процесса усиления, т.е. каждому изменению входного сигнала соответствует изменение входного.

В режиме насыщения (рисунок 21,в) на оба перехода транзистора подается прямое напряжение. При этом в базу инженируется потоки основных носителей эмиттера и коллектора и сопротивление промежутка коллектор – эмиттер транзистора резко уменьшается. Режим насыщения используют в тех случаях, когда необходимо уменьшить почти до нуля сопротивление цепи, в которую включен транзистор.

В режиме отсечки (рисунок 21,г) оба перехода транзистора закрыты, так как на них подаются обратные, напряжения. В этом режиме транзистор обладает большим сопротивлением. Обратные токи эмиттерного IЭбо и коллекторного IКБо переходов малы (особенно крем­ниевых транзисторов).

Рисунок – 21 Схема транзистора.

При включении биполярного транзистора в электри­ческую схему образуется две цепи: управляющая и уп­равляемая. В управляющей цепи действует входной сиг­нал, который обычно подают на эмиттер или базу. В уп­равляемой цепи (коллекторной или эмиттерной) форми­руется выходной сигнал, поступающий затем на вход следующего каскада или в нагрузку. Третий электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей.

Широко распространены три схемы включения тран­зисторов: с общей базой общим эмиттерами общим коллектором (рисунок 22). Для ра­счета транзисторных схем используют два семейст­ва вольт - амперных характеристик: входные и выход­ные.

Рисунок – 22 Схемы включения транзисторов с ОБ, ОЭ, ОК.

Входные характеристики транзистора показывают за­висимости тока входного электрода от напряжения меж­ду ним и общим электродом при постоянном напряже­нии на выходном электроде. Для схемы с общей базой (ОБ) это зависи­мость тока эмиттера от напряжения между ним и базой при постоянном напряжении на коллекторе: Iэ = (Uэб) при Uкб = const.

Выходные характеристики транзистора показывают зависимость тока выходного электрода от напряжения между ним и общим электродом. Снимают выходные характеристики для ряда постоянных токов входного электрода. Для схемы с ОБ это зависимости тока кол­лектора от напряжения между ним и базой при постоянных значениях тока эмиттера: Iк= (Uкб) при Iэ = const.

В режиме усиления малых сигналов, когда нелинейностью ВАХ можно пренебречь, транзистор, включенный с ОБ, эквивалентно представляют в виде линейного четырёхполюсника (рисунок 22), входные и выходные параметры которого связаны следующими уравнениями:

Δ Uэб = h11Б ΔIэ + h12БΔUкб;

ΔIк = h21БΔIэ + h22БΔUкб.

Рисунок – 23 Транзистор включенный с ОБ.

Физический смысл h -параметров транзистора состоит в следующем:

h11Б — входное сопротивление в режиме короткого замыкания на выходе;

h12Б — коэффициент внутренней обратной связи в режиме холостого хода на входе;

h21Б — коэффициент передачи тока в режиме корот­кого замыкания на выходе;

h22Б — выходная проводимость транзистора в режиме холостого хода на входе.

Рассчитывают h-параметры для схемы с ОБ по фор­мулам

h11Б=ΔUэб/ΔIэпри Uкб = const; (3)

h12Б =ΔUэб/ΔUкбпри Iэ= const; (4)

h21Б=ΔIк/ΔIэпри Uкб = const; (5)

h22Б =ΔIк/ΔUкбпри Iэ= const. (6)

Аналитический расчет h-параметров сложен и неточен. Намного проще их получают измерением или по ВАХ.

Для определения h12Б на входной характеристике, соответствующей среднему значению коллекторного на­пряжения, обозначают рабочую точку А (р. y) транзис­тора (рисунок 23), которая задается средними значения­ми входного тока Iэpyи входного напряженияUэбpy. Через рабочую точку А (р. y) проводят касательную и строят треугольник BCD. Затем, используя формулу (3), находят

H11Б=BD/CD= ΔUэб /ΔIэ

Для определения h12Б необходимо построить две вход­ные характеристики для двух значений напряжения на выходном электроде (рисунок 23). Через рабочую точку А (р. т) проводят линию Iэ = const, что соответствует холостому ходу на входе транзистора по переменному току. Точки пересечения характеристик и этой линии проецируют на ось Uэб и определяют ΔUэБ. Затем, ис­пользуют формулу (4), находят h12Б, приняв ΔUкб = Uкб2-Uкб1.

Для определения h21Б семейство выходных характе­ристик в области рабочей точки пересекают линией Uкб = const, что соответствует короткому замыканию по переменному току на выходе транзистора (рисунок 23). Затем по формуле (5) находят h21Б, графически опреде­лив Δ/к ивычисливΔIэ= Iэ2— Iэ1.

Для определения h22Б(рисунок 23) снимают выходную характеристику для тока эмиттера Iэpy в рабочей точке, о затем находят ΔIки ΔUкби по формуле (6) рассчитывают h22Б.

Рисунок – 23 Схема h параметров транзистора с ОБ.