Лабораторна робота №4.

Характеристики біполярного транзистора.

Мета роботи: За допомогою емулятора EWB-5.12 дослідити основні характеристики біполярного транзистора при включенні з загальною базою та загальним емітером.

Прилади: IBM сумісна ПЕОМ, пакет EWB-5.12.

Короткі теоретичні відомості

Біполярним транзистором називають напівпровідниковий прилад з трьома виводами, що має два електронно-діркових переходи, які утворені між трьома областями з різними типами провідності. Залежно від порядку чергування областей розрізняють транзистори p-n-p та n-p-n-типів.

Середня область називається базою (Б). Перехід, до якого прикладена пряма напруга, називають емітерним, а відповідну зовнішню область - емітером (Е). Інший перехід, зміщений у зворотному напрямку, називають колекторним, а відповідну зовнішню область - колектором (К).

Рис.1

При виготовленні транзистора методом вплавлення (рис.1), базою його служить пластинка германію або кремнію, наприклад n-типу, на яку з двох сторін наплавляють краплі акцепторної домішки, наприклад індію.

У прикордонних шарах між германієм та індієм утворюються p-області, що представляють емітер і колектор, відстань між якими (товщина бази) дуже маленька.

Крім того, концентрація атомів домішки в області бази повинна бути на багато разів нижчою, ніж в області емітера. Ця умова дуже важлива для роботи транзистора.

Більш досконалим є дифузійний метод виготовлення транзисторів, при якому в пластинці кремнію n-типу (рис.1б) за допомогою фотолітографії формують базову і емітерний області, колектором в такій npn-структурі служить вихідна пластинка кремнію n-типу.

Розглянемо принцип дії транзистора на прикладі pnp-структури. Між базою і емітером до транзистора прикладають пряму напругу U_бе, для якої емітерний перехід відкритий і, отже, під дією напруги в долі вольта через нього потече значний прямий струм емітера I_е.

Рис. 2

У транзисторах концентрація носіїв в базі набагато нижча, ніж в емітері, тому струм I_е створюється в основному дірками, інжектованими емітером в базу.

Введені в базу дірки намагаються рекомбінувати з вільними електронами бази, але оскільки цих електронів мало, а область бази вузька, переважна більшість дірок встигає пройти через базу і досягти колекторного pn-переходу, перш ніж відбудеться рекомбінація. Невелика частина дірок, що рекомбінували, створює струм бази І_б (рис.2).

Пройшовши до колектора, дірки починають відчувати прискорюючу дію pn-переходу колектора і витягуються з бази в колектор, створюючи струм колектора І_к.

Враховуючи невеликий відсоток дірок, рекомбінує з електронами в базі, можна вважати, що , де α=0,95÷0,99 - коефіцієнт передачі струму емітера.

Так як напруга U_бк є зворотною, вона в десятки разів може перевищувати напругу U_бе, яка, будучи прямою, є вхідною для транзистора і визначається вольтамперною характеристикою pn-переходу. Вхідний струм транзистора I_е і його вихідний струм І_к приблизно рівні. Тому потужність на виході схеми U_бкІ_к може виявитися набагато більшою, ніж у вхідному колі U_беI_е. Це положення визначає підсилювальні властивості транзистора.

Принцип дії транзистора npn-типу відрізняється тільки тим що носіями зарядів в ньому служать не дірки, а вільні електрони (рис.2б).

Для дослідження властивостей транзистора прикладемо вхідну напругу U_бе і виміряємо вихідний струм І_к як функцію вихідної напруги U_ке.

Шляхом ступінчастого підвищення напруги отримаємо сімейство вихідних характеристик (рис.3а).

Особливістю транзистора є той факт, що колекторний струм мало змінюється після досягнення U_ке певного значення. Напруга, при якій характеристика має вигин, називається напругою насичення. Іншою особливістю є те, що малої зміни вхідної напруги виявляється досить для

Рис.3

того, щоб викликати відносно велику зміну колекторного струму. Це видно на прохідній характеристиці, зображеній на рис.3б, яка являє собою залежність I_к від U_бе. Прохідна характеристика транзистора, як і діода, має вигляд експоненціальної функції:

,

де I_s - зворотний струм колектора. Зміна колекторного струму І_к в залежності від U_бе характеризується крутизною S:

при U_ке=const. Цю величину можна розрахувати, використовуючи теоретичну залежність Iк (U_бе):

Таким чином, крутизна пропорційна колекторному току і не залежить від індивідуальних властивостей кожного транзистора, тому для її визначення не потрібно вимірювань.

Залежність колекторного струму від напруги U_ке характеризується диференціальним вихідним опором:

при U_бе = const. З високою точністю опір r_ке обернено пропорційний І_к.

Для опису вхідного ланцюга транзистора як навантаження, з'єднаної з вхідним джерелом напруги, вводять диференціальний вхідний опір

,

при U_ке=const. Його можна визначити за вхідною характеристикою I_б=f(U_бе) (рис.4). Ця характеристика, як і прохідна характеристика, описується експоненціальною функцією.

Рис.4

Коефіцієнт пропорційності називають коефіцієнтом статичного підсилення за струмом. Однак пропорційність має місце тільки в обмеженій області струму, оскільки β залежить від І_к.

Диференціальний коефіцієнт посилення за струмом в робочій точці визначається виразом

при U_ке=const. Знаючи β і крутизну можна розрахувати вхідний опір r_бе:

.

При малих сигналах транзистори характеризуються коефіцієнтом зворотної передачі по напрузі:

при І_б=const. Абсолютне значення його не перевищує 10^-4. Тому впливом зворотної передачі практично можна знехтувати. При високих частотах зворотну передачу все ж доводиться враховувати.