20

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

Моделювання характеристик і визначення параметрів біполярного транзистора

Інструкція до лабораторної роботи № 5

з навчальної дисципліни:

“Компонентна база засобів технічного захисту інформації”,

для студентів базового напрямку

6.170102 “Системи технічного захисту інформації”,

Затверджено

на засіданні кафедри

Захист інформації

Протокол № від 2012 р.

Львів – 2012

Моделювання характеристик і визначення параметрів біполярного транзистора: Інструкція до лабораторної роботи №5 з дисципліни: “Компонентна база засобів технічного захисту інформації” /Укл.: Кеньо Г.В.  Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2012.  20 с.

Укладач Кеньо Г.В., к. т. н., доц.

Відповідальний за випуск Дудикевич В.Б., д.т. н., проф.

Рецензенти:

1. Мета роботи

Ознайомитися з особливостями роботи транзистора в схемі зі спільним емітером, промоделювати вхідні та вихідні статичні характеристики, визначити коефіцієнт підсилення за струмом і вхідний опор, порівняти характеристики транзистора і складеного транзистора.

2. Завдання

За допомогою графічного редактора системи схемотехнічного моделювання MicroCap 8 ознайомитись з моделями біполярного транзистора. Отримати та дослідити вольт-амперні характеристики біполярного транзистора у семах увімкнення зі спільним емітером та зі спільною базою. Визначити параметри біполярного транзистора.

3. Теоретичні відомості

Серед напівпровідникових приладів важливе місце займає транзистор, який застосовується для підсилення і перетворення електричних сигналів і має три виводи. Найбільше розповсюдження отримали транзистори з двома p-n переходами, які називають біполярними, струм у них переноситься носіями заряду обох знаків. Структура і умовне позначення біполярного транзистора зображені на рис.1. Транзистор побудований на основі напівпровідникової монокристалічної пластини, в якій створені три області з різною електропровідністю. Для прикладу на рис.1.а зображений транзистор з електропровідністю типу n–p–n, середня область якого має діркову p, а дві крайні – електронну n електропровідність. Широко застосовуються також транзистори з електропровідністю типу p–n–p, в яких діркову p електропровідність мають дві крайні області, а середня область має електронну n електропровідність.

С ередня область транзистора називається базою, одна крайня область – емітером, а друга – колектором. Таким чином транзистор має два n –p переходи: емітерний – між емітером і базою і колекторний – між базою і колектором. Віддаль між цими переходами повинна бути дуже малою (одиниці мікрометра), окрім цього концентрація домішок в базі завжди на декілька порядків менша ніж в емітері і колекторі.

У залежності від полярності напруги, яка прикладається до його переходів, транзистор може працювати в трьох режимах В активному режимі на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному – зворотна. В режимі відсікання, або закривання, на обидва переходи подається зворотна напруга. Якщо на обох переходах напруга пряма, то транзистор працює в режимі насичення. Різновидністю активного режиму є інверсне ввімкнення транзистора, коли емітерний перехід зміщений у зворотному, а колекторний у прямому напрямках. Активний режим є основним і використовується в підсилювачах і генераторах.

Роботу біполярного транзистора розглянемо на прикладі n‑р‑n-транзистора, у режимі без навантаження, коли увімкнені тільки джерела постійного живлення, напругою Е1 і Е2 (рис.2).

а б

Рис.2. Рух електронів і дірок у транзисторах з електропровідністю

типу n-p-n ( а ) і p-n-p ( б )

Полярність джерел живлення така, що на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному зворотна. Опір емітерного переходу малий, і для отримання струму в цьому переході достатньо напруги E₁ в десяті частки вольта. Опір колекторного переходу великий, і напруга Е₂ зазвичай складає одиниці або десятки вольтів. З рис.2 видно, що напруга між електродами транзистора пов’язана простою залежністю

U_KЕ = U_KБ + U_БЕ. (1)

При роботі транзистора в активному режимі зазвичай U_БЕ << U_KБ, тому

U_KЕ  U_KБ. (2)

Вольт-амперна характеристика емітерного переходу являє собою характеристику напівпровідникового р-n-переходу за прямого зміщення. А вольт-амперна характеристика колекторного переходу подібна до характеристики діода за зворотної напруги.

Принцип роботи транзистора полягає в тому, що пряма напруга емітерного переходу, тобто ділянки база емітер (U_БЕ), істотно впливає на струми емітера і колектора: чим більша ця напруга, тим більший струми емітера і колектора. При цьому зміна струму колектора лише трохи менша за зміну струму емітера. Таким чином, напруга U_БЕ, тобто вхідна напруга, керує струмом колектора. Підсилення електричних коливань за допомогою транзистора ґрунтується саме на цьому явищі.

Фізичні процеси у транзисторі відбуваються таким чином. При збільшенні прямої вхідної напруги U_БЕ знижується потенціальний бар’єр на емітерному переході, і відповідно зростає струм І_Е через цей перехід. Електрони інжектуються з емітера в базу і, завдяки дифузії, проникають через базу до колекторного переходу. Оскільки колекторний перехід працює за зворотної напруги, то в цьому переході виникають об’ємні заряди, які показані на рисунку кружками із знаками “+” і “–”, між якими виникає електричне поле. Воно сприяє просуванню (екстракції) через колекторний перехід електронів, що прийшли сюди з емітера, тобто втягує електрони в область колекторного переходу.

Якщо товщина бази достатньо мала і концентрація дірок в ній невелика, то більшість електронів, пройшовши через базу, не встигає рекомбінувати з дірками бази і досягає колекторного переходу. Лише невелика частина електронів рекомбінує в базі з дірками. Внаслідок рекомбінації виникає струм бази. Дійсно, у рівноважному режимі кількість дірок у базі повинна бути незмінною. Внаслідок рекомбінації кожну секунду певна кількість дірок зникає, але стільки ж нових дірок виникає за рахунок того, що з бази йде в напрямі до плюса джерела Е1 така ж кількість електронів. Інакше кажучи, у базі не може нагромаджуватися багато електронів. Якщо деяка кількість інжектованих у базу з емітера електронів не доходить до колектора, а залишається в базі, рекомбінуючи з дірками, то така ж сама кількість електронів повинна вийти з бази у вигляді струму I_Б. Оскільки струм колектора виходить меншим за струм емітера, то, згідно з першим законом Кірхгофа, завжди існує таке співвідношення між струмами у транзисторі:

I_Е = I_K + I_Б. (3)

Струм бази є небажаним і навіть шкідливим явищем. Бажано, щоб він був якомога меншим. Зазвичай І_Б складає малу частку (відсотки) струму емітера, тобто I_Б<<I_Е, а тому струм колектора лише трохи менший за струм емітера, і можна вважати, що І_K I_Е. Саме для того, щоб струм I_Б був якомога меншим, базу роблять дуже тонкою і зменшують у ній концентрацію домішок, яка визначає концентрацію дірок. Тоді менша кількість електронів буде рекомбінувати в базі з дірками.

Коли до емітерного переходу напруга не прикладена, то практично можна вважати, що в цьому переході немає струму. У цьому випадку область колекторного переходу має великий опір постійному струму, оскільки основні носії зарядів віддаляються від цього переходу, і по обидві сторони від межі створюються області, збіднені цими носіями. Через колекторний перехід протікає лише дуже невеликий зворотний струм, викликаний переміщенням назустріч один одному неосновних носіїв, тобто електронів з р-області і дірок з n-області.

Але якщо під дією вхідної напруги виник значний струм емітера, то в область бази зі сторони емітера інжектуються електрони, які для даної області є неосновними носіями. Не встигаючи рекомбінувати з дірками при дифузії через базу, вони доходять до колекторного переходу. Чим більший струм емітера, тим більше електронів приходить до колекторного переходу, тим меншим стає його опір і, відповідно, збільшується струм колектора. Інакше кажучи, зі збільшенням струму емітера в базі зростає концентрація неосновних носіїв, які інжектуються з емітера, а чим більше цих носіїв, тим більший струм колекторного переходу, тобто струм колектора.

За прийнятою термінологією, емітером називається область транзистора, призначенням якої є інжекція носіїв заряду в базу. Колектором називається область, призначенням якої є екстракція носіїв заряду з бази. А базою є область, в яку емітер інжектує неосновні для цієї області носії заряду.

Оскільки в транзисторі струм емітера завжди рівний сумі струмів колектора і бази, то приріст струму емітера також завжди дорівнює сумі приростів колекторного і базового струму:

. (4)

Важливою властивістю транзистора є приблизно лінійна залежність між його струмами, тобто всі три струми транзистора змінюються майже пропорційно один одному.

Подібні процеси відбуваються в транзисторі типу р-n-р, але в ньому міняються ролями електрони і дірки, а також змінюється полярність напруг і напрямки струмів (рис.2,б). У транзисторі типу р-n-р з емітера в базу відбувається інжекція не електронів, а дірок, які є для бази неосновними носіями. Зі збільшенням струму емітера більше таких дірок проникає через базу до колекторному переходу. Це спричиняє зменшення його опору і зростання струму колектора.

Повний струм колектора транзистора складає

, (5) де  – коефіцієнт передачі струму емітера, значення якого переважно складає (0,95  0,99); – тепловий (некерований) зворотний струм колектора.

З іншого боку,

, (6)

де (7) і (8) де  – коефіцієнт передачі струму бази;  початковий наскрізний струм, який протікає через весь транзистор, коли І_Б=0.

Коефіцієнт , так само як і  відноситься до важливих параметрів транзистора. Якщо відомий  , то  можна визначити за формулою

(9)

При значному підвищенні напруги на колекторі струм різко зростає і відбувається електричний пробій. Необхідно знати, що при роз’єднанні кола бази в транзисторі може відбуватися лавиноподібне збільшення струму колектора, що приводить до його перегріву і виходу транзистора з ладу. Тому при експлуатації транзисторів заборонено роз’єднувати коло бази при ввімкненному колекторному живленні.

Для малопотужних транзисторів у залежності від матеріалу, на основі якого він виготовлений, напруга між базою і емітером складає (0,3  0,7) В; при цьому в колі бази проходить струм у декілька десятків мікроампер. Напруга, що прикладається між емітером і колектором, може становити (5  30) В; при цьому струм колектора може досягнути декількох десятків міліампер.

Існують три схеми увімкнення біполярного транзистора: зі спільною базою (СБ), зі спільним емітером (СЕ) та зі спільним колектором (СК).

У схемі зі спільною базою (рис.3, а) у вхідне коло (між базою та емітером) послідовно з джерелом живлення емітера Е₁ увімкнене джерело вхідного сигналу, яке виробляє деяку змінну напругу U_вх. Джерело живлення колектора Е₂ увімкнене у вихідне коло між колектором та базою. Отже, база є спільним електродом для вхідного та вихідного кіл.

а) б)

Рис.3. Схеми увімкнення біполярного n-p-n транзистора зі спільною базою (а) та зі спільним емітером (б)

У цій схемі через джерело сигналу проходить струм емітера I_Е. Струм, що проходить через джерело вхідного сигналу називається вхідним струмом. Отже, для схеми зі СБ І_вх= I_Е.

Вихідним струмом у цій схемі є струм колектора І_вих= I_K.

Коефіцієнт передачі струму у схемі зі СБ

. (10)

Вхідний опір схеми зі СБ

. (11)

Цей опір є малим (одиниці – десятки Ом), оскільки вхідне коло транзистора являє собою відкритий емітерний перехід транзистора.

Схема зі СБ не дає підсилення за струмом (<1), а низький вхідний опір схеми зі СБ є її суттєвим недоліком, оскільки виявляє шунтувальну дію у багатокаскадних схемах на опір навантаження попереднього каскаду і різко зменшує підсилення цього каскаду за напругою та за струмом.

Статичні характеристики транзистора відображають залежність між струмами і напругами на його вході та виході, знятими за постійного струму і відсутності навантаження у вихідному колі. Однією сім’єю характеристик цю залежність показати не можна. Тому необхідно користуватись двома видами сімей статичних характеристик транзистора.

Для схеми зі спільною базою вхідна характеристика являє собою залежність струму емітера I_Е від напруги між емітером та базою U_БЕ за постійної напруги між колектором та базою U_KБ:

I_Е=f(U_БЕ) якщо U_KБ = const. (12)

Типові вхідні статичні характеристики для схеми зі СБ подані на рис.4,а.

а б

Рис.4. Статичні характеристики транзистора для схеми зі спільною базою: вхідні (а), вихідні (б)

З рисунка видно, що вхідні характеристики аналогічні вольт-амперній характеристиці р-n-переходу для прямого струму, причому зміна напруги U_KБ мало впливає на струм емітера. Це пояснюється тим, що поле, яке створюється напругою U_KБ у схемі зі СБ майже повністю зосереджується в колекторному переході і незначно впливає на проходження зарядів через емітерний перехід. Так, на рис.4,а вхідні характеристики, виміряні за U_KБ0, майже накладаються. Тому в довідниках зазвичай наводять лише дві вхідні характеристики для певного типу транзистора – одну, виміряну за U_KБ=0, та іншу, виміряну за U_KБ0, наприклад, за U_KБ=5В.

Вихідні характеристики транзистора для схеми зі СБ дають залежність струму колектора від напруги на колекторному переході за постійних значень емітерного струму

I_K=f (U_KБ) якщо I_Е=const. (13)

Приклад вихідних статичних характеристик транзистора поданий на рис.4,б. З рисунка видно, що за нормальної робочої полярності, коли колекторний перехід працює у зворотному напрямку, вихідні характеристики являють собою майже прямі лінії, які йдуть з невеликим нахилом. Це пояснюється тим, що колекторний струм створюється за рахунок дифузії носіїв заряду, що проникають з емітера через базу в колектор. Тому величина колекторного струму визначається передусім величиною струму емітера і незначно залежить від напруги U_КБ, прикладеної до колекторного переходу. Навіть за U_КБ=0 відбувається явище екстракції, і струм колектора може мати достатньо велике значення, яке залежить від величини струму емітера.

За I_Е=0 характеристика виходить з початку координат, а потім проходить на невеликій висоті майже паралельно осі абсцис. Вона відповідає звичайній характеристиці зворотного струму р-n-переходу. Струм І_КБ0, який визначається цією характеристикою, є некерованим, і є одним з параметрів транзистора. З рисунка також видно, що за зміни полярності напруги U_KБ струм I_K різко зменшується і досягає нуля за значень U_KБ порядку десятих часток вольта. У цьому випадку колекторний перехід працює у прямому напрямку, струм через цей перехід різко зростає і йде у напрямку, протилежному до нормального робочого струму. При цьому транзистор може вийти з ладу. Тому ділянки характеристик, показані на рис.4,б пунктирними лініями, не є робочими і зазвичай на графіках не наводяться.

При ввімкненні транзистора в схемі з спільною базою підсилювальний каскад забезпечує підсилення за напругою і за потужністю, а коефіцієнт підсилення за струмом менший від одиниці. Для такої схеми ввімкнення транзистора відсутній фазовий зсув між вихідною і вхідною напругами. Транзистор має найменший вхідний (від одиниць до десятків Ом) і найбільший вихідний (сотні кілоом) опори. Схема ввімкнення транзистора з спільною базою забезпечує найкращі частотні властивості і найвищу температурну стабільність підсилювального каскаду.

У схемі зі спільним емітером (рис.3, б) джерело вхідного сигналу U_вх також увімкнене між базою та емітером послідовно з джерелом живлення Е1, а джерело живлення колектора Е2 ввімкнене між колектором та емітером. Таким чином, емітер є спільним електродом для вхідного та вихідного кіл.

Основною особливістю схеми зі спільним емітером є те, що вхідним струмом у ній є малий за величиною струм бази І_вх= I_Б. Вихідним струмом у цій схемі є також струм колектора I_K. Отже, коефіцієнт передачі для схеми зі СЕ

. (14)

Таким чином, у схемі зі спільним емітером можна отримати підсилення за струмом порядку декількох десятків.

Вхідний опір транзистора у схемі зі СЕ

, (15)

і є значно більшим (сотні Ом – одиниці кОм), ніж у схемі зі СБ, оскільки I_Б<<I_Е.

Перевагою цієї схеми є можливість живлення від одного джерела напруги, оскільки на базу і на колектор подають напругу живлення одного знаку.

Для схеми зі спільним емітером статичною вхідною характеристикою є графік залежності струму бази I_Б від напруги U_БЕ за постійного значення U_KЕ.

I_Б=f(U_БЕ) якщо U_KЕ =const. (16)

Вихідні характеристики транзистора для схеми зі СЕ являють собою залежність струму колектора I_K від напруги між колектором та емітером U_KЕ за постійного струму бази І_Б.

I_K=f(U_KЕ) якщо I_Б=const. (17)

Типові вхідні та вихідні статичні характеристики транзистора для схеми зі СЕ подані на рис.5.

Вхідні характеристики подібні до звичайних характеристик для прямого струму р-n-переходу. З рис.5,а видно, що зі зростанням напруги U_KЕ струм І_Б зменшується. Це пояснюється тим, що зі збільшенням U_KЕ зростає напруга, яка прикладається до колекторного переходу у зворотному напрямку, зменшується ймовірність рекомбінації носіїв заряду в базі, оскільки майже всі носії швидко втягуються в колектор.

Вихідні характеристики (рис.5,б) зазвичай наводяться за різних сталих значень струму бази.

а б

Рис.5. Статичні характеристики транзистора для схеми зі спільним емітером: вхідні (а), вихідні (б)

Перша характеристика, за I_Б=0, виходить з початку координат і дуже нагадує звичайну характеристику для зворотного струму напівпровідникового діода. Умова I_Б=0 відповідає розімкненому колу бази. При цьому через весь транзистор від емітера до колектора проходить відомий нам наскрізний струм I_KЕ0.

Якщо I_Б > 0, то вихідна характеристика розташована вище, ніж якщо I_Б = 0, і тим вище, чим більший струм I_Б. Завдяки лінійній залежності між струмами пологі ділянки сусідніх вихідних характеристик розташовані приблизно на однакових відстанях одна від одної. Однак, у деяких транзисторах ця лінійність дещо порушується.

Вихідні характеристики показують, що при збільшенні U_KЕ від нуля до невеликих значень (десяті частки вольта) струм колектора різко зростає, а при подальшому збільшенні U_KЕ характеристики йдуть з невеликим підйомом, що означає порівняно малий вплив напруги U_KЕ на струм колектора.

При ввімкненні транзистора в схемі з спільним емітером підсилювальний каскад забезпечує підсилення за струмом і за напругою, а коефіцієнт підсилення за потужністю має максимальне значення. Вихідна напруга знаходиться у протифазі з вхідною, отже, між вихідною і вхідною напругами існує фазовий зсув, який складає . Вхідний опір транзистора при такому ввімкненні транзистора є відносно низький і знаходиться в межах від сотень Ом до одиниць кілоом. До недоліків такої схеми ввімкнення відносять гірші частотні властивості і низьку температурну стабільність у порівнянні з схемою ввімкнення з спільною базою.

Якщо змінні напруги на переходах транзистора достатньо малі, струми в ньому виявляються лінійними функціями цих напруг. Транзистор у цьому випадку можна вважати лінійним чотириполюсником. При цьому два зовнішні виводи вважають вхідними, а відповідні їм струм та напругу позначають І₁ та U₁, а два інші виводи є вихідними з відповідними їм струмом І₂ та напругою U₂.

Якщо прийняти як незалежні змінні І₁ та U₂, а як залежні U₁ та І₂, то можна записати

U₁=f₁(I₁, U₂), I₂= f₁(I₁, U₂) (18)

Якщо на постійні складові струмів та напруг накладені достатньо малі сигнали змінної напруги u або і, то їх амплітуди (або, відповідно, діючі значення) можна розглядати, як малі прирости постійних складових. У цьому випадку можна записати:

(19)

Коефіцієнти h₁₁, h₁₂, h₂₁ та h₂₂, що входять у ці рівняння – вторинні параметри транзистора, і називаються h-параметрами. Ці параметри ще називаються «змішаними» або гібридними тому, що фізичні розмірності окремих параметрів є неоднаковими.

Кожен з h-параметрів має визначений фізичний зміст. Зокрема, параметр h₁₁ являє собою величину вхідного опору транзистора за короткого замикання на виході (U₂=0) і вимірюється в омах:

, якщо U₂=0. (20)

Параметр h₁₂ дорівнює відношенню вхідної напруги до вихідної за розімкненого вхідного кола (І₁=0):

, якщо І₁=0. (21)

Цей параметр характеризує ступінь впливу вихідної напруги на режим вхідного кола транзистора, і називається коефіцієнтом зворотного зв’язку.

Параметр h₂₁ дорівнює відношенню вихідного струму до вхідного за короткозамкненого виходу (U₂=0):

, якщо U₂=0. (22)

Цей параметр називається коефіцієнтом підсилення за струмом.

Параметр h₂₂ являє собою величину вихідної провідності транзистора за розімкнених вхідних затискачів (І₁=0) і вимірюється в мікросіменсах:

, якщо І₁=0. (23)