Лабораторна робота 2. Дослідження біполярного транзистора

Мета роботи. Навчитися знімати характеристики й визначати параметри біполярних транзисторів (БТ).

Теоретичні відомості

Біполярні транзистори - це напівпровідникові прилади, в яких струм зумовлений рухом носіїв зарядів обох знаків (електронів та дірок) і призначені для посилення й/або генерування електричних коливань. Біполярні транзистори мають три зони провідності, які утворюють два р-n-переходи. Середній електрод називають базою, два крайні — емітером (із стрілкою) та колектором. Емітер (Е) виділяє носії заряду, база (Б) має властивість керувати цими зарядами, колектор (К) збирає носії заряду. Стрілка спрямована із р-області у n-область.

Класична структура біполярного транзистора реалізується на основі трьох напівпровідникових областей (рис.2.1) з різними типами електропровідності.

а) б)

Рис.2.1.Структура та умовне позначення БТ.

На рис. 2.2а показаний розподіл концентрацій носіїв заряду в транзисторі p-n-p при відсутності зовнішньої напруги. У цьому стані на границі p- і n-областей виникають потенційні бар'єри (рис. 2.2б).

Рис.2.2. Концентрація носіїв Рис.2.3 Потенційний бар’єр

Якщо до емітерного переходу прикласти пряму напругу (відповідно до провідного напрямку), а до колекторного - зворотну, то потенційний бар'єр емітерного переходу знизиться на U_ЕБ, а потенційний бар'єр колекторного переходу збільшиться на U_КБ (рис. 2.3а).

Зменшення висоти потенційного бар'єра емітерного переходу приводить до збільшення кількості дірок, що переходять у базу. Розподіл їх концентрації показано на рис. 2.3б. Внаслідок дифузії дірки рухаються убік колекторного переходу, поле якого є прискорювальним для них. Частина з них рекомбінує з електронами в базі. Заповнення останніх відбувається через базовий електрод у вигляді струму бази. Через цей же електрод протікає зворотний струм колекторного переходу I_К0. Більша частина дірок втягується в колекторну область і утворює додаткову складову колекторного струму. Для БТ виконується співвідношення

I_Е = I_К + I_Б,

де I_Е, I_К, I_Б - відповідно струми емітера, колектора й бази.

Вид ВАХ транзистора залежить від схеми включення. Можливі три схеми включення залежно від того, який електрод є загальним для вхідного і вихідного ланцюгів: із загальною базою (ЗБ), із загальним емітером (ЗЕ) і із загальним колектором (ЗК).

Диференціальні параметри біполярного транзистора

БТ є нелінійним елементом, тому що характеризується нелінійними залежностями U=f(I) вхідних і вихідних ВАХ. Але при роботі транзистора в режимі малого сигналу, тобто при відносно невеликих амплітудах змінних складових вхідних і вихідних величин, він може бути представлений у вигляді активного лінійного чотириполюсника (рис. 2.4а), що припускає лінійні залежності між струмами й напругами. Можливо шість варіантів вибору незалежних і залежних змінних для опису зв'язку струмів і напруг у даному чотириполюснику. У силу специфіки вхідних і вихідних ВАХ транзистора для його опису звичайно вибирають у якості незалежних змінних вхідний струм i₁ і вихідну напругу u₂, а залежними є: вхідна напруга u₁ і вихідний струм i₂. При такому виборі чотириполюсник описується системою рівнянь на основі h-параметрів

Зазначений вище вибір залежних і незалежних змінних приводить до перетворення даної системи до виду:

u

(2)

₁ = h₁₁i₁ + h₁₂u₂;

i₂ = h₂₁i₁ + h₂₂u_2.

Тоді фізичний зміст h-параметрів визначається як:

– вхідний опір при короткому замиканні на виході по змінному сигналу;

- коефіцієнт зворотного зв'язку по напрузі в режимі холостого ходу на вході по змінному сигналу;

- коефіцієнт передачі струму при короткому замиканні на виході по змінному сигналу;

- вихідна провідність при холостому ході на виході по змінному сигналу.

а) б) в)

Рис.2.4.Еквівалентні схеми чотириполюсників

Одиниці вимірів h-параметрів різні: h₁₁ виміряється в омах, h₂₂ - у сименсах, h₂₁ і h₁₂ - безрозмірні. В силу того, що фізичні розмірності параметрів неоднакові, таку систему називають гібридною.

Схема заміщення транзистора на основі h-параметрів представлена на рис. 2.4б. У ній генератор е.р.с. h₁₂u₂ враховує наявність напруги зворотного зв'язку у вхідному ланцюзі, коли на виході діє напруга u₂, а вхідний ланцюг розімкнутий. Сам генератор вважається ідеальним, тобто, що він не має внутрішнього опору. Ідеальний генератор струму h₂₁i₁ враховує взаємозв'язок вихідного й вхідного струмів.

В інженерних розрахунках зазвичай використовується спрощена еквівалентна схема БТ на основі h-параметрів (рис. 2.4в), у якій відсутні параметри h₁₂ і h₂₂ у силу їх незначного впливу на функціонування транзистора.

Для кожної схеми включення транзистора існує свій набір h-параметрів, ідентифікований відповідним індексом, але між цими наборами існує однозначний зв'язок, представлений у табл. 2.1.

Зв’язок між параметрами для різних схем Таблиця 2.1

h11е		h11б
h12е		h12б
h21е		h21б
h22е		h22б

Стосовно до схеми включення з ЗЕ замість коефіцієнта h_21е широко використовується позначення , а в схемі із ЗБ - замість h_21б коефіцієнт -, тому що в даній схемі включення напрямку струму i_к протилежно базовому напрямку струму i₂ вихідного чотириполюсника, тобто h_21б<0.

Зазвичай h-параметри виміряються спеціальними технічними засобами, що спрощує даний процес і підвищує його точність, але при практичних розрахунках значення даних параметрів можуть бути визначені й графо-аналітичним методом по статичним вхідним і вихідним ВАХ, тому що змінні складові струмів і напруг транзистора представляють збільшення постійних складових цих величин, тобто система (2) може бути представлена у вигляді h_21б

U₁= h₁₁I₁ + h₁₂U₂;

U₁= h₁₁I₁ + h₁₂U₂.

На рис. 2.5а показаний процес визначення h-параметрів по вхідний ВАХ транзистора, а на рис. 2.5б - по вихідний. З рисунків видне, що значення h-параметрів не є постійними й залежать від режиму по постійному струму (робочої точки транзистора) - значень постійних складових струмів і напруг на вході й виході транзистора. Тому в довідковій літературі при вказівці h-параметрів обов'язково вказується й режим, при якому зроблені виміри.

Значення h-параметрів також залежать від частоти змінного сигналу й температури навколишнього середовища.

а) б)

Рис.2.5. Вольт-амперні зарактеристики

Розрахунки по вхідній ВАХ (рис.2.5а):

Розрахунки по вихідній ВАХ (рис.2.5б):