Лабораторная работа №2 Исследование статических характеристик биполярного транзистора

Цель работы: Ознакомиться с устройством и принципом действия биполярного транзистора. Изучить его вольтамперные характеристики в схемах включения с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ) и определить основные параметры транзистора.

Подготовка к работе.

Изучить следующие вопросы курса:

1. Устройство и принцип действия биполярного транзистора.

2. Схемы включения транзистора (ОБ, ОЭ, ОК).

3. Распределение потенциала и физические процессы в транзисторе.

4. Уравнение токов для схем включения ОБ и ОЭ.

5. Статистические характеристики транзистора в схемах включения ОБ и ОЭ.

6. Предельные режимы работы биполярного транзистора. Рабочая область выходных характеристик.

Краткая теория

Биполярный транзистор –электропреобразовательный прибор, содержащий два взаимодействующих p-n перехода. Структура n-p-n транзистора показана на рис.2.1.

В первом приближении работа транзистора может быть описана следующим образом:

1. Под действием напряжений, приложенных к эмиттерному U_Э и коллекторному U_К переходам через них протекают токи i₁ и i₂, рассчитываемые по «диодным» формулам:

(2.1)

(2.2)

где I_ЭБ0 – тепловой ток эмиттерного перехода, протекающий при замыкании выводов коллектора и базы (U_К=0);

I_КБ0 – тепловой ток коллекторного перехода, протекающий при замыкании вывода эмиттера и базы (U_Э=0).

Напряжения на переходах считаются положительными, если они приложены в прямом направлении. Для n-p-n транзистора:

U_Э = U_БЭ = –U_ЭБ

U_К = –U_БК = U_КБ.

(Использование напряжений на переходах позволяет описывать n-p-n и p-n-p транзисторы одинаковыми формулами).

2. Взаимодействие близкорасположенных переходов приводит к тому, что ток i₁ с коэффициентом _N  0,97–0,999 передаётся в коллекторный переход. Таким образом, основная часть тока i₁ протекает через цепь коллектора (_i₁) и только малая часть (1-_)i₁ – через цепь базы. Аналогично, ток i₂ с коэффициентом _I передаётся в цепь эмиттера. В этих выражениях _N и _I - соответственно нормальный и инверсный коэффициенты передачи тока.

Модель транзистора п–р–п типа, построенная в соответствии с изложенным выше положениями (классическая модель Эберса–Молла), приведена на рис.2.2.

В соответствии с выбранным положительным направлениями токов можно записать уравнения Эберса–Молла, соответствующие схеме на рис. 2.2., в виде:

(2.3)

в которых токи i₁ и i₂ рассчитываются по формулам 2.1. и 2.2.

В реальных транзисторах стремятся улучшить передачу тока от эмиттера к коллектору и поэтому _ > _I. Можно показать, что четыре параметра простейшей модели Эберса–Молла связаны между собой соотношением:

_I_ЭБ0 = _I_КБ0. (2.4.)

Статическими характеристиками транзистора называют связи между токами и напряжениями, представленные в графической форме. На практике, в основном, пользуются входными и выходными вольтамперными характеристиками. В схеме с общей базой такими характеристиками являются: входные i_Э=f(U_ЭБ ) при U_КБ =const и выходные i_К = f(U_КБ ) при i_Э = const. Соответствующие ВАХ-ки приведены на рис. 2.3.

П ри U_КБ = 0 ток эмиттера меняется по экспоненциальному закону, как ток прямосмещенного р–п перехода. Рост тока эмиттера в активном режиме (U_КБ > 0) обусловлен эффектом Эрли.

При U_КБ < 0 транзистор переходит в режим насыщения, что приводит к уменьшению тока эмиттера. Область выходных характеристик (рис.2.3.б) левее оси ординат соответствует режиму насыщения, правее оси ординат – активному режиму. Область между осью абцисс и ВАХ - кой при i_Э = 0 является областью отсечки коллекторного тока.

В схеме с общим эмиттером входными и выходными характеристиками являются зависимости: i_Б = f(U_БЭ) при U_{КЭ =} const. и i_K = f(U_КЭ) при i_Б = const. Эти ВАХ-ки приведены на рис. 2.4

Входная характеристика при U_КЭ = 0 и U_БЭ > 0 соответствует режиму насыщения, т. к. коллекторный переход также смещен в прямом направлении: U_КБ = U_КЭ +U_ЭБ =U_ЭБ > 0. При этом ток базы растет по экспоненциальному закону за счет возрастания рекомбинации при двухсторонней инжекции электронов в базу из эмиттера и коллектора. В активном режиме (U_КЭ > 0) входной ток базы уменьшается из-за эффекта Эрли. На выходных характеристиках область левее пунктирной линии соответствует режиму насыщения биполярного транзистора, а правее – активному режиму. Область, лежащая ниже i_Б1 = 0, соответствует режиму отсечки.

При работе с сигналами малой амплитуды I_Бm, U_БЭm, I_Кm, U_КЭm нелинейные ВАХ-ки в окрестности произвольной рабочей точки, задаваемой значениями i_Б(0) и U_КЭ(0), могут быть линеаризированы, например, с использованием h–параметров транзистора:

I_Кm =h₂₁I_Бm+h₂₂U_КЭm, U_БЭm =h₁₁I_Бm + h₁₂U_КЭm (2.5)

(2.6)

Эти параметры в соответствии с формулами (2.6) можно определить с помощью семейств характеристик (h₁₁, h₁₂– по семейству входных, а h₂₁ и h₂₂ – по семейству выходных характеристик). Здесь h₁₁ – входное сопротивление, h₁₂ – коэффициент обратной передачи напряжения, h₂₁ –дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера, h₂₂–выходная проводимость транзистора.

В практических расчётах часто используется кусочно–линейная аппроксимация статических характеристик биполярного

транзистора (см. рис. 2.5).

Для аппроксимированных входных характеристик имеем:

(2.5)

а для выходных

(2.6)

В формулах (2.5–2.6)

Uпор	–	пороговое напряжение эмиттерного перехода,
	–	усредненное входное сопротивление транзистора,
RК.нас	–	выходное сопротивление транзистора в режиме насыщения (в начальной области). при iБ=сonst и UКЭ<UКЭ.нас
	–	усреднённое выходное сопротивление транзистора rК* в активном режиме. при iБ= const и UКЭ>UКЭ.нас.