Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени А.Н. ТУПОЛЕВА

Кафедра радиоэлектроники и информационно-измерительной техники

Исследование биполярных транзисторов

Методические указания к лабораторной работе №415 по дисциплине "Электротехника и электроника "

Казань 2011

Цель работы – получение навыков практического исследования вольт-амперных характеристик транзистора и определения его параметров для различных схем включения.

1. Основные понятия и расчетные соотношения

1.1. Общие сведения о биполярных транзисторах

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с тремя выводами, предназначенный для усиления, генерации и коммутации электрических сигналов.

Биполярные транзисторы (рис.1.1) представляют собой объем полупроводника с тремя чередующими р и n-областями между которыми возникает два близко расположенных и взаимодействующих р-n-перехода. В зависимости от чередования р и n-областей различают два типа биполярных транзисторов: р-п-р и п-р-п-типа. Эти транзисторы называют биполярными, так как их токи связаны с движением зарядов обоих знаков (электронов и дырок).

С труктуры и условные обозначения биполярных транзисторов показаны на рис.1.1. Между каждой областью полупроводника и ее выводом имеется омический контакт, который на рис.1.1 показан жирной чертой. Средняя область транзистора называется базой (Б), одна крайняя область – эмиттером (Э), другая – коллектором (К). Между эмиттером и базой возникает эмиттерный переход (ЭП), а между коллектором и базой – коллекторный переход (КП).

Рис.1.1. Структура и изображение транзисторов на схемах

Особенности устройства транзистора:

- концентрация примесей в эмиттере больше, чем в базе и коллекторе;

- площадь S_кп коллекторного перехода больше площади S_эп ЭП: S_эп < S_кп;

- толщина базы W меньше диффузионной длины L пробега неосновных носителей заряда области базы: W<<L (W ≈ 0.1-100 мкм). Невыполнение последнего условия приведет к потере транзистором усилительных свойств - он превращается в простое соединение двух р-п переходов (диодов).

Для определенности далее будем рассматривать структуру п-р-п типа. Все, сказанное о принципе работы п-р-п транзистора, справедливо для транзистора р-п-р типа, если поменять полярность напряжений питания и вместо электронов говорить о дырках, как о неосновных носителей заряда области базы.

1.2. Принцип работы биполярного транзистора в активном режиме и уравнения его токов

Физическая модель биполярного транзистора и схема его включения в активном режиме показана на рис.1.2. В этом режиме: эмиттерный переход (ЭП) транзистора смещен внешним напряжением в прямом направлении, а коллекторный переход (КП) – в обратном. Это обеспечивается порядком подключения источников напряжения U_эб и U_кб к выводам транзистора.

Рис. 1.2. Физическая модель и схема включения биполярного транзистора в активном режиме

При смещении ЭП в прямом направлении происходит ввод основных носителей заряда эмиттера в базу, где они становятся неосновными – этот процесс называется инжекция. В базе за счет диффузии или дрейфа происходит перенос неосновных носителей заряда от границы ЭП к границе запертого КП. Достигнув, границы КП неосновные носители заряда попадают в сильное ускоряющее поле и переносятся им в область коллектора, где снова становятся основными носителями - этот процесс называется экстракция. Для компенсации зарядов в области коллектора, от источника питания поступают заряды противоположного знака, они создают в коллекторной цепи управляемую составляющую тока коллектора

,

(1.1)

где - коэффициент передачи тока эмиттера, (α от 0,95 до 0,999).

Кроме тока через коллекторный переход протекает обратный неуправляемый ток, создаваемый неосновными носителями заряда КП I_{кб0 .}.

Часть неосновных носителей заряда в базе не достигает КП, так как рекомбинирует с основными носителями заряда, это создаёт ток базы I_Б.

Для транзистора можно записать следующие соотношения для токов:

,	(1.2)
,	(1.3)
.	(1.4)

Ток коллектора можно выразить через ток базы:

, (1.5)

где - коэффициент передачи тока базы, если α=0,99, то β =99; - тепловой ток кп транзистора с ОЭ, ( ).