III. Требования к оформлению отчета

Отчет по работе должен содержать:

• схемы для снятия статических характеристик;

• таблицы с результатами измерений;

• входные и выходные характеристики;

• анализ семейств входных и выходных характеристик.

IV. Краткие теоретические сведения

Биполярные транзисторы (БТ) являются наиболее универсальными и распространёнными полупроводниковыми приборами, предназначенными для усиления и генерирования электрических колебаний. Они имеют трехслойную p-n-p- или n-p-n-структуру (рис. 3.12, а, б).

а) б)

Рис. 3.12. Структура транзисторов: a – p-n-p-типов; б – n-p-n-типов; l₀₁ и l₀₂ – ширина переходов; l_б – ширина базовой области

Каждый слой имеет вывод, название которого совпадает c названием слоя или области транзистора. Среднюю область транзистора называют базой, а крайние – эмиттером и коллектором. Эти транзисторы получили название биполярных потому, что ток в них обусловлен носителями заряда двух типов: электронами и дырками.

Биполярный транзистор имеет два p-n-перехода – эмиттерный П1 и коллекторный П2 – и два запирающих слоя с контактными разностями потенциалов, обусловливающих напряженности Е_П1 и Е_П2 внутренних электрических полей.

В зависимости от выполняемых функций транзистор может работать в трех режимах:

а) активном режиме (режим усиления);

б) режиме отсечки (закрытое состояние БТ);

в) режиме насыщения (полностью открытое состояние БТ).

В активном режиме транзистор работает в усилителях, когда требуется усиление электрических сигналов с минимальным искажением их формы. Данный режим соответствует режиму включения, который называется «нормальный». При нормальном режиме включения на эмиттерный переход транзистора подают внешнее напряжение в прямой полярности, а на коллекторный – в обратной (рис. 3.13).

а) б) в)

г) д)

Рис. 3.13. Активный режим работы транзистора в различных схемах включения: а, г – с ОБ; б, д – с ОЭ; в – с ОК

Основные носители эмиттера под действием напряжения U_эб преодолевают эмиттерный переход, а им навстречу перемещаются основные носители базы, которых значительно меньше, поскольку концентрация примеси в базе мала.

Для биполярного транзистора p-n-p-типа (рис. 3.14), в котором основными носителями заряда являются дырки, при прямом включении перехода П1 часть дырок эмиттера рекомбинируют с электронами базы вблизи перехода П1, а остальные инжектируются (нагнетаются) в базовую область. На пути к коллекторному переходу часть дырок эмиттера рекомбинируют с электронами базы. Остальные дырки достигают коллекторного перехода, на который подано обратное напряжение U_бк и с ускорением «перебрасываются» в коллектор полем перехода П2 (процесс экстракции). Таким образом, ток I_э, представляющий собой поток основных носителей, покидающих эмиттер, частично теряется в переходе П1 и базе на рекомбинацию, эти потери составляют ток базы I_б. Остальная его часть достигает коллектора, где рекомбинирует с электронами, поступающими в него из внешней цепи в виде тока I_к. Уход дырок из эмиттера восполняется генерацией пар «электрон–дырка» в эмиттерной области и отводом электронов во внешнюю цепь в виде тока I_э. Количество рекомбинированных электронов базы компенсируется их притоком в виде тока I_б.

Рис. 3.14. Принцип действия транзистора

Для биполярного транзистора обратной проводимости (структуры n-p-n) при включении в активном режиме внутренние физические процессы протекают аналогично, но основными носителями заряда в БТ являются не дырки, а электроны.

Токи транзистора, работающего в активном режиме (см. рис. 3.13, а), связаны уравнением I_э = I_к + I_б, которое можно переписать в приращениях: ∆I_э = ∆I_к + ∆I_б. Таким образом, при появлении переменной составляющей входного тока транзистора (в рассматриваемом случае это ток эмиттера) появляется переменная составляющая выходного (коллекторного) тока. Если в цепь коллектора включить резистор, то падение напряжения U_вых на нем окажется значительно больше переменного напряжения U_вх входного сигнала, т. к. U_вых >> U_вх, т. е. транзистор усиливает входной сигнал.

В активном режиме (рис. 3.15, а) транзистор управляется в любой момент времени процесса усиления, т. е. каждому изменению входного сигнала соответствует изменение выходного.

В режиме насыщения (рис. 3.15, б) на оба перехода транзистора подается прямое напряжение. При этом в базу инжектируются потоки основных носителей эмиттера и коллектора и сопротивление области «коллектор–эмиттер» транзистора резко уменьшается. В этом режиме транзистор не управляется. Режим насыщения используют в тех случаях, когда необходимо уменьшить почти до нуля сопротивление цепи, в которую включен транзистор.

В режиме отсечки (рис. 3.15, в) оба перехода транзистора закрыты, так как на них подаются обратные напряжения. В этом режиме транзистор обладает большим сопротивлением. Обратные токи эмиттерного I_эб0 и коллекторного I_кб0 переходов малы (особенно у кремниевых транзисторов).

а) б) в)

Рис. 3.15. Режимы работы транзистора: а – активный; б – насыщения; в – отсечки

При включении биполярного транзистора в электрическую схему образуется две цепи: управляющая и управляемая. Учитывая, что биполярный транзистор имеет только три электрода и рассматривая его как четырехполюсник, можно отметить, что всегда один электрод будет входным, один выходным, а один будет общим для входного и выходного сигналов. По тому, какой электрод является общим для входной и выходной цепи, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.

В управляющей цепи действует входной сигнал, который подают на эмиттер (при включении ОБ) или базу (при включении ОЭ или ОК). В управляемой коллекторной цепи (при включении ОБ или ОЭ) или в эмиттерной (при включении ОК) формируется выходной сигнал, передаваемый затем на вход следующего каскада или в нагрузку. Для расчета транзисторных схем используют два семейства вольт-амперных характеристик: входные и выходные.

Входные характеристики (рис. 3.16, а) транзистора (в виде семейства) показывают зависимости тока входного электрода от напряжения между ним и общим электродом при различных постоянных напряжениях на выходном электроде: I_вх = f(U_вх) при U_вых = const.

а) б)

Рис. 3.16. Входные (а) и выходные (б) характеристики транзитора при включении с ОБ

Для схемы с ОБ – это зависимость тока эмиттера от напряжения между ним и базой при постоянном напряжении на коллекторе относительно базы (см. рис. 3.16, а). При включении с общим эмиттером входными характеристиками будут зависимости тока базы от напряжения на базе относительно эмиттера при постоянных напряжениях на коллекторе относительно эмиттера. Для транзистора структуры p-n-p функциональная зависимость входной характеристики при включении ОБ будет иметь вид I_э = f(U_эб) при U_бк = const.

При включении с ОЭ для транзистора той же проводимости функциональная зависимость входных характеристик примет следующий вид: I_б = f(U_эб) при U_эк = const.

При использовании транзистора обратной проводимости (структуры n-p-n) функциональная зависимость входных характеристик вид не изменит, но полярности источников питания на переходах необходимо изменить на противоположные.

Выходные характеристики (рис. 3.16, б) транзистора (в виде семейства) показывают зависимость тока выходного вывода транзистора от напряжения между ним и общим выводом для ряда значений постоянных токов входного вывода: I_вых = f(U_вых) при I_вх = const.

Для схемы с ОБ это зависимости тока коллектора от напряжения между ним и базой при постоянных значениях тока эмиттера. Применительно к транзистору структуры p-n-p I_к = f(U_бк) при I_э = const.