Лабраб / 1 / методички / ИЗУЧЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ВАХ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

2

Составители: доктор техн. наук К.О. Петросянц канд. техн. наук Н.И. Рябов канд. техн. наук И.А. Харитонов

УДК

Изучение статических вольт-амперных характеристик биполярного транзистора и определение параметров его модели для схемотехнических расчетов. Методические указания к лабораторной работе по электронным и микроэлектронным курсам. /Моск. гос. институт электроники и математики (технический университет) ; Сост.: К.О. Петросянц, Н.И. Рябов, И.А. Харитонов.

М., 2001 - 17 с.

Табл. 2 Ил. 7 . Библиограф.: назв. 2

Даны краткие сведения о структуре, принципах работы, схемотехнических моделях и методах определения их параметров для биполярного транзистора.

Для студентов II - IV курсов факультетов, изучающих курсы электроники и микроэлектроники.

3

1. Цели и задачи работы:

Целями лабораторной работы являются:

- Экспериментальное исследование входных и выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ) биполярного транзистора;

-Приобретение навыков измерения характеристик биполярных транзисторов и определения параметров схемотехнической модели Гуммеля-Пуна транзистора по результатам измерения его ВАХ;

-Приобретение навыков расчета схем с помощью программы схемотехнического анализа РSPICE.

2. Краткие теоретические сведения.

2.1. Структура транзистора и его принцип работы.

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами и тремя или более выводами. Полупроводниковый кристалл такого транзистора состоит из трех различных областей с чередующимися типами электропроводности, между которыми находятся два p-n перехода, расположенных в непосредственной близости один от другого. В зависимости от порядка расположения трех областей в полупроводниковом кристалле различают транзисторы n-p-n и p-n-p типов. Их упрощенные структуры и условные обозначения показаны на рис.1,а,б. Центральную область кристалла называют базой (Б), а наружные области - соответственно эмиттером (Э) и коллектором (К). P-n переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а p-n переход между коллектором и базой - коллекторным. Часть поверхностей эмиттера, базы и коллектора покрывают металлическими пленками. К этим пленкам приваривают или припаивают выводы, с помощью которых на переходы транзистора подается внешнее напряжение.

Рис. 1. Структуры и схемное обозначение npn (а) и pnp (б) транзисторов.

5

сильнее базы, поток электронов будет намного больше потока дырок и именно он определяет основные процессы, происходящие в транзисторе. Из-за разности концентраций (в бездрейфовых транзисторах) и разности концентраций и наличия внутреннего электрического поля (в дрейфовых транзисторах) электроны движутся к коллектору, стремясь равномерно распределиться по всему объему базы. Так как толщина базы мала, большинство электронов не успевает рекомбинировать в ней и почти все они достигают коллекторного перехода. Вблизи коллекторного перехода электроны попадают под действие электрического поля этого обратносмещенного перехода (источник питания EБК подключен минусом к базе). А так как они являются в базе неосновными носителями, то происходит переброс электронов через коллекторный переход в область коллектора ( их экстракция ). В коллекторе электроны становятся основными носителями зарядов и легко доходят до коллекторного вывода, создавая ток во внешней цепи транзистора. Дрейф электронов через коллекторный переход снижает их концентрацию в той части области базы, которая расположена непосредственно около коллекторного перехода, что создает направленную диффузию инжектируемого эмиттером потока электронов. Все это приводит к тому, что большинство электронов, инжектированных эмиттером в базу, попадает в область коллектора, но все-таки небольшая часть их успевает рекомбинировать в области базы. Поэтому коллекторный ток IК всегда оказывается меньше эмиттерного IЭ, а рекомбинация электронов вызывает соответствующий ток во внешней цепи - ток базы IБ.

При количественном анализе процессов, происходящих в биполярном транзисторе, работающем в активном режиме, прежде всего вводят

коэффициент передачи эмиттерного тока N, под которым понимают

Выражение для полного тока коллектора, который является суммой токов инжектированных эмиттером и обратного тока коллектора, имеет вид

приближенным выражением. Учитывая, что для биполярных транзисторов рабочим является участок, где (UК / т)>> 1, обратный ток коллекторного перехода практически постоянен и равен IК0, а (2) записывают так

6

и если при расчете коллекторного тока за "начало отсчета" взять не ток эмиттера, а ток базы, то из (3) и (4) нетрудно получить, что полный ток коллектора

называют коэффициентом передачи базового тока, или коэффициентом усиления.

Коэффициенты N и N являются важнейшими физическими параметрами биполярного транзистора, причем N ~ 1, a N >> 1. Так, для современных транзисторов N = 0.9 - 0.995, a N = 10 - 1000.

Hаиболее полно свойства биполярного транзистора описываются его вольт-амперными характеристиками (ВАХ). Однако, прежде чем рассматривать их, необходимо заметить следующее. Во-первых, биполярный транзистор - "токовый" прибор, так как основные процессы, протекающие в таком транзисторе, определяются его входным током. Поэтому кроме выходных ВАХ для него важны также и входные ВАХ. А в связи с тем, что входные и выходные токи и напряжения транзистора достаточно сильно связаны друг с другом, для полной характеристики транзистора нужно иметь не отдельные характеристики, а семейства ВАХ : входных и выходных. Конечно, при любой схеме включения физические процессы в транзисторе не меняются, но существенно изменяются входные и выходные величины, что и приводит к соответствующим изменениям в семействах ВАХ транзистора.

Различают три схемы включения биполярного транзистора: с

общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором

(ОК). В данной лабораторной работе транзистор включен по схеме с ОЭ. В схеме с ОБ (рис.3 ,a) входным током транзистора является ток

эмиттера, входным напряжением - напряжение между эмиттером и базой, а входными ВАХ - семейство Iэ (Uэб) при Uкб = const (рис. 2, б). (Выбор напряжения Uкб в качестве параметра этого семейства ВАХ связан с тем, что в активном режиме на коллекторный переход подается обратное напряжение, а в этом случае, при большом изменении напряжения, ток через переход меняется очень мало). Фактически это будут характеристики эмиттерного перехода, учитывающие влияние второго перехода транзистора - коллекторного. Характеристика с параметром Uкб = 0 будет обычной характеристикой p-n перехода - такой же, как и в диоде (большой прямой ток Iэ при Uэб > 0, который сильно зависит от Uэб, и малый обратный, почти не изменяющийся ток при Uэб < 0). Взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов связано с тем, что изменение Uкб приводит к изменению ширины коллекторного перехода, а

7

значит, и ширины базы, за счет чего меняется величина тока Iэ. При Uкб > 0 ширина базы увеличивается, ток Iэ уменьшается, а кривые Iэ (Uэб) сдвигаются вправо; при Uкб < 0 эти кривые сдвигаются влево. Hо все входные ВАХ располагаются очень близко друг к другу, что говорит о слабом влиянии коллектора на процессы, протекающие во входной цепи транзистора. Кроме того, входные ВАХ биполярного транзистора обладают существенной нелинейностью, что приводит к значительным искажением сигналов во входной цепи транзистора (рис. 3, б).

Выходным напряжением транзистора в схеме с ОБ является напряжение между коллектором и базой, выходным током - ток коллектора, а выходными ВАХ - семейство Iк (Uкб) при Iэ = const. (рис. 3, в). (Здесь в качестве параметра семейства выходных ВАХ уже выбирают ток, так как при прямом напряжении на эмиттерном переходе при большом изменении

резко меняется при изменении выходного напряжения. При Iэ > 0 и Uкб < 0 на величину выходного тока транзистора основное влияние оказывает ток, обусловленный инжекцией электронов через эмиттерный переход и его изменения приводят к пропорциональному изменению тока коллектора. Поэтому семейство BAX транзистора в схеме с ОБ, при Iэ > 0 и небольших отрицательных напряжениях на коллекторе представляет собой ряд прямых, идущих почти параллельно оси абсцисс. В области больших отрицательных значений Uкб выходные ВАХ начинают заметно изгибаться, так как напряжение на коллекторном переходе приближается к напряжению пробоя (рис. 3, в).

Рабочая область семейства выходных ВАХ биполярного транзистора на рис. 3,в расположена в третьем квандранте, что неудобно. Поэтому в транзисторной электронике за положительное направление выходного тока транзистора принимают направление обратного тока коллекторного

8

транзистора, включенного по схеме с ОБ принимает вид, показанный на рис.3, г.

В схеме с ОЭ (рис.4, а) входными ВАХ транзистора является семейство зависимостей тока базы (Iб) и коллектора (Iк) от напряжения между базой и эмиттером (Uбэ) при Uкэ - const (рис. 4, б).

Выходным током транзистора в схеме с ОЭ будет ток коллектора, выходным напряжением - напряжение между коллектором и эмиттером, а выходными ВАХ - семейство Iк (Uкэ) при Iб - const. В зависимости от соотношений между Uкэ и Uбэ режим транзистора меняется. При Uкэ < Uбэ и одинаковой полярности напряжений ("плюс" на базе и на коллекторе) транзистор находится в режиме насыщения, так как и на эмиттерном, и на коллекторном переходах будет прямое напряжение. При увеличении Uкэ напряжение на коллекторном переходе сначала станет равным нулю, а затем (при Uкэ > Uбэ) окажется обратным. При этом транзистор переходит в активный режим. В активном режиме выходной ток транзистора в основном определяется током, обусловленным инжекцией электронов из эмиттера, а на семействе выходных ВАХ будут наблюдаться пологие участки (рис.4, в). Эти участки семейства выходных ВАХ транзистора в схеме с ОЭ имеют гораздо больший и неодинаковый наклон по сравнению со схемой с ОБ. Наклон характеристик вызван тем, что при увеличении по модулю обратного напряжения Uкэ увеличивается толщина обедненного слоя перехода база-коллектор, уменьшается толщина слоя базы и, соответственно возрастает коэффициент передачи тока базы.

2.2. Схемотехнические модели биполярного транзистора.

Для анализа электронных схем с помощью специальных программ схемотехнического анализа (например, SPICE), необходимо иметь модель каждого элемента схема с соответствующими параметрами . Для биполярного транзистора такими моделям являются модели ЭберсаМолла (рис. 5, а) и, используемая в программе SPICE, зарядоуправляемая модель Гуммеля-Пуна (рис. 5, б).

2.2.1. Модель Эберса-Молла

Простая и удобная для простых расчетов физическая модель биполярного транзистора предложена Дж.Дж.Эберсом и Дж.Л.Моллом более 40 лет назад (в 1954 г). Для п-р-п транзистора она имеет вид, показанный на рис. 5, а.

9

Рис. 5 . Схемотехнические модели биполярного транзистора: Эберса-Молла (а) и Гуммеля-Пуна (б).

В модели Эберса-Молла p-п переходы транзистора представлены диодами, а их взаимодействие отражается управляемыми источниками тока. При нормальном включении транзистора (N) с помощью источника тока anI1 учитывается влияние тока I1, проходящего через эмитерный переход, на цепь коллектора. При инверсном включении (I) влияние тока I2, проходящего через kоллекторный переход, на цепь эмиттера учитывается с помощью источника тока II2. Диоды описываются ВАХ идеального р-п перехода

то в модели Эберса-Молла выражения для эмиттерного и коллекторного токов транзистора имеют вид:

Последние выражения представляют собой соответственно уравнения семейства выходных и входных ВАХ биполярного транзистора. Их называют формулами Эберса-Молла и они с достаточной степенью точности отражают основные процессы в биполярном транзисторе. Однако уравнения ( 13), (14) описывают лишь идеализированные ВАХ транзистора, так как в модели не учитывается ряд факторов, имеющих место в реальных транзисторах. К числу таковых относятся, например, внутренняя обратная связь, пробой р-п перехода, зависимость от тока.

10

Модель Эберса-Молла справедлива для всех четырех областей работы транзистора: отсечки, насыщения, активной (нормальной и инверсной). При моделировании работы транзистора только в одной области эквивалентные схемы транзистора значительно упрощаются. Для области насыщения тpанзистоp в пеpвом пpиближении можно заменить коpотким замыканием, а для области отсечки - pазpывом.

2.2.2. Модель Гуммеля-Пуна.

Как видно из рисунка 5, б , в модели имеется:

-два диода, отображающие переходы база-эмиттер и база-коллектор;

-генератор тока Iэк, описывающий передачу тока от эмиттера к коллектору и наоборот;

-емкости переходов база-эмиттер и база-коллектор, включающие барьерную составляющую и диффузионную;

-сопротивления областей базы, эмиттера и коллектора.

Генератор сквозного тока Iэк описывается выражением:

где Is - ток насыщения (не путать с понятием “режим насыщения”), имеющий порядок 10-12-10-15 А

Uбэ, Uбк - напряжения на переходах база-эмиттер и база-

коллектор;

t- тепловой потенциал, равный при 27 градусах Цельсия0.026

В;

nf, nr - коэффициенты неидеальности переходов база-эмиттер и база-коллектор (их значения близки к единице);

Qб - заряд в базе транзистора, учитывающий высокий уровень инжекции.

Токи базы в прямом и инверсном включении описываются с

где Bf и Br коэффициенты усиления тока базы в прямом и инверсном включении.

Определение основных параметров модели.

Основными параметрами модели Гуммеля-Пуна, определяемыми в лабораторной работе, являются:

Is - ток насыщения (А);

nf - коэффициент неидеальности в прямом включении;