
Лабораторная работа №2 исследование характеристик транзисторов
Цель работы: Исследование статических вольт-амперных характеристик транзистора в схемах с общей базой и общим эмиттером.
Теоретические сведения
Транзистор - полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления и/или генерирования электрических колебаний.
Т
ранзистор
биполярный
- полупроводниковый прибор с двумя или
более очень близко расположенными и
взаимодействующими между собой
p-n-п-реходами,
включенными встречно, и двумя или более
выводами, усилительные свойства которого
обусловлены явлениями инжекции и
экстракции неосновных
носителей
заряда. Классическая структура биполярного
транзистора (БПТ) реализуется на основе
трех полупроводниковых областей (рис.
1) с различными типами электропроводности.
В транзисторе p-n-p одна из р-областей называется эмиттером, вторая - коллектором, средняя n-область является базой. Для транзистора n-p-n типы проводимостей этих областей меняются. На рис. 2 приведено условное обозначение указанных транзисторов.
При
отсутствии внешнего напряжения. на
границе p- и n-областей возникают
потенциальные барьеры. Если к эмиттерному
переходу приложить прямое напряжение
(соответствующее проводящему направлению),
а к коллекторному - обратное, то
потенциальный барьер эмиттерного
перехода снизится на Uэб,
а потенциальный барьер коллекторного
перехода увеличится на Uкб.
Уменьшение высоты потенциального
барьера эмиттерного перехода приводит
к увеличению количества дырок,
преодолевающих его и переходящих в
базу. Вследствие диффузии дырки движутся
в сторону коллекторного перехода, поле
которого является ускоряющим для них.
Часть из них рекомбинирует с электронами
в базе. Восполнение последних происходит
через базовый электрод в виде тока базы.
Через этот же электрод протекает обратный
ток коллекторного перехода Iк0.
Большая часть дырок втягивается в
коллекторную область и образует
дополнительную составляющую коллекторного
тока.
Для БПТ выполняется соотношение (рис. 1)
Iэ = Iк + Iб,
где Iэ, Iк , Iб - соответственно токи эмиттера, коллектора и базы.
Отношение
= Iк/IэUкб=0
называется
коэффициентом
передачи тока от эмиттера к коллектору
(передачи э
миттерного
тока в коллекторную цепь) и показывает
количественно: какая часть дырок,
перешедших эмиттерный переход, достигает
коллекторного перехода.
Вид ВАХ транзистора зависит от схемы включения. Возможны три схемы включения в зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). На практике распространены две первые.
Н
а
рис. 3 приведена входная ВАХ БПТ,
включенного по схеме с ОБ: Iэ
= f(Uэб)
при Uкб=const,
а на рис. 5 - выходная ВАХ того же
транзистора. При Iэ=0
ток коллектора Iк=Iк0.
При Iэ0
Iк=Iк0
+ Iэ.
Некоторое увеличение Iк
с ростом
Uкб
при Iэ=const
объясняется расширением коллекторного
перехода, что приводит к сужению базы
и увеличению коэффициента
(эффект модуляции
толщины базы).
Входные и выходные ВАХ БПТ, включенного по схеме с ОЭ (рис. 5), приведены на рис. 6, 7. Зависимость между входным током Iб и выходным - Iк для данной схемы включения определяется как
(1)
г
де
=/(1-)=Iк/Iб
- коэффициент
передачи тока от базы к коллектору
(передачи базового тока в коллекторную
цепь).
При Iб=0
Iк = Iк0(+1) = Iкэ0= Iк0*.
При увеличении выходных напряжений (Uкб для схемы с ОБ, Uкэ - с ОЭ) сверх некоторого допустимого напряжения Iк резко нарастает, что приводит к пробою коллекторного перехода.
П
ри
изменении температуры окружающей среды
БТ изменяются Iк0
и коэффициент ,
что приводит к смещению выходных
характеристик вверх или вниз (рис. 4).
Смещение входных ВАХ (см. рис. 3) при
изменении температуры объясняется теми
же причинами, что и для прямой ветви ВАХ
диода.
Вследствие наличия емкостей эмиттерного и коллекторного переходов и конечной скорости перемещения носителей через базу коэффициенты и уменьшаются с ростом частоты входного сигнала. Указанные факторы также приводят к созданию сдвига по фазе между входным и выходным сигналами. В целом зависимость коэффициента от частоты определяется выражением
,
а коэффициента - выражением
.
(2)
Ч
астота
f,
при которой
= 0/2,
где 0
- коэффициент передачи тока эмиттера
для f=0, называется предельной.
Для схемы с ОЭ предельная частота f
предполагает, что =0/2
.
Для транзистора, включенного по схеме с ОЭ, f = f/.
Для БПТ по схеме с ОЭ также вводится понятие граничной частоты fг, на которой модуль для выражения (2) становится равным 1. Обычно частотные свойства транзистора характеризуют с помощью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), отображающей зависимость модуля коэффициента передачи тока ( или ) от частоты, и фазо-частотной характеристики (ФЧХ), показывающей изменение фазового сдвига при изменении частоты.
На практике в цепь коллектора БПТ включается нагрузочное сопротивление, с которого снимается выходной сигнал (рис. 8). Тогда
Uкэ + Iк Rк = Ек.
Д
анное
уравнение описывает прямую, которая
называется линией
нагрузки (рис.
9). Из рисунка видно, что при работе
транзистора с нагрузкой Iк
зависит не только от Iб,
но и от напряжения Uкэ.
Для схемы с ОБ Iб
заменяется на Iэ,
а Uкэ
- на Uкб.
В
зависимости от того, какой участок
выходных ВАХ пересекает линия нагрузки,
различают три режима работы БТ: активный,
насыщения и отсечки.
В активном режиме сохраняется зависимость Iк=f(Iб) в виде выражения (1). Когда Iб=Iб нас,
Iк нас = (Ек-Uкэ)/Rк Ек/Rк,
так как Uкэ нас<<Eк.
В режиме отсечки Iк Iкэ0.
Активный режим транзистора обычно используется в работе усилительных схем, а насыщения и отсечки - импульсных.
Б
ПТ
является нелинейным электронным
элементом, так как характеризуется
нелинейными зависимостями U=f(I) входных
и выходных ВАХ (см. рис. 3, 4, 6, 7). Но при
работе транзистора в режиме малого
сигнала, т.е. при относительно небольших
амплитудах переменных составляющих
входных и выходных величин, он может
быть представлен в виде активного
линейного четырехполюсника (рис. 10),
предполагающего линейные зависимости
между токами и напряжениями на входе и
выходе. Возможно шесть вариантов выбора
пар независимых и зависимых переменных
для описания связи токов и напряжений
в данном четырехполюснике. В силу
специфики входных и выходных ВАХ
транзистора для его описания обычно
выбирают в качестве независимых
переменных входной ток i1
и выходное напряжение u2,
а зависимыми становятся: входное
напряжение u1
и выходной ток i2.
При таком выборе четырехполюсник
описывается системой уравнений на
основе h-параметров
Указанный выше выбор зависимых и независимых переменных приводит к преобразованию данной системы к виду
u
(3)
1
=
h11i1
+
h12u2;
i2 = h21i1 + h22u2.
Тогда физический смысл h-параметров определяется как:
-
входное сопротивление при коротком
замыкании на выходе по переменному
сигналу;
-
коэффициент обратной связи по напряжению
в режиме холостого хода на входе по
переменному сигналу;
-
коэффициент передачи тока при коротком
замыкании на выходе по переменному
сигналу;
-
выходная проводимость при холостом
ходе на выходе по переменному сигналу.
Единицы измерений h-параметров различны: h11 измеряется в омах, h22 - в сименсах, h21 и h12 - безразмерны. Так как физические размерности параметров неодинаковые, то такую систему называют гибридной.
С
хема
замещения транзистора на основе
h-параметров представлена на рис. 11. В
ней генератор э.д.с. h12u2
учитывает наличие напряжения обратной
связи во входной цепи, когда на выходе
действует напряжение u2,
а входная цепь разомкнута. Сам генератор
считается идеальным, т.е. не имеющим
внутреннего сопротивления. Идеальный
генератор тока h21i1
учитывает взаимосвязь выходного и
входного токов.
В инженерных расчетах обычно используется упрощенная эквивалентная схема БПТ на основе h-параметров (рис. 12), в которой отсутствуют параметры h12 и h22 в силу их незначительного влияния на функционирование транзистора.
Для каждой схемы включения транзистора существует свой набор h-параметров, идентифицируемый соответствующим индексом, но между этими наборами существует однозначная связь, представленная в табл. 1.
Таблица 1
H11э |
|
h11б |
|
H12э |
|
h12б |
|
H21э |
|
h21б |
|
H22э |
|
h22б |
|
Применительно к схеме включения с ОЭ для коэффициента h21э широко используется обозначение , а в схеме с ОБ - вместо h21б коэффициент -, так как в данной схеме включения направления тока iк противоположно базовому направлению тока i2 исходного четырехполюсника (см. рис. 10), т.е. h21б<0. Но в практических расчетах коэффициент обычно используется как положительная величина.
H-параметры обычно измеряются специальными техническими средствами, что упрощает данный процесс и повышает его точность, но при практических расчетах значения данных параметров могут быть определены и графо-аналитическим методом по статическим входным и выходным ВАХ, так как переменные составляющие токов и напряжений транзистора представляют приращения постоянных составляющих этих величин, т.е. система (3) может быть представлена в виде
U1= h11I1 + h12U2;
U1= h11I1 + h12U2.
На рис. 13 показан процесс определения h-параметров по входной ВАХ транзистора, а на рис. 14 - по выходной. Из рисунков видно, что значения h-параметров не являются постоянными для конкретного транзистора и зависят от режима по постоянному току (рабочей точки покоя транзистора) - значений постоянных составляющих токов и напряжений на входе и выходе транзистора. Поэтому в справочной литературе при указании h-параметров обязательно указывается и режим, при котором произведены измерения. Значения h-параметров также зависят от частоты переменного сигнала и температуры окружающей среды.
;
.