Лабораторная работа № 3. Исследование статических характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой

Цель работы: изучение принципа работы и приобретение навыков экспериментального исследования ВАХ биполярного полупроводниковых транзисторов.

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Биполярный транзистор – активный прибор, так как он позволяет осуществлять усиление мощности.

 
Рис. 3.1. Биполярный p-n-p-транзистор в активном режиме
 
Рис. 3.2. Условное обозначение биполярного транзистора

Биполярный транзистор состоит из трех областей чередующегося типа электропроводности (рисунок 3.1), которые образуют два p-n-перехода, расположенных в непосредственной близости один от другого. В зависимости от порядка расположения областей различают p-n-p и n-p-n-транзисторы. Условное обозначение транзистора показано на рисунке 3.2. В активном режиме работы транзистора (режиме усиления мощности) на эмиттерный переход подается прямое смещение, а на коллекторный переход – обратное.

В p-n-p-транзисторе эмиттерный p-n-переход при прямом смещении инжектирует дырки из эмиттера в базовую область транзистора. Как правило, концентрация легирующей примеси в эмиттере значительно больше, чем в базе, в этом случае ток дырок Iэp, инжектируемых в базу, практически равен полному току эмиттера Iэ. Эффективность эмиттера характеризуется коэффициентом инжекции , который должен быть близок к единице.

Часть дырок, инжектированных эмиттером, будет рекомбинировать в базе с электронами. Если толщина базы w много меньше диффузионной длины дырок в базе Lp, то большинство дырок дойдет до коллектора. Коллекторный переход смещен в обратном направлении, поэтому все дырки, дошедшие до ОПЗ коллектора, будут захвачены электрическим полем перехода и переброшены в квазинейтральную область коллектора – произойдет экстракция дырок коллектором. Эффективность перемещения неосновных носителей через базу характеризуется коэффициентом переноса , где – ток дырок, достигающих границы ОПЗ коллекторного перехода. Значение в транзисторе с малым отношением w/Lp близко к единице.

При токе эмиттера через коллекторный переход протекает обратный ток, обусловленный приложенным к нему обратным напряжением, как в изолированном p-n-переходе, , где – обратный ток насыщения коллекторного перехода, – напряжение, приложенное к коллектору. Учитывая, что управляемая эмиттером составляющая тока коллектора равна γ Iэ, полный ток коллектора:

, (3.1)

где – коэффициент передачи тока эмиттера при нормальном включении, т.е., когда эмиттер инжектирует электроны, а коллектор – собирает. (Возможен и инверсный режим, когда коллектор инжектирует электроны, а эмиттер – собирает.)

Транзистор может быть включен по схеме с общей базойОБ (базовый вывод на земле, он является общим для входной и выходной цепей), с общим эмиттером и общим коллектором. Схемы включения транзистора показаны на рисунке 3.3.

 
 

 


ОБ ОЭ ОК
Рис. 3.3. Схемы включения транзистора

Зависимостью при постоянном Iэ определяется семейство выходных ВАХ (рисунок 3.4,а) транзистора с общей базой. Семейство входных ВАХ (рисунок 3.4,б) транзистора с ОБ представляет собой зависимость , параметром семейства является .

 
 

 

 


а)б)
Рис. 3.4. Выходные и входные ВАХ p-n-p-транзистора с ОБ

В зависимости от соотношения полярности напряжений на p-n-переходах различают активный (усилительный) режим, при котором эмиттер смещен прямо, а коллектор – обратно; режим насыщения, при котором коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении и инжектируют неосновные носители в базу; режим отсечки, при котором оба p-n-перехода обратно смещены, ток коллектора очень мал и равен .

Физические процессы в биполярном транзисторе можно описать системой уравнений:

; (3.2)

; (3.3)

(3.4)

где – нормальный коэффициент передачи тока, – инверсный коэффициент передачи тока, и токи насыщения эмиттерного и коллекторного p‑n‑переходов Iэ0 = Sэ(jэ ps+ jэ ns), Iк0 = Sк(jк ps+ jк ns).

Коэффициент передачи тока эмиттера является важнейшим параметром транзистора. В p-n-p-транзисторе:

(3.5)

(3.6)

где Nб, Nэ, Nк – концентрации легирующей примеси в базе, эмиттере, коллекторе, Sэ и Sк – площадь эмиттера и площадь коллектора.

Группа уравнений (3.2) - (3.4) и соответствующая электрическая модель (рисунок 3.10) называются моделью Эберса-Молла. Для более полного представления свойств транзистора модель дополнена омическими сопротивлениями квазиэлектронейтральных областей эмиттера, базы и коллектора.

Рис. 3.5. Эквивалентная схема модели Эберса-Молла для p-n-p-транзистора

В активном режиме работы транзистора коллекторный переход обратно смещен, → Iк0. Это обратный ток p-n-перехода, он очень мал, им можно пренебречь (считаем, что ток I2 на рисунке 3.5 равен нулю). Тогда - это ток прямо смещенного эмиттерного перехода (I1 на рисунке 3.10), а ток коллектора равен (ток источника αN ∙I1).

При повышенном обратном напряжении на ОПЗ коллектора электроны могут вызвать ударную ионизацию носителей заряда, произойдет лавинное умножение носителей, все токи, пересекающие переход, увеличатся в M раз (M – коэффициент лавинного умножения). Лавинное умножение может приводить к нестабильной работе транзистора, поэтому при усилении электрических сигналов такой режим не используют. Задают такое , что M ≈ 1.

Для транзистора с ОБ коэффициент усиления по току ΔIвых /ΔIвх = αN < 1, т.е. усиления тока не происходит. Однако транзистор с ОБ позволяет получить большое усиление по напряжению (ΔUвых /ΔUвх). Коэффициент усиления по мощности (ΔPвых /ΔPвх) транзистора с ОБ может быть заметно больше единицы. Выходное дифференциальное сопротивление транзистора в пологой области велико, входное дифференциальное сопротивление транзистора, определяемое по входной ВАХ прямосмещенного эмиттерного перехода, значительно center>

Дата добавления: 2015-04-01; просмотров: 150; Опубликованный материал нарушает авторские права?.