Автор-составитель: Д.В. Погодин

Казань – 2002

ИССЛЕДОВАНИЕ биполярных транзисторовов (EWB)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомление с характеристиками биполярного транзистора, с методиками их определения для различных схем включения, получение навыков практического исследования вольт-амперных характеристик транзистора и определения его параметров.

1. Основные понятия и расчетные соотношения

1.1.Принцип работы, ХАРАКТЕРИСТИКИ И

 ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРА

Транзистором называется трехэлектродный  полупроводниковый прибор, структура которого содержит два электронно-дырочных перехода. Транзистор представляет собой монокристаллическую пластину полупроводника, в которой с помощью особых технологических приемов созданы три области, две из них имеют одинаковый тип электропроводности и разделены между собой областью с иной электропроводностью. Эта средняя область называется базой, а две другие, крайние – эмиттером и коллектором.

Эмиттер осуществляет инжекцию (т.е. введение) неосновных носителей зарядов в базу, а коллектор–экстракцию (сбор) носителей. Транзистор, у которого эмиттер и коллектор имеют электропроводность р-типа относятся к p-n-p–типу. Если же база р–типа, а коллектор и эмиттер n-типа, то это транзистор n-p-n-типа (рис.1.1). Так, если коллектор транзистора p-n- p-типа подключается к отрицательному полюсу источника, то коллектор транзистора n-p-n-типа к положительному. В условных графических изображениях эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода.

Рис.1.1.

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие заключается лишь в том, что в транзисторе n-p-n–типа через базу к коллектору движутся электроны, инжектированные эмиттером, а в транзисторе p-n-p–типа–дырки. Для этого к электродам транзистора подключают источники тока обратной полярности.

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на примере транзистора p-n-p типа включенного по схеме с (ОБ) общей базой (рис.1.2). Между р- и n-областями возникают p-n переходы. Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным (ЭП), а переход между коллектором и базой  - коллекторным (КП). Как показано на рис.1.2, коллекторная цепь транзистора подключается к источнику э.д.с.-Е_кб т.е. КП смещен в обратном направлении. В коллекторном переходе напряженность поля под действием Е_кб возрастает. Это приводит к появлению незначительного обратного тока I_ко в коллекторной цепи, обусловленного движением неосновных носителей зарядов. Этот ток существенно возрастает с увеличением температуры, поэтому его называют тепловым током коллектора – I_ко.

Эмиттерный переход внешним источником напряжения смещен в прямом направлении (ЭП, рис.1.2). Напряженность поля эмиттерного перехода при этом уменьшается. Через эмиттерный переход происходит инжекция дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер. В цепи эмиттера появится ток, равный сумме токов, обусловленных электронной I_э(n) и дырочной I_э(p) электропроводностями:

Особенность транзистора состоит, в том, что концентрация дырок в эмиттере намного больше концентрации электронов в базе. Поэтому дырочная составляющая тока эмиттера значительно больше электронной (1). В базе происходит накопление неосновных носителей зарядов–дырок. В результате диффузии дырки перемещаются к коллекторному переходу. Часть дырок при этом рекомбинирует в базе с электронами, что создают ток в цепи базы I_б. Но так как толщина базы очень мала (несколько микрометров), доля рекомбинированных дырок незначительна. Вблизи коллекторного перехода дырки оказываются под действием электрического поля, обратновключенного перехода, увлекаются им через переход в коллекторную область и далее – к выводу коллектора, где рекомбинируют с электронами, поставляемыми через внешнюю цепь источником э.д.с, что создает ток в коллекторной цепи I_к.

Таким образом, ток эмиттера равен сумме токов базы I_б и коллектора I_к:

Ток коллектора состоит из потока дырок инжектируемых эмиттером за вычетом тока базы и собственного теплового тока коллекторного перехода:

где α = I_к/I_э – коэффициент передачи тока эмиттера; I_к0 – тепловой ток обратно включенного коллекторного перехода.

Отсюда, ток базы равен:

Этот ток составляет не более 1% от тока эмиттера.

Все сказанное справедливо также для транзистора n-p-n–типа с учетом высказанных ранее замечаний о перемене на противоположное направление движения токов и смене знаков источников питания схемы транзистора.

В зависимости от того какой из выводов транзистора является общим между входным источником сигнала и выходной цепью транзистора существуют три основные схемы включения транзистора в электрическую цепь: с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК), с общей базой (ОБ) (рис. 1.3).

Основными вольтамперными характеристиками транзистора являются входная и выходная характеристики.

Зависимость U_вх =¦₁(I_вх)|_{Uвых =const} – называют входной статической вольт–амперной характеристикой (ВАХ), а зависимость I_вых=¦₂(U_вых) |_{Iвх =const} выходной статической ВАХ. ВАХ снимают в режиме по постоянному току и представляют собой зависимости постоянных токов и напряжений. Характеристики транзистора зависят от схемы его включения.

Для транзистора включенного по схеме с ОБ это будут соответственно зависимости:

Характеристики обычно снимаются при нескольких различных постоянных  значениях I_э и U_кб. При этом получаются семейства статических входных и выходных характеристик, которые представлены на рис. 1.4 а, б.

Рис.1.4.

Входной характеристикой для схемы с ОБ является зависимость напряжения U_эб от входного тока I_э при фиксированном U_кб (рис.1.4а). Эта характеристика подобна обычной  характеристике полупроводникового диода смещенного в прямом направлении. При подаче положительного коллекторного напряжения U_кб>0 характеристика смещается влево. Это свидетельствует о наличии в транзисторе внутренней обратной связи, возникающей по ряду причин. Например, увеличение коллекторного напряжения вызывает уменьшение толщины базы, из-за чего увеличивается градиент концентрации основных носителей, что вызывает увеличение тока эмиттера и веерообразное смещение входных характеристик влево.

Выходная характеристика для схемы с ОБ (рис.1.4б) выражает зависимость тока коллектора I_к =f₂(U_кб) при заданных входных токах I_э. Как видно из рис.1.4б при U_кб=0 ток коллектора I_к ¹ 0, т.к. основные носители области эмиттера, инжектированные в базу, дрейфуют через коллекторный p-n-переход в область коллектора. Ток коллектора I_к (ток неосновных носителей) исчезает (обращается в ноль) только при некотором напряжение обратной полярности (при прямом смещении коллекторного перехода).

Незначительный наклон выходных характеристик указывает на высокое омическое сопротивление коллекторного перехода в закрытом  состоянии, достигающий десятков и даже сотен кОм.

Для снятия статических характеристик транзистора с ОБ используется измерительная схема (рис.1.5). Эмиттер питается от регулируемого источника тока Iэ (отрицательной полярности), а на коллектор напряжение подается от регулируемого источника напряжения U_к, причем напряжение должно регулироваться в диапазоне от –1В до +10В, т.к. падающая часть выходной характеристики (режим насыщения транзистора), заходит в область отрицательных коллекторных напряжений (рис.4б).

При анализе работы транзистора и расчетах усилительных схем используется система параметров малого сигнала. Наиболее употребительна система h–параметров, связывающая малые приращения (дифференциалы) напряжения на входе транзистора dU₁ и выходного тока dI₂ c малым приращением входного тока dI₁ и выходного напряжения dU₂ транзистора:

Указанные h-параметры, входящие коэффициентами, в уравнения (6) имеют следующий физический смысл:

дифференциальное входное  сопротивление транзистора (индекс Б означает, что h–параметр определен в схеме включения транзистора с ОБ). При токе эмиттера порядка 1мА входное дифференциальное сопротивление h_11б по порядку величины составляет десятки Ом;

коэффициент обратной связи по напряжению, имеет величину порядка 10^-5 и, в большинстве случаев, при расчетах этим коэффициентом из-за его малости пренебрегают;

коэффициент передачи тока эмиттера, основной усилительный параметр транзистора. В технической литературе этот параметр часто обознача­ется как a. Значение a всегда меньше единицы (a<1) и имеет порядок величины 0.9¸0.995. Чем  ближе a к единице, тем лучше усилительные свойства транзистора;

выходная проводимость транзистора, в схеме с ОБ имеет величину порядка 10^-5 ¸ 10^-7 См  (1сименс – единица проводимости).

Наиболее часто на практике применяют схему включения транзистора с общим эмиттером ОЭ. При таком включении входным электродом  является база, эмиттер заземляется (общий электрод), а выходным электродом по-прежнему является коллектор (рис.1.6).

Рис.1.6.

Основным передаточным параметром для схемы включения с ОЭ является коэффициент усиления тока базы b:

Параметр b связан с коэффициентом передачи тока эмиттера соотношением

По порядку величина b лежит в интервале значений b=10¸200.

  Из остальных h-параметров важное значение имеют входное дифференциальное сопротивление транзистора

и выходная дифференциальная проводимость

Для схемы с ОЭ входное сопротивление единицы составляет единицы кОм, а выходная проводимость - 10^-4  -10^-5

Входная и выходная характеристики транзистора с ОЭ несколько отличаются от характеристик транзистора с ОБ (см. рис.1.6).

Входной характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, является зависимость напряжения U_бэ от входного тока I_б, U_бэ =¦₁(I_б) при заданном напряжении U_кэ. Совокупность таких зависимостей называется семейством входных характеристик транзистора (рис.6 б). При U_кэ =0 тепловой ток I_к0 в цепи коллектора отсутствует и зависимость U_бэ =¦₁(I_б)  соответствует ВАХ эмиттерного р-n–перехода,  включенного в прямом направлении. При U_кэ>0 в цепи коллектора появляется ток-I_к0, направленный навстречу току I_б. Для компенсации этого тока в цепи базы нужно создать ток I_б=I_к0, приложив соответствующее напряжение U_бэ.  Это приводит к смещению входной характеристики вправо вниз.

Выходной характеристикой транзистора по схеме с ОЭ считывается зависимость I_к =¦₂(U_кэ) при заданном токе I_б (рис.1.6в). Если U_бэ=0, в цепи коллектора протекает только тепловой ток, так как в этом случае инжекция дырок из эмиттера в базу (для p-n-p-транзистора I_к0 = -I_б) или инжекция электронов из эмиттера в базу (для n-p-n–транзистора) отсутствует. При U_кэ=0 ток в цепи коллектора не проходит, это объясняется тем, что напряжение U_бэ  и U_кэ направлены встречно друг другу, т.е. потенциал коллектора выше потенциала базы и коллекторный переход оказывается при этом закрыт. Поэтому выходные характеристики не пересекают ось ординат.

Рис.1.7.

На рис.1.7 приведена принципиальная схема стенда для снятия вольт-амперных характеристик  транзистора, включенного с ОЭ. Входная  цепь (цепь базы) питается от регулируемого источника тока I положительной полярности, которой поддерживает заданной ток базы. Величина тока базы I_б измеряется миллиамперметром РА1. Напряжение между эмиттером и базой U_бэ измеряется внешним вольтметром. Напряжение на коллекторе устанавливается от регулируемого источника напряжения Е_к. Напряжение коллектора U_кэ измеряется с помощью внешнего вольтметра. Для измерения коллекторного тока I_к служит миллиамперметр РА2.

При работе транзистора с коллекторной нагрузкой R_к связь между коллекторным током I_к и напряжением на коллекторе U_к выражается уравнением нагрузочной характеристики:

Нагрузочная характеристика представляет прямую на семействе коллекторных характеристик транзистора (см. рис.7.в), пересекающуюся с осями координат  Е_к/ R_к и Е_к соответственно.

Экспериментально  нагрузочную характеристику можно снять посредством регулировки тока базы I_б .

1.2. Методика графического определения H–параметров транзистора

Располагая вольт–амперными характеристиками транзистора, можно графическим путем определить низкочастотные значения h-параметров. Для определения h-параметры необходимо задать рабочую точку, например А (I_бА, U_кэА), в которой требуется найти параметры.

Параметры h_11э  и h_12э находят по входной характеристики U_бэ =¦₁(I_б)|_Uкэ=const.

Определим h_11э для заданной рабочей точки А (I_бА, U_кэА). На входной характеристике находим точку А, соответствующую заданной рабочей точке (рис.1.8). Выбираем вблизи рабочей точки А две вспомогательные точки А₁ и А₂ (приблизительно на одинаковом расстоянии), определим по ними DU_бэ и DI_б и рассчитаем входное дифференциальное сопротивление, по формуле:

h_11э=(DU_бэ /DI_б)|_Uкэ=const.

Приращения DU_бэ и DI_б выбирают так, чтобы не выходить за пределы линейного участка, их можно примерно принять за (10-20)% от значений рабочей точки.

Графическое определение параметра h_12э =  DU_бэ /DU_кэ затруднено, так как семейство входных характеристик при различных DU_кэ>0 практически сливается в одну (рис.1.8.).

Параметры h_22э и h_21э определяются из семейства выходных характеристик транзистора I_к=¦₁ (U_кэ) (рис.1.9).

Параметр h_21э= (DI_к /DI_б) |_Uкэ=const находится в заданной рабочей точке А (I_бА, U_кэА). Для нахождения приращений выбирают две вспомогательные точки А₁ и А₂ вблизи рабочей точки А при постоянном U_кэ =U_кэ0. Приращение тока базы DI_б следует брать, как DI_б=I_б2 – I_б1, где I_б2 и I_б1 определены как токи базы в точках А₂ и А₁. Этому приращению DI_б соответствует приращение коллекторного тока DI_к = I_к2 – I_к1, где I_к2 и I_к1.определены в точках точках А₂ и А₁. Тогда дифференциальный коэффициент передачи тока базы рассчитаем по формуле h_21э= (DI_к /DI_б) )|_Uкэ=const .

Параметр h_22э=(DI_к/DU_кэ)½_Iб=const  определяется по наклону выходной характеристики (рис.1.9) в заданной рабочей точке А (I_бА, U_кэА), при постоянном токе базы I_б. Для нахождения приращений выбирают две вспомогательные точки точки А^*₁ и А^*₂ . Для этих точек определяют DU^*_кэ|_{Iб = IбА} =U_к2 – U_к1 – приращение коллекторного напряжения, и приращение коллекторного тока DI^*_к= I^*_к2 – I^*_к1. При этом из семейства выходных характеристик следует выбирать ту характеристику, которая снята при выбранном значение тока базы I_б=I_бА .

Если рабочая точка не совпадает ни с одной траекторией приведенной на графике, то такую траекторию надо провести самостоятельно, между и по аналогии с соседними значения тока базы которых известно, и присвоить ей свое значение тока базы равное I_бА .

2. Задания на теоретические расчеты

2.1. Ознакомиться со схемами включения биполярного транзистора, с методикой исследования и снятия статических вольт-амперных характеристик с ОБ и ОЭ; с методикой графического определения h–параметров транзистора.

2.2. Рассчитать по формуле (15) и построить нагрузочную характеристику I_к= ¦₃ (U_кэ) биполярного транзистора для следующих исходных данных R_к=1кОм, 3кОм; Е_к=10B;

3. Задания на экспериментальное исследование и порядок их выполнения

Задание 1. Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОБ (с помощью амперметра-вольметра).

1.1. Снять входную ВАХ – I_э=F(U_эб)|_Uкб=const. Для этого собрать схему (рис.3.1). Все измерительные приборы поставить в режим измерения постоянного тока (режим DC).

Рис.3.1.	Рис.3.2.

1.2. Изменяя ток эмиттера и регистрируя его величину амперметром А1 измерять напряжение U_эб. Данные занести в табл.1.

Таблица1.

При построение входных ВАХ биполярного транзистора входным сигналом берут ток (I_э, I_б) т.к. биполярный транзистор – прибор управляемый током.

По результатам измерений построить графики.

1.2. Собрать схему (рис.3.1) и снять выходную ВАХ – I_к=F(U_кб)|_Iэ=const. Данные занести в табл.2.

Таблица 2.

По результатам измерений построить графики семейства выходных ВАХ.

Задание 2. Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОЭ (с помощью амперметра-вольметра).

2.1. Снять входную ВАХ –I_б=F(U_бэ)|_Uкэ=const. Собрать схему (рис.3.2). Данные занести в таблицу аналогичную табл.1. Измерения проводить при Iб=0; 0.01; 0.05; 0.1мА,  при Uкэ=0 и +15В.

По результатам измерений построить графики.

2.2 Снять семейство выходных ВАХ – I_к=F(U_кэ)|_Iб=const. Данные занести в таблицу аналогичную табл.2.

По результатам измерений построить графики семейства выходных ВАХ.

Задание 3. Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОБ (с помощью осциллографа).

3.1. Снять входную ВАХ – I_э=F(U_эб)|_Uкб=const I_б=F(U_бэ)|_Uкэ=const. Собрать схему (рис.3.3). Осциллограф поставить в режим В/А. Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.1 или просто убедиться в их соответствии.

Рис.3.3.

3.2. Снять семейство выходных ВАХ – I_к=F(U_кб)|_Iэ=const. Собрать схему (рис.3.4).

Рис.3.4.

Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.2 или просто убедиться в их соответствие.

Задание 4. Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с Оэ (с помощью осциллографа).

4.1. Снять входную ВАХ – I_б=F(U_бэ)|_Uкэ=const. Собрать схему (рис.3.5). Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.2 или просто убедиться в их соответствие.

Рис.3.5.

4.2. Снять семейство выходных ВАХ – I_к=F(U_кэ)|_Iб=const. Собрать схему 3.6. Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.2 или просто убедиться в их соответствие.

Рис.3.6

Задание 5 Исследование частотных характеристик передаточных параметров транзистора a(jw), b (jw)

5.1. Измерение зависимости от частоты модуля коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОБ a(w)= I_mк/I_{m э}|_Iэо=const,.

Для измерения зависимости от частоты модуля коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОБ a(w)= I_mк /I_{m э}|_Iэо=const, составить соответствующую таблицу и по ней нарисовать график зависимости a(w). Определить f_a  - граничную частоту транзистора включенного по схеме с ОБ.

5.1.2. Схема, для измерения коэффициента передачи тока транзистора, включенного по схеме с ОБ, на высокой с помощью измерителя диаграмм Боде, приведена на рис.3.8. Измеритель поставить в режим измерения АЧХ. Подобрать пределы измерений по вертикальной и горизонтальной осям так, чтобы, получить на экране измерителя изображение АЧХ, удобное для снятия показаний. Измерить α₀ и f_α. Результаты измерений записать в отчет.

Рис.3.8.

5.2. Измерение фазово-частотной характеристики коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОБ j_a(w)=(j_Imк  -j_Imэ). Измеритель Боде поставить в режим измерения ФЧХ. Подобрать пределы измерений по вертикальной и горизонтальной осям так, чтобы, получить на экране измерителя изображение ФЧХ, удобное для снятия показаний.

Объяснить, что происходит с фазой гармонического сигнала при прохождении его через транзистор. Измерить запаздывание по фазе на частоте f_a .

5.3. Измерение зависимости от частоты модуля коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОЭ b(w)=I_{m к}/I_{m б}|_Iэо=const,.с помощью измерителя диаграмм Бодэ.

Рис.3.9.

5.4. Измерение фазово-частотной характеристики коэффициента передачи транзистора включенного по схеме с ОЭ j_b(w)a(w)=I_{к m}/I_{э m}|_Iэо=const,. Схема измерения приведена на рис.3.9. Измеритель поставить в режим измерения ФЧХ. Подобрать пределы измерений по вертикальной и горизонтальной осям так, чтобы, получить на экране измерителя изображение ФЧХ, удобное для снятия показаний. Измерить β₀ и f_β. Результаты измерений записать в отчет.

Рис. 3.10

Объяснить, что происходит с фазой гармонического сигнала при прохождении его через транзистор. Определить запаздывание по фазе на частоте f_b. На рис.3.10 приведены АЧХ и ФЧХ .

Задание 6. Исследовать зависимости усилительных и частотных свойств транзистора включенного по схеме с ОБ от  тока эмиттера - a=F( I_эо), f_a= F( I_эо).

Собрать схему (рис.3.11). Добиться удобного изображения АЧХ. Величину a и f_a= измерять с помощью измерителя АЧХ. Величину a можно измерить с помощью вольтметра.

Результаты измерений занести в табл. 3.

Таблица 3.

Построить графики a=F( I_эо), f_a= F( I_эо).

Рис.3.11.

Задание 7. Исследовать зависимости усилительных и частотных свойств транзистора включенного по схеме с ОЭ от  тока эмиттера - b=F( I_эо), f_b= F( I_эо).

Собрать схему (рис.3.12). Величину b и f_b измерять с помощью измерителя АЧХ. Добиться удобного изображения АЧХ.  Величину a можно измерить с помощью вольтметра.

Результаты измерений занести в табл.4.

Таблица 4.

Построить графики b=F(I_эо), f_b=F(I_эо).

4. Указания к отчету

Отчет должен содержать:

1. Название работы, фамилию и. о. студента и номер группы.

2. Схемы для исследования вольт–амперных характеристик ОБ и ОЭ.

3. Таблица с результатами измерений и графики вольт–амперных характеристик.

4. Вычисленные значения h-параметров транзистора.

5. Вопросы для самоконтроля

1. Схема и методика снятия статических характеристик транзистора для схемы  ОБ.

2. Входные и выходные характеристики транзистора, включенные  по схеме с ОБ.

3. Схема и методика исследования вольт-амперных характеристик транзистора для схемы ОЭ.

4. Входные и выходные характеристики для схемы включения с ОЭ.

5. Схема для исследования нагрузочной характеристики транзистора. Описать методику её снятия и нарисовать вид нагрузочной характеристики для схемы с ОЭ.

6. Перечислить статические h-параметры транзистора и описать методику их определения по вольтамперным характеристиками.

7. Объяснить методику и схему измерения входной ВАХ биполярного транзистора, с помощью амперметра-вольтметра.

8. Объяснить методику и схему измерения входной ВАХ биполярного транзистора с помощью осциллографа в режиме характериографа.

9. Объяснить методику и схему измерения выходной ВАХ биполярного транзистора с помощью амперметра-вольтметра.

10. Объяснить методику и схему измерения выходной ВАХ биполярного транзистора с помощью осциллографа в режиме характериографа.

11. Объяснить методику и схему измерения частотных характеристик передаточных параметров биполярного транзистора с помощью амперметра.

12. Объяснить методику и схему измерения частотных характеристик передаточных параметров биполярного транзистора с помощью измерителя диаграмм Боде.

13. Объяснить методику и схему измерения входной ВАХ биполярного транзистора, с помощью амперметра-вольтметра.

14. Объяснить методику и схему измерения входной ВАХ биполярного транзистора с помощью осциллографа в режиме характериографа.

15. Объяснить методику и схему измерения выходной ВАХ биполярного транзистора с помощью амперметра-вольтметра.

16. Объяснить методику и схему измерения выходной ВАХ биполярного транзистора с помощью осциллографа в режиме характериографа.

17. Объяснить методику и схему измерения частотных характеристик передаточных параметров биполярного транзистора с помощью амперметра.

18. Объяснить методику и схему измерения частотных характеристик передаточных параметров биполярного транзистора с помощью измерителя диаграмм Боде.

6. Список литературы

1. Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники. М.: Высш. шк., 1998.  С.175–185.

2. Пасынков В.В., Чиркин Д.К., Шинков А.Д. Полупроводниковые приборы М. :Высш. шк., 1981. С.166-248.