Вольтамперные характеристики биполярных транзисторов.

Семейство ВАХ ОБ

Индексация напряжений, подаваемых на вход и выход БТ, двойная. Первая буква - первая буква названия входного или выходного выводов, вторая – общего вывода. Знак напряжения определяется относительно общего вывода – нулевого. Далее будут рассматриваться маломощные германиевый и кремниевый p- n- p транзисторы.

 

Входные ВАХ

Семейства ВАХ БТ ОБ составляют входные ВАХ и выходные ВАХ . Входное напряжение (прямое смещение ЭП) подаётся на эмиттерный переход (ЭП). Величина его максимального входного напряжения не должна превышать 0,6 В. При , т.е. при закороченных выводах коллектора и базы, ток эмиттера разделяется на ток коллектора I_k0 и ток базы I_b, которые воссоединяются в выводе коллектора. Входной ток - ток эмиттера - это ток прямо смещенного ЭП.

Рис.3. Распределение токов в КС БТ

На рис.4 справа изображена нулевая входная ВАХ () БТ ОБ. В этой схеме коллектор закорочен с базой. Практически она является прямой ветвью ВАХ диода. При подаче на коллектор напряжения входные ВАХ смещаются влево (рис.4). Величина смещения для , больше, чем для и более. Для ток эмиттера при на первый вольт возрастает больше, чем на любой последующий.

Рис.4. Семейство входных ВАХ БТ ОБ

 

Эта разница объясняется разными по величине изменениями градиента концентрации дырок на левой границе базы, первого и любого последующего токов. Эмиттерный ток через базу - диффузионный. Его величина пропорциональна градиенту концентрации ННЗ базы .

С увеличением обратного смещения коллекторного перехода (КП) толщина ОПЗ увеличивается в базу. Действующей толщиной W базы называется расстояние между границами базы, зависящее от напряжения на коллекторе. Зависимость действующей толщины базы от напряжения на КП называется эффектом модуляции толщины базы или эффектом Эрли. Очевидно, что . Из лианеризированных графиков производных (распределения концентраций ННЗ) для трех этих значений напряжений следует, что при подаче первого вольта величина градиента концентрации ННЗ возрастает и за счет увеличения числителя, и за счет уменьшения знаменателя дроби (эффект Эрли). При подаче следующего Вольта дробь уменьшается только за счет эффекта Эрли. Поэтому в первом случае ток эмиттера возрастет больше, чем во втором.

Выходные ВАХ

 

В соответствии с уравнением (3) ток коллектора при фиксированном токе эмиттера не должен зависеть от напряжения на коллекторе. Но при этом не учитываются эффект Эрли и скачок перепада концентрации ННЗ при подаче выходного напряжения. Ток I_k, аналогично I_э, диффузионный дырочный, но на правой границе базы. При повторении рассуждений, выполненных при анализе особенностей входных ВАХ применительно к правой границе базы, можно прийти к следующим выводам.

Рис.5. Выходные ВАХ транзистора ОБ

На начальном участке ВАХ от нуля до одного вольта должен существовать слабо возрастающий участок. На остальной части ВАХ, где сказывается только эффект Эрли, ток практически постоянен (рис.5).

 

Параметры статических ВАХ

 

У четырехполюсника, работающего в режиме переменного сигнала, стандартными являются четыре параметра: входные и выходные сопротивления, коэффициенты передачи тока и напряжения. Из семейства входных ВАХ для транзистора с ОБ можно определить только два параметра:

(4), (5)

где входное сопротивление БТ ОБ, коэффициент обратной передачи напряжения.

 

Семейства ВАХ ОЭ

Семейства ВАХ БТ ОЭ составляют входные и выходные ВАХ. Входное напряжение подаётся на вывод базы ЭП. Выходное – на вывод коллектора. Очевидно, что знаки входного и выходного напряжений схемы ОЭ одинаковы (рис.6). В схеме с ОБ они различны.

 

Рис.6. Условная структурная схема БТ ОЭ

 

Входные ВАХ

 

Для входной ВАХ при нулевом входном напряжении оба перехода – в прямом смещении, транзистор – в режиме насыщения (рис. 6). Ток базы - сумма двух рекомбинационных токов, инжектированных из ЭП и КП:

, (6)

(7)

 

 

Рис.7. Схема транзистора ОЭ при

Для одновольтовой ВАХ реализуется активный режим БТ, и ток базы является разностью рекомбинационного тока и обратного тока КП (рис.7):

. (8)

Так как , током можно пренебречь. Из сравнения выражений (7) и (8) следует, что ток одновольтовой характеристики будет меньше, чем нулевой ВАХ. Ведь сумма двух рекомбинационных токов в режиме насыщения много больше единственного тока рекомбинации в активном режиме. Качественно оценим разницу компонент этих токов.

Ток рекомбинации образуется за счёт тех НЗ, которые рекомбинируют с электронами, сгенерированными в базе. Вероятность акта рекомбинации тем выше, чем меньше скорость относительно движения электронов и дырок вблизи ненасыщенной парно-электронной связи.

Скорость диффузионного движения пропорциональна градиенту концентрации ННЗ. На рис.8 приведена разница профилей концентраций ННЗ базы в режимах насыщения (верхняя кривая) и активном - (нижняя).

 

Рис.8. Распределение концентрации ННЗ в базе для режима насыщения (верхняя кривая) и активного (нижняя кривая)

 

В режиме насыщения (верхняя кривая) в середине базы градиент концентрации ННЗ близок к нулю, а вероятность акта и величина тока рекомбинации максимальны. Поэтому при U_кэ = -1 В единственный ток рекомбинации будет значительно меньше тока БТ ОЭ в режиме насыщения. На рис. 9 приведено семейство входных ВАХ БТ ОЭ.

Рис.9. Входные ВАХ транзистора ОЭ

Качественно каждая из не нулевых ВАХ повторяет ВАХ прямо смещенного диода. При увеличении коллекторного напряжения ток базы незначительно уменьшается только за счет уменьшения вероятности акта рекомбинации в базе.

На рис. 10 приведена схема для измерения статических входных и выходных ВАХ БТ ОЭ и ОБ.

 

Рис.10. Схема измерения ВАХ БТ ОЭ

 

Входной ток маломощных транзисторов измеряется микроамперметром, выходной - миллиамперметром. Входное напряжение БТ измеряется милливольтметром, выходное - вольтметром.

(9)

 

Семейство выходных ВАХ

 

Из схемы 7 следует, что при фиксированной величине входного тока базы и U_кэ = 0величина тока коллектора I_к являетсяразностью двух инжекционных токов, обусловленных потоками дырок из эмиттера к выводу коллектора и из коллектора к выводу эмиттера. Очевидно, что

(10)

При нулевом инжекционные токи обоих переходов приближенно компенсируются. Ток инжекции прямо смещённого перехода экспоненциально зависит от напряжения смещения. При подаче малого коллекторного напряжения инжекционный ток КП будет резко уменьшаться т.к.

. (11)

 

В соответствии с (9) при уменьшении модуля прямого смещения коллекторного перехода ток коллектора будет резко возрастать до момента вы равнивания модулей входного и выходного напряжений. При равенстве этих модулей транзистор переходит в активный режим. При | |, большем |Uбэ|, (см.11) и дальнейшем увеличении модуля коллекторного напряжения ток коллектора будет слабо возрастать за счет эффекта Эрли.При этом будет уменьшаться ток . Для поддержания его постоянным приходится увеличивать ток инжекции эмиттерного перехода, а значит, и ток коллектора. Поэтому ВАХ БТ ОЭ имеет, в отличие от схемы с ОБ, четко выраженный наклон (рис.11).

 

Рис.11. Семейство выходных ВАХ транзистора ОЭ

 

Для получения выражения основного уравнения для схемы с ОЭ, связывающего величины выходного и входного токов БТ с общим эмиттером, из системы уравнений: основное уравнение БТ ОБ (3) и основного уравнения Кирхгофа для БТ исключается ток эмиттера и соответствующей заменой получается требуемое выражение:

, (12)

 

где , (13)

называется сквозным током транзистора.

В пренебрежении им, можно считать, что

. (14)

 

 

УКАЗАНИЯ

по измерению характеристик биполярных транзисторов с помощью автоматизированной установки

 

 

Установка подключается к ПК через LPT порт.

Рис.12 Структурная схема установки

 

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Для проведения измерений следует: включить установку с помощью выключателя на боковой стенке прибора, должен загореться зелёный индикатор «сеть» на передней панели установки.

Запустить программу для снятия ВАХ биполярных структур. Появится главное окно программы, панель инструментов которой изображена на рис.13

 

Рис.13 Панель инструментов программы

 

В окне программы появится окно базы данных, в которой заложены примеры уже снятых измерений. Их можно просмотреть, нажав кнопку просмотр в верхнем левом углу данного окна (рис.13).

Рис.14 Окно базы данных

 

Сведения об образцах можно посмотреть в пункте «параметры» меню настроек. В качестве образцов используются транзисторы следующих марок: КТ306А, МП37А, КТ940А, КТ315Г.

ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ

 

Измерение выходных характеристик образца

 

1. Включить установку с помощью выключателя на боковой стенке прибора, должен загореться зелёный индикатор «Сеть» на передней панели установки. Запустить программу с помощью ярлыка «Биполярные» на рабочем столе ПК.

Примечание. Визуальная информация по пп. 3 – 10 приведена на рис.15.

2. В главном меню в графе «Измерения» (рис.15) выбрать пункт «Осциллограф». Появится окно «Осциллограф», в котором будут отображаться характеристики. В этом окне слева на индикаторе расположена температурная шкала.

Выбрать номер образца в окне осциллографа в выпадающем списке «Образец», находящимся под индикатором. Номерам 1 – 4 соответствуют образцы БТ КТ306А, МП37А, КТ940А и КТ315Г. Аналогичным образом при помощи выпадающего списка «Схема» выбрать схему измерений для снятия выходных ВАХ.

Ввести в графе «Напряжение коллектор-эмиттер» нужное напряжение (по указанию преподавателя). В выпадающем списке «Предел измерений тока коллектора» установить нужный предел (рекомендуется 50 мА). При зашкаливании за него загорится красный индикатор рядом со списком пределов. В графе «Ток базы» с помощью ползунка установить (по указанию преподавателя) необходимую величину тока. Установить флажок «обновлять». С этого момента начинается снятие характеристик и отображение их на индикаторе осциллографа.

3. Для сохранения результатов нажать флажок «Сохранить серию». При этом появляется окно «Сохранить», где надо присвоить имя данному сохранению (по умолчанию «Измерение1»). Для сохранения нажать «ОК». После этого на месте кнопки «Сохранить серию» появятся 2 кнопки «+» и «||». «+» служит для добавления очередной серии, а «||» для завершения записи. Эти результаты сохраняются в базе данных, где их потом можно просмотреть.

Масштаб при появлении характеристики выставляется автоматически. Для его редактирования нажать кнопку «Настройки графика» на панели инструментов осциллографа (рис.16), в окне редактора графика выбрать вкладку «Axis» и нажать кнопку «Scale». Кнопки «авто» и «уменьшить» в окне осциллографа также позволяют изменять масштаб выводимого графика (рис 15).Повторить измерения, изменив ток базы, и сохранив в эту же серию.

Проделать данные измерения при повышенной температуре. Для этого в главном окне программы в меню настроек выбрать пункт «Термостат» и выставить начальное и конечное значения температуры и шаг ее изменения. Поставить флажок «Термостат» в окне осциллографа, находящийся около флажка «Обновлять» (рис.15). При этом на измерительном блоке загорится красный индикатор «Термостат». Проделать эти же измерения на другом образце, изменив при необходимости значения напряжения коллектор-эмиттер.

4. Выбрать пункт меню измерений «База данных» или просто войти в окно базы данных (в этом окне появятся даты ранее проведённых и сохранённых измерений). Для просмотра снятой характеристики нужно выбрать дату нужного измерения и нажать на «+». Появятся список БТ, из которого нужно выбрать нужный образец, и нажать на символ «+» нужного образца. При этом появится список измерений, проделанных с данным БТ. Следует выбрать нужное измерение и нажать кнопку «Просмотр» в верхнем левом углу окна «база данных» (рис.14).

5. Существует возможность просмотра зависимости напряжения и тока от времени, для чего нужно щёлкнуть правой кнопкой мышки в окне осциллографа и выбрать соответствующий пункт контекстного меню. Существует также возможность просмотра зависимости в табличной форме, для чего нужно нажать правую кнопку мыши на графике и выбрать пункт контекстного меню «Таблица». Табличные значения можно либо сохранить в файл, либо скопировать в буфер обмена, воспользовавшись контекстным меню.

При необходимости следует установить флажок «Все», чтобы посмотреть всё семейство характеристик.

В случае необходимости можно применить сглаживание. Для редактирования графиков нужно открыть вкладку «Series» в окне «Editing Chart». Для этого нужно нажать кнопку «Настройки графика» на панели инструментов. На экране появится окно «Series». В этом окне из выпадающего списка меню выбрать серию экспериментов, которую нужно отредактировать.

Примечание. Визуальная информация по пп. 3 – 10 – на рис.15.

 

Снятие входных характеристик БТ

 

Включить установку с помощью выключателя на боковой стенке прибора. При этом загорится зелёный индикатор «Сеть» на передней панели ОС ПК.

Запустить программу с помощью ярлыка «Биполярные» на рабочем столе ОС ПК.

Примечание. Визуальная информация по пп. 3 – 10 дана на рис.15.

6. В главном меню в графе «Измерения» выбрать пункт «Осциллограф». В этом окне отображаются характеристики. Там же слева на индикаторе расположена шкала температур.

7. Выбрать номер образца в окне осциллографа в выпадающем списке «Образец», находящимся под индикатором. Под номерами 1 – 4 представлены образцы БТ КТ306А, МП37А, КТ940А и КТ315Г соответственно. Аналогичным образом при помощи выпадающего списка «Схе-ма» выбрать схему измерений для снятия входных характеристик.

Ввести в графе «Напряжение коллектор-эмиттер» нужное напряжение (по указанию преподавателя). Установить флажок «Обновлять». С этого момента начинается снятие характеристик и отображение их на индикаторе осциллографа.

8. Для сохранения результатов нажать флажок «Сохранить серию». При этом появляется окно «Сохранить», где надо присвоить имя данному сохранению (по умолчанию «Измерение1»). Для сохранения нажать «ОК». После этого на месте кнопки «Сохранить серию» появятся 2 кнопки: «+» и «||». «+» служит для добавления очередной серии, а «||» - для завершения записи. Эти результаты сохраняются в базе данных. Потом их можно просмотреть.

 

 

Рис.15. Окно осциллографа в режиме снятия выходных ВАХ БТ

 

9. Масштаб при появлении характеристики выставляется автоматически. Для его редактирования нажать кнопку «Настройки графика» на панели инструментов осциллографа (рис.17), в окне редактора графика выбрать вкладку «Axis» и нажать кнопку «Scale». Кнопки «Авто» и «Уменьшить» в окне осциллографа позволяют изменять масштаб выводимого графика (рис 16).

10. Повторить измерения, изменив ток базы и сохранить в эту же серию.

11. Проделать эти измерения при повышенной температуре. Для этого в главном окне программы в меню настроек выбрать пункт «Термостат» и выставить начальное и конечное значения температуры, шаг ее изменения. Поставить флажок «Термостат» в окне осциллографа, находящийся около флажка «Обновлять».

12. Проделать эти же измерения на другом образце, изменив при необходимости значения напряжения коллектор-эмиттер.

13. Выбрать пункт меню измерений «База данных» или просто войти в окно базы данных. В этом окне появятся даты ранее проведённых и сохранённых измерений.

14. Для просмотра снятой характеристики нужно выбрать дату нужного измерения и нажать на «+». Появится список БТ, из которого нужно выбрать нужный образец и нажать на символ «+» нужного нам образца. При этом появится список измерений, проделанных с данным БТ. Выбрать нужное измерение и нажать кнопку «Просмотр» в верхнем левом углу окна «База данных» (рис.14).

15. Перейти в режим просмотра измерений. При необходимости установить флажок «Все», чтобы посмотреть всё семейство характеристик.

16 Применить сглаживание, если необходимо.

17. Для редактирования графиков нужно открыть вкладку «Series» в окне «Editing Chart». Для этого нужно нажать кнопку «Настройки графика» на панели инструментов. На экране появится окно «Series». В этом окне из выпадающего списка меню выбрать серию экспериментов, которую нужно отредактировать.

Примечание: если для измерений при повышенной температуре нужно, чтобы температура держалась постоянная, нужно в настройках термостата начальную и конечную температуру задать одинаковыми, а шаг нулевым.

 

Рис.16 Окно настроек параметров графика

Рис.17 Панель инструментов осциллографа

 

Задание на экспериментальную часть

 

Измерить на АРМ семейство из двух выходных ВАХ ОЭ для заданных значений входного тока Iб и выходного напряжения | |.

Измерить на АРМ семейство входных ВАХ ОЭ для нулевого и двух заданных преподавателем входных напряжений | |.

Измерить на АРМ семейство из двух выходных ВАХ ОБ для заданных преподавателем значений входного тока I э.

Измерить на АРМ семейство из нулевого и двух входных напряжений ВАХ ОБ заданных входных напряжений | |.

 

Сравнение ВАХ БТ ОЭ, измеренных на АРМ и стенде

 

Цель работы-изучения: устройства маломощных БТ; взаимосвязь ВАХ и параметров БТ в схемах ОЭ и ОБ; взаимосвязь ВАХ БТ ОЭ, измеренных вручную и на АРМ.

 

Выполнение измерений, их анализ

 

1. На стенде ЭС-4 собрать схему для измерения выходных ВАХ БТ ОЭ. Подсоединить к разъему стенда ЭС-4 транзистор, однотипный с используемым на АРМ. С помощью шунтирующего резистора, подключаемого к гнездам Г2, Г7, скомпоновать схему, приведенную на рис.10.

2. Задать величину тока базы ВАХ, совпадающую с измеренной на АРМ. Выполнить измерение выходной ВАХ ОЭ для этого тока. Число экспериментальных точек ВАХ - 8-10, в том числе при U_ВЫХ = -0,25; -0,75; -1В.

3. Выполнить измерения двух входных ВАХ БТ ОЭ.

4. Перекоммутировать схему стенда ЭС-4 для измерения выходной ВАХ БТ ОБ и снять ее для тока эмиттера, равного току I_к БТ ОЭ при U_кэ = 1,5 В.

5. Построить графики входной и выходных ВАХ. Проанализировать степень и причины расхождения формы ВАХ, полученными на стенде и АРМ.