Принцип работы, характеристики и параметры малого сигнала биполярного транзистора

ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ

Контрольной работы

1. Контрольная работа (КР) выполняется на отдельных листах формата А4.
2. На титульном листе приводятся следующие данные:

Воронежский государственный технический университет;

кафедра электромеханических систем и электроснабжения;

наименование КР;

номер варианта;

фамилия и инициалы студента, шифр и номер группы, факультет;

фамилия и инициалы преподавателя;

город, год.

1. Номер варианта – по последним цифрам номера зачетной книжки (смотри в конце описания).
2. КР должна содержать: задание, данные для расчета, исходную и преобразованную схемы, полный расчет по каждому пункту задания с необходимыми пояснениями, графиками, диаграммами и выводы.
3. Электрические схемы, графики и диаграммы выполняются согласно Госстандарту карандашом с помощью чертежных инструментов. Приветствуется компьютерный вариант.

 

 

Контрольная работа №1

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ h–ПАРАМЕТРОВ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА ПО ЕГО ВОЛЬТ-АМПЕРНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ

Принцип работы, характеристики и параметры малого сигнала биполярного 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.2.1). В активном режиме коллектор транзистора p-n-p- типа подключается к отрицательному полюсу источника, а коллектор транзистора n-p-n- типа - к положительному.

В условных графических изображениях эмиттер изображается в виде стрелки. Направление тока эмиттера I_э всегда совпадает с графическим изображением стрелки эмиттера.

Рис.2.1. Токи и напряжения в биполярном транзисторе

p-n-p (а) и n-p-n (б) типа

 

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.

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на примере транзистора p-n-p -типа включенного по схеме с общей базой (ОБ) (рис.2.2).

 

 

Рис.2.2. Биполярный транзистор p-n-p типа, включенный по схеме с ОБ

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.2.2, 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.2.2). 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) составляющими:

 

 

I_э = I_э(n) + I_э(p) ≈ I_э(p) (1)

 

 

Особенность транзистора состоит, в том, что концентрация дырок в эмиттере намного больше концентрации электронов в базе. Поэтому дырочная составляющая тока эмиттера значительно больше электронной. 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), то доля рекомбинированных дырок незначительна.

 

 

Вблизи коллекторного перехода дырки оказываются под действием электрического поля обратносмещенного перехода, увлекаются электрическим полем через переход в коллекторную область и далее – к выводу коллектора, где рекомбинируют с электронами, поставляемыми через внешнюю цепь источником э.д.с. Е_к0, что создает ток в коллекторной цепи ток коллектора I_к.

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

I_э = I_к + I_б (2)

 

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

I_к = I_э(p) – (I_б +I_ко), (3)

 

Т.к. , то ток базы равен:

I_б = I_э - I_к (4)

и он составляет не более 1% от тока эмиттера.

Все сказанное справедливо также для транзистора n-p-n– типа с учетом высказанных ранее замечаний о перемене полярности 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 общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором

(ОК) (рис. 2.3 а, б, в).

 

Рис.2.3. Схемы включения транзистора

с ОБ (а), ОЭ (б) и ОК (в)

 

Основными вольтамперными характеристиками (ВАХ) транзистора являются входная и выходная характеристики.

Зависимость

при – называют входной статической ВАХ рис.2.4,б, а зависимость

при - выходной статической ВАХ рис.2.4,в.

ВАХ снимают в режиме по постоянному току и они представляют собой зависимости постоянных токов и напряжений.

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:

 

dU₁=h11dI₁ + h12dU₂, (5)

dI₂=h21dI₁ + h22dU₂. (6)

 

Указанные h-параметры входящие коэффициентами в уравнения (5,6) имеют следующий физический смысл:

 

при (7)

- дифференциальное входное сопротивление транзистора (индекс ОЭ означает, что h–параметр определен в схеме включения транзистора с ОЭ).

 

при (8)

- коэффициент обратной связи по напряжению, в большинстве случаев, при расчетах этим коэффициентом из-за его малости пренебрегают;

при (9)

- коэффициент прямой передачи тока эмиттера, это основной усилительный параметр транзистора.

 

при (10)