Дослідженнябіполярних транзисторів за допомогою програмного комплексу Electronics Workbench

Мета. вивчення принципу дії та властивостей, дослідження характеристик, ознайомлення з основними параметрами та використанням біполярних транзисторів

 

Теоретичні відомості

Біполярний транзистор – трьохелектродний напівпровідниковий прилад, що має два взаємодіючих p-n переходи, проходження струму в якому обумовлене рухом заряду обох знаків – електронів і дірок.

Біполярний транзистор містить три напівпровідникові області з типами провідності, що чергуються, (рис. 1) p-n-p (a) або n-p-n (б). Одна з крайніх областей завжди легується сильніше, її називають емітером, призначення її – інжекція носіїв у середню область структури, названу базою. Іншу крайню область називають колектором, він менш легований, чим емітер, і призначений для екстракції носіїв з базової області.

Електроно – дірковий перехід між емітером і базою називають емітерним. Перехід на границі база – колектор називають колекторним. Він збирає інжектовані в базу носії і передає їх у колекторну область.

Рис. 1 Структури й умовні графічні позначення транзисторів p-n-p (а) і n-p-n (б) типу.

 

Принцип роботи транзисторів обох типів однаковий, розходження полягає лише в тім, що в транзисторі n-p-n в утворенні колекторного струму беруть участь електрони, інжектовані емітером, а в транзисторі p-n-p типу – дірки.

Принцип дії біполярного транзистора заснований на використанні трьох явищ:

– інжекції носіїв з емітера в базу;

– переносу інжектованих у базу носіїв до колекторного переходу;

– екстракції інжектованних у базу і неосновних носіїв, що дійшли до колекторного переходу, з бази в колектор

Статичні характеристики біполярного транзистора. Для кожної схеми вмикання транзистора вводяться свої сімейства статичих характеристик, що приводяться в довідниках. Ці сімейства дозволяють правильно вибрати робочий режим транзистора і забезпечити найбільш ефективне використання його можливостей. З усіх статичих характеристик найбільш важливими є вхідний, єднальний струм і напруга на вході і вихідний, єднальний струм і напруга на виході транзистора.

Для схеми з ЗБ вхідною статичною характеристикою є залежність I_э = f(U_эб) при U_кб = const, а для схеми з ЗЕ – залежність I_б = f(U_бэ) при U_кэ = const.

Загальний характер вхідних характеристик визначається p-n переходом, що включений у прямому напрямку. Тому по зовнішньому вигляді вхідні характеристики схожі на прямі гілки ВАХ діода і мають експоненційний характер (рис. 2)

Рис. 2. Вхідні характеристики в схемах із ЗБ (а) і з ЗЕ (б).

 

Зі збільшенням зворотної напруги на колекторі характеристика зміщується вліво в схемі з ЗБ і вправо в схемі з ЗЕ. Зміна характеристик передбачається ефектом модуляції ширини бази: при збільшенні колекторної напруги ширина колекторного переходу збільшується, причому в основному убік бази. При цьому ширина бази зменшується, зменшується і базовий струм (через зменшення рекомбінації носіїв), і характеристики в схемі з ЗЕ йдуть правіше. Струм емітера збільшується (зростає градієнт концентрації неосновних носіїв у базі), і характеристики в схемі з ЗБ йдуть лівіше.

Вихідною статичною характеристикою в схемі з ЗБ є залежність I_к = f(U_кб) при I_э = const, а в схемі з ЗЕ – залежність I_к = f(U_кэ) при I_б=const.

Для опису властивостей біполярих транзисторів широко застосовуються диференціальні параметри- величини, що зв'язують малі збільшення струмів і напруг у приладі.

Умови малості вводяться через те, що вхідні і вихідні характеристики транзистора нелінійні і параметри транзистора залежать від режиму його роботи з постійного струму. Для невеликих збільшень напруг і струмів транзистор можна представити як лінійний активний чотириполюсник (рис. 3). Зв'язок між вхідними (Ú₁, Í₁) і вихідними (Ú₂, Í₂) струмами і напругами чотириполюсника виражається системою двох рівнянь.

 

Рис. 3. Представлення транзистора як чотириполюсника.

 

Вибравши дві з вхідних у цю систему перемінних за незалежні, знаходимо дві інші. Найбільше часто для транзистора як чотириполюсника в якості незалежних зміних приймають збільшення вхідного струму Í₁ і вихідної напруги Ú₂, а збільшення вхідної напруги Ú₁ і вихідного струму Í₂ виражають за допомогою так званих h-параметрів.

 

Ú1 = h11 Í1 + h12 Ú2 Í2 = h21 Í1 + h22 Ú2

 

Фізичний зміст h-параметрів стає ясним, якщо в рівняннях чотириполюсника по черзі думати Í₁ = 0 (холостий хід на вході) і Ú₂ = 0 (коротке замикання на виході). Тоді h-параметри транзистора можна визначити в такий спосіб:

 

при Ú2 = 0     при Í1 = 0     при Ú2 = 0     при Í1 = 0

-вхідний опір транзистора при коротко-замкнутому (по перемінному струмі) виході -коефіцієнт зворотного зв'язку по напрузі при розімкнутому (по перемінному струмі) вході -коефіцієнт передачі струму при коротко-замкнутому (по перемінному струмі) виході -вихідна провідність при розімкнутому (по перемінному струмі) вході.

 

Систему h-параметрів звичайно використовують на низьких частотах, коли дуже малі ємнісні складові струмів. При цьому необхідні для виміру параметрів режими короткого замикання і холостого ходу для змінної складової можуть бути здійснені на цих частотах досить просто.

Низькочастотні значення h-параметрів можна знайти за допомогою вхідних і вихідних характеристик. Приклад їхнього визначення для схеми з ЗЕ показаний на рис. 4

Параметри вхідного ланцюга h₁₁ і h₁₂ визначають по вхідних характеристиках транзистора. В обраній або заздалегідь заданій робочій точці А задають збільшення струму бази DI_б при постійній напрузі колектора U_кэ1 і знаходять збільшення напруги, що виходить при цьому, на базі Uбэ. Тоді вхідний опір транзистора:

при

Потім при постійному струмі бази I_б2 задають збільшення напруги колектора DU_кэ = U_кэ2 – U_кэ1 і визначають збільшення напруги на базі Uбэ.

Тоді коефіцієнт зворотного зв'язку по напрузі:

	при

Рис. 4. Визначення h-параметрів по характеристиках транзисторів

 

Параметри h₂₁ і h₂₂ визначаються по вихідних характеристиках транзистора. У робочій точці А, у якій потрібно визначити параметри при постійному струмі бази I_б2, задають збільшення колекторної напруги DU¢_кэ = U_кэ2 – U_кэ1 і знаходять збільшення струму, що виходить при цьому, колектора (І'к.

Вихідна провідність транзистора

при

Далі при постійній напрузі колектора задають збільшення струму бази DI_б = I_б2 – I_б1 і визначають збільшення струму, що виходить при цьому, колектора (Ік. Тоді коефіцієнт передачі струму бази:

при

Аналогічно визначаються h-параметри по відповідних характеристиках для схеми з ЗБ. Вони мають позначення h_11б, h_12б, h_21б, h_22б.

Розрізняють три схеми увімкнення біполярних транзисторів: із спільною базою (ЗБ), із спільним емітером (ЗЕ), із спільним колектором (ЗК), показані на рис.5

ЗБ) ЗЕ) ЗК)

Рисунок 5 - Основні схеми увімкнення транзисторів

 

Хід роботи

1. У EWB побудувати схеми (рис. 6, 7), що наведені нижче, для дослідження ВАХ транзисторів.

Рис. 6 - Схема для визначення вхідної ВАХ (ЗБ)

Рис. 7 - Схема для визначення вихідної ВАХ (ЗЕ)

2. Зняти необхідні дані для побудови ВАХ транзисторів.

3. За даними (п. 2) побудувати ВАХ транзисторів.

 

Контрольні запитання

 

1. Пояснити фізичний зміст h-параметрів. На статичних характеристиках показати побудови для розрахунку h-параметрів.

2 Описати принцип дії БТ, приведіть його схеми ввімкнення та статичні ВАХ.

3 Які три режими роботи має БТ?

4. Чим визначаються частотні властивості БТ?