Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет − УПИ»
Н.С. Устыленко, В.И. Елфимов
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА В СХЕМЕ ВКЛЮЧЕНИЯ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ Учебное электронное текстовое издание Подготовлено кафедрой «Радиоэлектроника информационных систем». Научный редактор проф., канд. техн. наук А.А. Калмыков. Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Электроника» для студентов всех форм обучения направления 552500 – Радиотехника; направления 654200 – Радиотехника по специальностям: 200700 – Радиотехника; 201600 – Радиоэлектронные системы; направления 654400 – Телекоммуникация по специальностям: 200900 – Сети связи и системы коммутации; 201200 – Средства связи с подвижными объектами Методические указания содержат физические основы работы биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером, описание статических характеристик и параметров транзистора в схеме включения с общим эмиттером. Рассматривается влияние температуры на характеристики и параметры транзистора в данной схеме включения. Приводятся описание схем экспериментальных исследований, лабораторное задание и порядок обработки результатов эксперимента, вопросы для самопроверки, библиографический список и приложения. Сформулированы требования к отчету.
© ГОУ ВПО УГТУ−УПИ, 2005 Екатеринбург 2005
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
1. Цель лабораторной работы Исследовать характеристики и параметры биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) и изучить влияние температуры окружающей среды на ход характеристик и изменение параметров. В работе снимаются входные и выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ при комнатной температуре и повышенной температуре 70°С. По полученным характеристикам определяются HЭ – параметры. 2. Связь между токами в схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером В данной схеме включения общим электродом выступает эмиттер. Входным электродом является база, а выходным – коллектор. В схеме включения с ОЭ входной сигнал подводится к участку база-эмиттер транзистора, а снимается с участка коллектор-эмиттер, входным током является ток базы I б , а выходным – ток коллектора I к (рис.1) [1-9]. Схема включения биполярного транзистора рис.1 соответствует его активному режиму работы.
-
Б
U эб
Iэ
Iко
Iк VT
(1 − α ) I э
α Iэ
К
-
U кэ
Iэ
+
Э
Э
+
Рис.1. Диаграмма токов в транзисторе. Токи, протекающие в выводах транзистора, и все физические процессы в транзисторе не изменяются при изменении схемы его включения, следовательно, при протекании в цепи эмиттера тока I э в выводах коллектора и базы протекают токи: (1) I к = αI э + I ко ; I б = (1 − α ) I э − I ко . (2) Поскольку I к > I б , то транзистор в схеме включения с ОЭ усиливает не только по напряжению, но и по току. Коэффициент усиления по току определяется из соотношения: α∆I э ∆I α β = к Uк = . (3) = (1 − α )∆I э 1 − α ∆I б ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 2 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
В выражении (3) β > 1 , если α > 0,5 . Практическое применение находят транзисторы, имеющие α = 0,9 ÷ 0,995 , в этом случае β = 10 ÷ 200 . Для транзистора в схеме с ОЭ важно знать зависимость между выходными и входными токами. Используя выражение I к = αI э + I ко , а I э = I к + I б , находим, что I к = αI к + αI б + I ко , I к (1 − α ) = αI б + I ко . Отсюда получаем: α 1 Iк = Iб + I ко = βI б + (1 + β ) I ко . (4) 1−α 1−α Таким образом, ток коллектора определяется выражением: (5) I к = βI б + (1 + β ) I ко . При I б = 0 (обрыв базы) в цепи коллектор-эмиттер протекает ток, называемый сквозным током транзистора I *ко = ( β + 1) I ко . Усиление неуправляемого тока коллекторного перехода I ко в ( β + 1 ) раз объясняется наличием положительной обратной связи в транзисторе с оборванной базой. Сущность этого явления заключается в том, что дырки, генерируемые в области коллекторного перехода, уходят в коллектор, а электроны остаются в базе. В базе скапливается отрицательный объемный заряд, который не может выйти из базы в виде тока, так как вывод базы оборван. В этом случае поле отрицательных объемных зарядов в базе воздействует на эмиттерный переход, снижая высоту его потенциального барьера, что приводит к увеличению инжекции дырок из эмиттера в базу. Некоторая часть инжектированных дырок рекомбинирует с электронами в базе, уменьшая накопленный заряд, но большая их часть проходит область базы и втягивается электрическим полем коллекторного перехода в коллектор, увеличивая ток коллектора. Равновесие устанавливается в том случае, когда неравновесные электроны открывают путь в базу в ( β + 1) раз большему количеству дырок. Физические процессы, аналогичные вышеописанным, происходят и при включении в цепь базы большого сопротивления. Сквозной ток транзистора влияет на физику работы биполярного транзистора. Особенно это влияние проявляется в биполярных транзисторах, выполненных на основе полупроводникового материала германия. Сквозной ток транзистора большое влияние оказывает на работу германиевых транзисторов большой мощности. Это проявляется в уменьшении максимально допустимого напряжения на коллекторе ввиду опасности теплового пробоя коллекторного перехода. Проследим влияние значения сопротивления в цепи базы, включенного последовательно, на величину максимально допустимого напряжения коллектор-эмиттер биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером. Наличие положительной обратной связи в транзисторе улучшает условия возникновения лавинного пробоя коллекторного перехода, поэтому предельно допустимое напряжение U кэ в схеме с ОЭ меньше предельного ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 3 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
напряжения U кб в схеме включения с ОБ и существенно зависит от величины сопротивления в цепи базы (рис.2) [1-3, 9]. U КЭДОП U КБДОП
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0
Rб, Ом 101
102
103
104
105
Рис.2. Зависимость предельного допустимого напряжения от величины сопротивления, включенного в цепь базы, для транзистора типа МП26 В схеме включения биполярного транзистора с ОЭ, как и в схеме включения с ОБ, основными семействами характеристик транзистора являются входные и выходные характеристики. 3. Статические характеристики биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером. 3.1. Входные характеристики
U кэ1=0
Iб
1
2
C
Iб
U кэ3 = -5В
o
T 2 = + 50 C U кэ3 = -5В
T 1 = + 20oC
3
B
0 -I ко
U кэ2 = -1 В
0 Uб э
A a)
-I ко1 -I ко2
Uб э б)
Рис.3.Семейство входных характеристик. Входными характеристиками биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером называются зависимости тока базы от напряжения базаэмиттер при постоянном значении напряжения коллектор-эмиттер. Входные характеристики формально записываются функциональным уравнением ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 4 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
I б = f (U бэ ) U
кэ = const
Исследование характеристик и параметров
. Для снятия характеристик биполярного транзистора в схеме
включения с общим эмиттером используется схема в соответствии с рис.1. Первая входная характеристика (зависимость 1 на рис. 3а ) представлена для случая, когда напряжение коллектор-эмиттер равно нулю U кэ = 0 (короткое замыкание коллектора с эмиттером рис.4). В этом случае открывается не только эмиттерный, но и коллекторный переходы, транзистор работает в режиме насыщения и ток базы равен сумме общего тока эмиттера и общего тока коллектора и возрастает более резко при увеличении напряжения U бэ :
{
}
{
}
I б = I э + I к ≈ I эо exp U бэ ϕT + I ко exp U бэ ϕT .
(6)
Входная характеристика транзистора при U кэ1 = 0 начинается из начала координат, при увеличении по модулю напряжения база-эмиттер ток базы изменяется по экспоненциальному закону и напоминает прямую ветвь вольтамперной характеристики двух параллельно включенных электроннодырочных переходов /5/. При подаче на коллектор отрицательного напряжения, превышающего напряжение U бэ , коллекторный переход закрывается и ток I к изменяет свое направление (рис.1). В этом случае транзистор работает в нормальном усилительном режиме, ток коллектора определяется выражением: I к = αI э + I ко , (7) а ток базы – I б = (1 − α ) I э − I ко (8) и возрастает с ростом U бэ значительно медленнее; входная характеристика существенно смещается вправо (вторая зависимость рис.3а при Uкэ2 = - 1 В). Здесь при напряжении база-эмиттер равного нулю значение тока базы отрицательное и определяется величиной неуправляемого тока коллекторного перехода (8), так как первое слагаемое выражения (8) равно нулю (точка A на зависимости рис.3а). При подаче напряжения база-эмиттер не равным нулю эмиттер начинает инжектировать дырки в базу и появляется положительная составляющая тока базы, которая называется током рекомбинационных потерь базы. При некотором напряжении база-эмиттер ток рекомбинационных потерь базы компенсирует неуправляемый ток коллекторного перехода и суммарный ток базы равен нулю (точка B на входной характеристике рис.3а). На участке BC рис.3а ток рекомбинационных потерь базы превышает неуправляемый ток коллекторного перехода и общий ток базы быстро нарастает. Дальнейшее увеличение напряжения коллектор-эмиттер (зависимость 3 на рис. 3а при U кэ3 = -5 В) приводит к незначительному смещению входной характеристики вправо, ибо с ростом напряжения U кэ вследствие эффекта модуляции толщины базы происходит увеличение коэффициента α и уменьшение тока базы.
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 5 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
Iк _ Б U эб +
VT
Iэ
U кэ =0
Э
Рис.4. Диаграмма токов в транзисторе при U кэ = 0 . Входные характеристики транзистора, снятые при различных температурах, пересекаются в области малых положительных токов базы (рис.3б). Пересечение характеристик объясняется тем, что ток базы имеет положительную и отрицательную компоненты, каждая из которых увеличивается при увеличении температуры. При малых значениях напряжения база-эмиттер входная характеристика смещается вниз вследствие роста тока I ко при увеличении температуры, который возрастает экспоненциально. При этом точка пересечения входной характеристики транзистора оси напряжений база-эмиттер происходит правее характеристики, снятой при меньшей температуре (рис.3б). Это происходит по двум причинам: во-первых, с ростом температуры экспоненциально увеличивается неуправляемый ток коллекторного перехода и для его компенсации требуется большее значение тока рекомбинационных потерь базы; во-вторых, увеличение температуры окружающей среды ведет к возрастанию коэффициента передачи по току транзистора в схеме включения с общей базой, а это приводит к уменьшению тока рекомбинационных потерь базы. В области больших токов базы входная характеристика смещается влево, так как рост температуры приводит к уменьшению высоты потенциального барьера, росту тока I э , а, следовательно, и тока I б . 3.2. Выходные характеристики Выходными характеристиками биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером называются зависимости тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном значении тока базы. Формально выходные характеристики биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером записываются в виде функционального уравнения I к = f (U кэ ) I б =const . Схема включения транзистора для снятия выходных характеристик соответствует рис.1. Выходные характеристики транзистора в схеме включения с ОЭ I к = f (U кэ ) I Б=const (рис. 5) отличаются от выходных характеристик в схеме ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 6 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
включения с ОБ I к = f (U кб )
I э =const
, во-первых, тем, что первые оказываются
сдвинутыми по оси напряжений вправо на величину напряжения ≈ U бэ , так как в схеме включения биполярного транзистора с ОЭ напряжение на коллекторном переходе становиться равным нулю при напряжении U кэ ≅ U бэ . Во-вторых, выходные характеристики в схеме включения с ОЭ на рабочем участке идут более круто, так как при снятии этих характеристик поддерживается постоянным ток базы I б = (1 − α ) I э − I ко . Ток I ко не изменяется при увеличении напряжения на коллекторе, а коэффициент α при этом увеличивается. Следовательно, для поддержания тока I б постоянным значением необходимо несколько увеличить ток I э . Таким образом, выходная характеристика в схеме с ОБ снимается при постоянном токе I э , а в схеме с ОЭ – при постепенно возрастающем токе I э .
Iк 5
Iк доп
I б5 I б4 I б3
II C 0
B A
2
Рк = IкUк
I б5 = 90 мкА I б4 = 60 мкА
IV
I б3 = 30 мкА
4
I б2 = 0 I б1 = - I к0
3
D I
I б2 III
I б1 U
кэ доп
Uкэ
1
Рис.5. Семейство выходных характеристик. Как и в схеме с ОБ, на семействе выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ различают четыре области, соответствующие различным режимам работы транзистора: I – режим активного усиления (эмиттерный переход прямосмещенный, а коллекторный переход обратносмещенный) ; II – режим насыщения (оба перехода открыты); III – режим отсечки (оба перехода закрыты); IV – нерабочая область (ограничивается предельно-допустимыми параметрами: максимально-допустимым током коллектора; максимальнодопустимым напряжением коллектор-эмиттер; максимальной мощностью рассеяния на коллекторном переходе). ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 7 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
Первая выходная характеристика снимается при отрицательном токе базы (имеет место обрыв цепи эмиттера) и ток базы равен неуправляемому току коллекторного перехода (зависимость 1 рис.5). В этом случае выходная характеристика аналогична обратной ветви вольтамперной характеристики электронно-дырочного перехода /5/ и величина тока коллектора соответствует
зависимости
⎡ ⎧ U кэ I к = I ko ⎢1 − exp⎨− ⎢⎣ ⎩ ϕT
⎫⎤ ⎬⎥ ⎭⎥⎦
и
при
значении
U кэ ≅ (0,1 ÷ 0,2) В второе слагаемое в скобках имеет очень малое значение, ток
коллектора равен Iко и слабо изменяется в большом диапазоне изменения напряжения на коллекторе. Вторая выходная характеристика транзистора (зависимость 2 рис.5) соответствует току базы I б2 = 0 (обрыв цепи базы). В этом случае в цепи коллектор-эмиттер протекает сквозной ток транзистора I *ко , превышающий в ( β + 1 ) раз неуправляемый ток коллекторного перехода. Данная характеристика также начинается из начала координат и увеличивается по мере возрастания обратного тока перехода коллектор-база. При изменении напряжения на коллекторе изменяется коэффициент передачи по току транзистора в схеме включения с общим эмиттером из-за эффекта модуляции толщины базы. Увеличение по модулю напряжения на коллекторе ведет к возрастанию коэффициента передачи по току и сквозного тока транзистора. Увеличение тока базы I б приводит к росту тока коллектора в соответствии с выражением I к = βI б + I *ко , и выходная характеристика идет выше и смещена вправо относительно начала координат. Зависимость 3 рис.5 снята при I б3 = 30 мкА. Если ток базы I б > 0 , а U кэ = 0 , то это равносильно короткому замыканию коллектора с эмиттером (рис.4). При этом открыт не только эмиттерный переход, но и коллекторный переход тоже работает при прямом смещении. Ток коллектора имеет две составляющие: ток коллектора экстракции I кэкстр ≅ αI э и ток коллектора инжекции I кинж . Причем, поскольку площадь коллекторного перехода всегда больше площади эмиттерного перехода ( Sk > Sэ ), то Ikинж > Iкэкстр , а общий ток коллектора Iк = ( Iкэкстр - Iкинж) < 0. На зависимости 3 рис.5 это соответствует точке А. При подаче обратного напряжения на коллекторный переход Iкинж начинает уменьшаться, в точке В зависимости 3 рис.5 наблюдается равенство Iкэкстр = Iкинж и общий ток коллектора становится равным нулю. При дальнейшем увеличении напряжения U кэ ток инжекции продолжает уменьшаться и в точке С зависимости 3 рис.5 напряжения U кэ ≅ U бэ равны, в этом случае на переходе коллектор-база напряжение равно нулю, Iкинж=0, а общий ток коллектора определяется соотношением Iк=βIб3. Участок CD относится к режиму активного усиления, коллекторный переход получает обратное смещение и работает в режиме экстракции, а эмиттерный - в режиме инжекции. На участке CD ток коллектора равен Iк=βIб+(β+1)Iко и ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 8 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
зависит от изменения напряжения Uкэ в виду наличия в транзисторе эффекта модуляции толщины базы, который с ростом U кэ проявляется в увеличении коэффициента передачи по току β. С дальнейшим ростом тока базы (зависимости 4,5 при Iб4, Iб5 рис.5 ) выходные характеристики идут выше и правее от начала координат. В этом случае возрастает величина напряжения U бэ и при большем значении U кэ будет выполняться условие нулевого напряжения на переходе коллекторбаза, которое соответствует началу режима активного усиления транзистора. Отличительной особенностью транзистора в схеме включения с ОЭ является то, что он может управляться не только положительным, но и отрицательным входным током в диапазоне I б = 0 ÷ − I ко . При I б = − I ко , что соответствует случаю I э = 0 , в цепи коллектора протекает неуправляемый ток коллекторного перехода I ко . 3.3. Влияние температуры на выходные характеристики На рис.6 приведены выходные характеристики транзистора в схеме включения с общим эмиттером для двух токов базы (Iб1 =- Iко; Iб2 = 0), снятые при двух различных температурах окружающей среды, а на рис.7 представлены выходные характеристики при токах базы больше нуля, снятые для двух значений температуры окружающей среды. При токе базы Iб1 = - Iко (зависимость 1 рис.6 ) с ростом температуры неуправляемый ток коллекторного перехода возрастает по экспоненциальному закону ( то есть приблизительно удваивается при увеличении температуры окружающей среды на каждые 10ْ С). При токе базы Iб2 = 0 ток коллектора определяется сквозным током транзистора Ik=Iko*=(β+1)Iко. Влияние температуры проявляется в увеличении Iko и β. При токах базы Iб2 > 0 (зависимость 1, 7 рис.7 ) ток коллектора определяется уравнением Ik= βIб + (β+1)Iко. Выходные характеристики в схеме включения с ОЭ снимаются при фиксированных значениях тока базы I б = (1 − α ) I э − I ко . С увеличением температуры экспоненциально увеличивается ток I ко , а также несколько увеличивается коэффициент α , а, следовательно, и β . Последнее обстоятельство приводит к тому, что с увеличением температуры увеличивается наклон выходных характеристик. Для поддержания тока базы постоянным приходится существенно увеличивать ток I э , естественно, что при этом будет возрастать и ток коллектора I к = αI э + I ко .
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 9 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
o
Iк
T1=20 C o
T2=50 C
2
I б2 = 0
1
I б1 = - I к0 0
Uкэ
Рис.6. Влияние температуры на выходные характеристики при Iб1 и Iб2.
Iк
T1=20oC 2
Iб =60 мкА
T2=50oC
1
Iб=30 мкА
0
Uкэ
Рис.7. Влияние температуры на выходные характеристики при Iб3 и Iб4. Таким образом, выходные характеристики в схеме включения с общим эмиттером не термостабильны. Следует отметить, что транзисторы, выполненные на основе кремния, имеют меньшую зависимость характеристик от температуры, так как значение неуправляемого тока коллекторного перехода I ко у кремниевых транзисторов во много раз меньше, чем у германиевых.
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 10 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
4. Влияние режима работы биполярного транзистора и температуры окружающей среды на коэффициент передачи по току 4.1. Зависимость коэффициента передачи по току от напряжения на коллекторе В общем случае влияние режима работы биполярного транзистора и температуры окружающей среды описываются функционалом: β = F [ Uкэ , Ik , TْC ]. Чтобы выяснить влияние напряжения на коллекторе на значение коэффициента передачи по току, необходимо принять значение Ik и TْC постоянными величинами. Тогда функционал преобразуется к виду: β = F [ Uкэ] Ik , TْC=const. График зависимости β от напряжения на коллекторе представлен на рис.8.
β
D
C
50 40 30
B
20
А
0
5 10 15 20 25 30
U кэ ,B
Рис.8. Зависимость коэффициента передачи по току от напряжения на коллекторе Для пояснения графика рис.8 необходимо отметить что коэффициент β зависит от коэффициента передачи по току α в схеме включения с общей базой. А величина α в основном определяется коэффициентом переноса χ , характеризующим область базы: β=
α ; 1−α
(9)
1⎛ w α = γ ⋅ χ ⋅ α * ≅ χ = 1 − ⎜⎜ 2 ⎝ Lp
2
⎞ ⎟ , ⎟ ⎠
(10)
Где w – толщина базы, Lp – длина диффузии дырок в базе( для транзистора pn-p типа ). В свою очередь толщина базы изменяется от величины напряжения на коллекторе вследствие эффекта модуляции толщины базы. В этом случае толщина базы записывается в виде: w(U кэ ) ≅ w0 − l k 0 ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
U кб
ϕ кк
,
(11) Стр. 11 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
Где w0 – равновесная толщина базы при нулевом напряжении на коллекторе; lk0 – равновесная ширина перехода коллектор – база; U кб - модуль напряжения на переходе коллектор м- база. Из выражения (11) видно, что ширина коллекторного перехода от напряжения Uкб изменяется нелинейно, поэтому при малых изменениях модуля напряжения U кб будет больше изменение толщины базы и зависимость рис. 8 этот факт учитывает участком АВ. При б`ольших напряжениях на коллекторе зависимость β на рис.1 имеет линейный характер ( участок ВС ). Например, для транзистора p-n-p типа имеем при Uкб1= -2 В α1=0,96, а при Uкб2= -30 В α1=0,98. Тогда, β1 ≅ 24, а β2=48, то есть малым изменениям коэффициента α на участке ВС соответствует достаточно большие изменения коэффициента β. На участке СD зависимости рис.8 наблюдается лавинное размножение носителей заряда в коллекторном переходе, но этот режим входит в нерабочую область на выходных характеристиках биполярного транзистора и не используется в практических схемах. 4.2. Зависимость коэффициента передачи по току о тока коллектора При этом функционал коэффициента передачи по току преобразуется к виду: β=F[Ik] Uкэ, Т˚С=const, (12) График зависимости β о тока коллектора представлен на рис.9.
β
B
βmax
C A 0
Iк опт
Iк
Рис.9. Зависимость коэффициента передачи по току от тока коллектора При рассмотрении зависимости рис.9 необходимо учитывать, что Ik=α Iэ+Iko и выражение (10) записать в виде:
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 12 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
⎡ ϕ w ⎤⎡ 1 ⎛ w α = γ ⋅ χ ⋅ α ∗ ≅ ⎢1 − э ⎥ ⎢1 − ⎜⎜ ρ L б p ⎥ ⎣⎢ ⎦ ⎢⎣ 2 ⎝ L p
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
2
⎤ ⎥, ⎥ ⎦
(13)
Из теории работы биполярного транзистора следует, что ток эмиттера зависит от значения напряжения на переходе эмиттер – база Iэ=f(Uбэ) и определяется током диффузии дырок через базу I Э = I ЭD = −eSD p
dp , dx
(14)
где е – заряд электрона; S – площадь перехода эмиттер – база; Dp – коэффициент диффузии дырок в базе;
dp - градиент концентрации дырок в dx
базе. Коэффициент диффузии связан с длиной диффузии соотношением: L p = D p ⋅τ , (15) где τ – время жизни носителей заряда. При увеличении напряжения эмиттер – база растет избыточная концентрация дырок на границе перехода эмиттер – база, возрастает градиент концентрации и увеличивается скорость движения носителей заряда в базе, что уменьшает рекомбинационные потери в базе и ведет к росту коэффициента передачи по току. В этом случае коэффициент диффузии дырок в базе определяется соотношением: D p = D p 0 (1 +
pn ), nn + p n
(16)
где Dpo – коэффициент диффузии при малом уровне инжекции дырок из эмиттера в базу. Поэтому на участке АВ рис.9 изменяется уровень инжекции дырок из эмиттера в базу, растет коэффициент диффузии (16) и длина диффузии Lp (15), что ведет к росту коэффициента передачи по току и в точке В он принимает максимальное значение βmax. Существует оптимальное значение тока коллектора Iк опт, при котором достигается βmax. Для маломощных биполярных транзисторов Iк опт ≅ (1 ÷ 3) мА, а для мощных транзисторов - Iк опт ≅ (30 ÷ 80) мА. При увеличении тока коллектора более Iк опт начинает сказываться уменьшение эффективности эмиттера γ (13) из–за уменьшения удельного электрического сопротивления базы ρб, которое определяется: ρб =
1
σб
=
1 eµ n n n + eµ p p n
(17)
При малых значениях тока эмиттера (а равно и тока коллектора) дырочная составляющая электропроводности базы σбр имеет малое значение и ρб достаточно велико. При больших токах эмиттера, когда pn>> nn, увеличивается σбр и ρб уменьшается, а это приводит к уменьшению эффективности эмиттера γ, коэффициента α и в том числе коэффициента передачи по току биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером β ( участок ВС рис. 9 ). Изменение β на участке ВС рис.9 происходит достаточно плавно. ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 13 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
4.3. Зависимость коэффициента передачи по току от температуры окружающей среды Для схемы включения биполярного транзистора с общим эмиттером: β=F[Т˚С] Uкэ, Ik =const. В этом случае β оценивается величиной α из соотношения (10) с учетом зависимости длины диффузии дырок Lp (15). В выражении (15) с ростом Т˚С возрастает несколько время жизни носителей заряда и график зависимости β от температуры окружающей среды имеет линейный характер (рис.10).
β
T°C
0
Рис.10. Зависимость коэффициента передачи по току от температуры окружающей среды 5. Система Н- параметров биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером Система уравнений представляется в виде: ⎧⎪dU 1 = H 11 dI1 + H 12 dU 2 , ⎨ ⎪⎩dI 2 = H 21 dI1 + H 22 dU 2 ,
для
Н-параметров
биполярного
транзистора
(18)
А матрица Н-параметров: H=
H 11
H 12
H 21
H 22
(19)
Для биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером вхдным током является ток базы (I1=Iвх =Iб), выходным током – ток коллектора (I2=Iвых =Iк), входным напряжением – напряжение база – эмиттер (U1=Uвх = Uбэ), выходным напряжением – напряжение коллектор – эмиттер (U2=Uвых = Uкэ). Пи этом Н – параметры записываются в виде (с учетом связи с Н – параметрами биполярного транзистора в схеме включения с общей базой): ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 14 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
1. входное сопротивление – Н11э: H11Э =
dU БЭ dI Б U
= КЭ = const
H11Б = ( β + 1) H11Б , (1 − α )
(20)
То есть H11Э>> H11Б и составляет значения сотни Ом, единицы кОм. 2. коэффициент обратной связи по напряжению – H12Э. H12 Э =
dU БЭ dU КЭ
(21)
I Б = const
H12 Э ≅ H 22 Б = (10− 3 ÷ 10− 4 )
3. коэффициент передачи по току – H21Э. H 21Э =
dI К dI Б
=β = Uкк= const
α 1−α
(22)
H 21Э = (20 ÷ 200)
4. выходная проводимость – H22Э. H 22 Э =
dI К dU КЭ
= I Б = const
H 22 Б 1−α
(23)
H 22 Э = (3 ⋅ 10− 4 ÷ 10 − 5 )Сим
6. Схема лабораторной установки Лабораторная установка (рис.6) включает универсальный лабораторный стенд, в котором смонтирована схема для снятия статистических характеристик транзисторов. Прибор (мА) источник входного напряжения измеряет ток базы ( I б ), а вольтметр (V) служит для измерения входного напряжения транзистора ( U бэ ). В выходной цепи прибор (мА) измеряет ток коллектора ( I к ), а вольтметр V – напряжение между коллектором и эмиттером ( U кэ ). Для повышения точности измерения входного напряжения U кэ во входную цепь целесообразно включить цифровой вольтметр Ф203 (VI).
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 15 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
К
мА _
V
К
П2
_
П3 мА
П1 Б
VT
V
V1 Э
+ Источник входного напряжения 0± 5 В
П4
Э
+ П5
Источник выходного напряжения 0 ± 30 В
Рис.11. Схема лабораторной установки. 7. Лабораторное задание 1. Записать паспортные параметры исследуемого транзистора и зарисовать схему расположения его выводов. 2. Рассчитать и построить кривую допустимой мощности, рассеиваемой транзистором. 3. Собрать схему для исследования транзистора в схеме включения с ОЭ. 4. Снять семейство входных характеристик I б = f (U бэ ) U КЭ =const при комнатной температуре для двух значений напряжения на коллекторе: U кэ = 0 , -5 В При снятии входных характеристик задаваться током базы от 0 до 100 мкА и при этом отмечать значения напряжения на базе. При отрицательных значениях напряжений на коллекторе найти напряжение на базе, при котором ток станет равным нулю. 5. Снять семейство выходных характеристик I к = f (U бэ ) I K =const для четырех значений тока базы: I б = 0, 30, 60, 90 мкА при комнатной температуре. При снятии выходных характеристик задаваться напряжением на коллекторе и не превышать максимальных значений тока и напряжений, а также мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора. При снятии характеристики для I б = 0 , цепь базы следует разорвать, т.е. убрать перемычку П1. 6. Снять проходную характеристику транзистора I к = f (U бэ ) I KЭ=const и входную характеристику I б = f (U бэ ) I KЭ=const при напряжении на коллекторе ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 16 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
U кэ = −5В . При снятии характеристик задаваться током базы от 0 до 100 мкА и отмечать при этом величину тока коллектора и напряжения на базе. Результаты эксперимента свести в табл.1. Таблица 1 I б , мкА
0
2
10
20
30
40
60
80
100
I к , мА U бэ , В
β S м А/В 7. Исследуемый транзистор поместить в печь, предварительно разогретую до температуры 70°С, и через 5 минут повторить пункт 5 лабораторного задания. 8. Обработка результатов измерений 1. По построенным характеристикам транзистора, снятым при комнатной температуре, определить HЭ – параметры. Параметр H12 Э принять равным 104 . 2. По вычисленным HЭ – параметрам подсчитать параметры Т-образной эквивалентной схемы по формулам: 1 + H 21э H H rэ = 12 э ; rб = H 21э − (1 + H 21э ) 12 э ; rк = ; H 22 э H 22 э H 22 э
α=
H 21э ; 1 + H 21э
µ=
H 21э ⋅ H12 э ; 1 + H 21э
S=
H 21э . H11э
3.
Используя данные табл.1, определить: ∆I к а) значение крутизны характеристики S = ∆U бэ
U кэ
;
б) величину коэффициента усиления по току β = ∆I к / ∆I б
U кэ
для всех
значений тока базы. Вычисленные значения β и S внести в табл.1; в) построить графики зависимости β = f ( I к ) и S = f (U бэ ) .
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 17 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
Таблица 2 Параметры
H11Э H12Э H21Э H22Э
rЭ
rб
rК
α
µ
S
Размерность Паспортные значения Расчетные значения 9. Содержание отчета Отчет должен содержать 1. Формулировку цели исследования. 2. Схему для исследования транзистора. 3. Таблицы результатов измерений. 4. График семейства входных характеристик при комнатной температуре с указанием области определения HЭ – параметров. 5. График семейства выходных характеристик при комнатной и повышенной температурах. На этом графике построить кривую допустимой мощности и указать область определения HЭ – параметров. 6. График проходной характеристики. 7. График зависимости β = f ( I к ) . 8. График зависимости S = f ( I к ) . 9. Таблицу со справочными и расчетными параметрами. 10. Анализ полученных результатов. 10. Вопросы для самопроверки 1. Как связаны между собой выходной и входной токи транзистора в схеме включения с ОЭ? 2. Что такое сквозной ток транзистора? Поясните механизм его возникновения. 3. Нарисуйте семейство выходных характеристик транзистора в схеме включения с ОЭ. Укажите режим работы транзистора. Поясните влияние U кэ и температуры на ход характеристик. 4. Нарисуйте семейство входных характеристик в схеме включения с ОЭ. Объясните влияние U кэ и температуры на ход характеристик. 5. Напишите выражение для HЭ – параметров, поясните их физический смысл. 6. Поясните графический метод определения HЭ – параметров. 7. Как связаны между собой H б и hэ параметры? Назовите порядок величин HЭ – параметров в схемах включения с ОБ и ОЭ. ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 18 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
8. Каковы основные преимущества и недостатки схемы включения транзистора с ОЭ по сравнению со схемой включения с ОБ. 9. Какие транзисторы называются дрейфовыми? Каковы их конструктивные особенности. Библиографический список 1. Электронные приборы : учебник для вузов / В. Н. Дулин, Н. А. Аваев, В. П. Демин и др.; под. ред. Г. Г. Шишкина. – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : Энергоатомиздат, 1989. 496 с. 2. Булычев А. Л., Лямин П. М., Тулинов Е. С. Электронные приборы : учебник. – М. : Лайт Лтд., 2000. 416 с. 3. Батушев В. А. Электронные приборы : учебник. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Высшая школа, 1980. 383 с. 4. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы : учебник для вузов. – 5-е изд., испр. – СПб. : «Лань», 2001. 480 с. 5. Елфимов В. И., Устыленко Н. С. Основы теории p-n перехода : учебное пособие. – Екатеринбург : ООО «Издательство УМЦ УПИ», 2000. 55 с. 6. Антипов Б. Л., Сорокин В. С., Терехов В. А. Материалы электронной техники. Задачи и вопросы : учебное пособие для вузов / под ред. В. А. Терехова. – 2-е изд. – СПб. : «Лань», 2001. 208 с. 7. Денискин Ю. Д., Жигарев А. А., Смирнов Л. П. Электронные приборы : программированное учебное пособие. – М. : Энергия, 1980. 280 с. 8. Полупроводниковые приборы. Транзисторы : справочник / В. А. Аронов, А. В. Баюков, А. А. Зайцев и др.; под общ. ред. Н. Н. Горюнова. – М. : Энергатомиздат, 1982. 904 с. 9. Исследование характеристик и параметров биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером : методические указания к лабораторной работе / В. И. Щукстов, Т. И. Филатова. – Екатеринбург : УПИ, 1990. 16 с.
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 19 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
Оглавление 1. Цель лабораторной работы 2 2. Связь между токами в схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером 2 3. Статические характеристики биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером. 4 3.1. Входные характеристики 4 3.2. Выходные характеристики 6 3.3. Влияние температуры на выходные характеристики 9 4. Влияние режима работы биполярного транзистора и температуры окружающей среды на коэффициент передачи по току 1 1 4.1. Зависимость коэффициента передачи по току от напряжения на коллекторе 1 1 4.2. Зависимость коэффициента передачи по току о тока коллектора 1 2 4.3. Зависимость коэффициента передачи по току от температуры окружающей среды 1 4 5. Система Н- параметров биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером 1 4 6. Схема лабораторной установки 1 5 7. Лабораторное задание 1 6 8. Обработка результатов измерений 1 7
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 20 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
9. Содержание отчета 1 8 10. Вопросы для самопроверки 1 8 Библиографический список 1 9 Приложение 1 Образец оформления титульного листа 2 2 Приложение 2 Кремниевые эпитаксиально-планорные p-n-p транзисторы 2 3
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 21 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
Приложение 1 Образец оформления титульного листа Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное Агенство по образованию ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет – УПИ Кафедра «Радиоэлектроника информационных систем» Оценка работы____________ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА В СХЕМЕ ВКЛЮЧЕНИЯ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ Отчет по лабораторной работе № 5 по дисциплине «Электроника»
Подпись
Дата
Фамилия
Преподаватель
ФИО преподавателя
Студент Группа
ФИО студента
Екатеринбург 2005
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 22 из 24
Устыленко Н.С., Елфимов В.И.
Исследование характеристик и параметров
Приложение 2 Кремниевые эпитаксиально-планорные P-N-P транзисторы
К
Параметры
∅5
∅6
∅2,5
Э
30
Б
35
2Т203А
2Т303А
2Т203Б
2Т203Г
9
30÷90
15÷100
40
Входное сопротивление в схеме с ОЭ, Ом
300
300
300
300
Максимальное напряжение на коллекторе, В
60
30
15
60
Мощность, рассеиваемая транзистором, мВт
150
150
150
150
Коэф. передачи тока
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 23 из 24
Учебное электронное текстовое издание
Устыленко Наталья Степановна Елфимов Вячеслав Ильич
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА В СХЕМЕ ВКЛЮЧЕНИЯ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ
Редактор Компьютерная верстка
Л.Ю. Козяйчева О.Ю. Петрова
Рекомендовано РИС ГОУ ВПО УГТУ-УПИ Разрешен к публикации 11.07.05. Электронный формат – PDF Формат 60х84 1/16 Издательство ГОУ-ВПО УГТУ-УПИ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19 e-mail:
[email protected] Информационный портал ГОУ ВПО УГТУ-УПИ http://www.ustu.ru
