Биполярные транзисторы

Цель работы: исследование статических характеристик и параметров биполярных транзисторов.

Транзисторы

Транзистор представляет собой монокристалл полу­проводника, в котором чередуются три области элект­ронной и дырочной проводимости. Последователь­ность областей определяет тип транзисторов: п – р – п (рис. 1, а) пли р – п – р (рис. 1,6). Центральная

Рис. 1

Рис. 2

область называется базой (Б). Она отделена р – п -переходами от двух других областей — эмиттера (Э) и кол­лектора (К). Ширина базы мала и составляет единицы микрометров.

Рассмотрим работу транзистора типа п – р – п (рис. 2, а). К переходу база—эмиттер в прямом, на­правлении прикладывают напряжение U _БЭ Потенциаль­ный барьер эмиттерного перехода при этом понижается, его сопротивление уменьшается. Через переход течет ток I _э, обусловленный инжекцией электронов из эмиттера в базу. К коллекторному переходу в направлении запира­ния подключают напряжение U _КБ, которое повышает по­тенциальный барьер этого перехода, увеличивая тем са­мым его сопротивление.

Так как база имеет ширину, меньшую диффузионной длины пробега в ней основных носителей, то подавляю­щее большинство инжектированных из эмиттера в базу электронов достигает коллекторного перехода, захваты­вается его полем и втягивается в коллектор, создавая ток коллектора I _э. Лишь незначительная часть электронов рекомбинирует с основными носителями базы — дырка­ми, обусловливая тем самым ток базы I _Б Этот ток тем меньше, чем меньше ширина базы и концентрация дырок в ней.

Таким образом, ток эмиттера есть сумма базового и коллекторного токов:

I _э = I _Б + I _к (1)

Отношение приращения коллекторного тока к прира­щению эмиттерного тока называется коэффициентом пе­редачи тока эмиттера:

. (2)

Обычно коэффициент а близок к единице (~0,99).

Отметим, что на ток в цепи коллектор — эмиттер на­кладывается обратный ток коллектора I _к0, обусловлен­ный тепловой генерацией электронно-дырочных пар вбли­зи коллекторного перехода, поэтому уравнение коллек­торного тока имеет вид

I _к = a I _э + I _к0, (3)

однако I _к0 << I _э и в большинстве случаев величиной I _к0 можно пренебречь.

Изменение U _БЭ приводит к изменению I _э и, следова­тельно, к изменению I _к. Большое сопротивление сме­щенного в обратном направлении коллекторного перехо­да позволяет выбрать большую величину сопротивления нагрузки в коллекторной цепи, и в этой цепи мощность электрического сигнала может быть значительно больше мощности, затраченной в цепи эмиттерного перехода.

Подобные процессы имеют место и в транзисторах ти­па р – п – р (рис. 2,6), только электроны и дырки в них меняются ролями, а полярность источников питания следует изменить на противоположную.

Возможны три основные схемы включения транзисто­ра: с общей базой (рис. 3, а), с общим эмиттером (рис. 3, б), с общим коллектором (рис. 3, в). В каж­дой из них напряжение сигнала на общем электроде при­нимается за нуль, и от него отсчитываются напряжения

Рис. 3

Рис. 4

схемы на данном транзисторе. Физические процессы в транзисторе не изменяются при любой схеме включения, но характеристики транзистора становятся другими.

Наиболее употребительные характеристики транзи­стора — статические выходные характеристики для схем с общей базой и общим эмиттером (рис. 4). Они вы­ражают зависимость тока коллектора I _к от постоянного напряжения на коллекторе относительно общего электрода при различных значениях входного тока. Область, в пределах которой характеристики идут под небольшим наклоном к горизонтальной оси, называется активной и используется при работе транзисторов в усилительных режимах. В активной области эмиттерный переход имеет прямое смещение, а коллекторный — обратное.

Во многих случаях нет необходимости иметь семейст­ва характеристик транзисторов: достаточно знать основ­ные параметры, которые легко могут быть получены из этих характеристик. При этом, так же как и для харак­теристик, необходимо указывать схему включения тран­зистора. Основные параметры транзистора в схеме с об­щей базой — следующие:

дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока

½ ; (4)

дифференциальное сопротивление эмиттерного пере­хода

½ ; (5)

дифференциальное сопротивление коллекторного пе­рехода

½ ; (6)

коэффициент внутренней обратной связи по напряже­нию, характеризующий влияние коллекторного напряже­ния на эмиттерное:

½ . (7)

Помимо перечисленных параметров важную роль в работе транзистора играет обратный ток коллектора I _к0 (ток в цепи коллектора при рабочем напряжении на кол­лекторе и токе эмиттера, равном нулю).

Аналогичные параметры можно указать для транзи­сторов в схеме с общим эмиттером. При этом усилительные свойства транзистора определяются коэффициентом передачи тока базы

½ . (8)

Параметры a и b связаны между собой:

. (9)

Входное сопротивление транзисторов в схеме с общим эмиттером

½ . (10)

Дифференциальное внутреннее сопротивление кол­лектора

½ . (11)

При использовании транзисторов в схемах усилителей напряжения удобно пользоваться крутизной характери­стики:

½ . (12)

Согласно (8) и (10)

. (13)

В пределах линейного участка вольтамперной харак­теристики при определении параметров производные за­меняют отношением конечных приращений соответству­ющих величин. Температурные зависимости параметров приводятся в справочниках.

Рассмотренные выше транзисторы на­зывают биполярными, так как в них действуют положи­тельные и отрицательные носители электрического тока.