Исследование полупроводниковых приборов (стр. 11 из 13)
Работа № 9
Исследование биполярного транзистора
Цель работы
Изучение характеристик и параметров биполярного транзистора.
Теоретическая часть
В биполярном транзисторе два типа носителей заряда (электроны и дырки) участвуют в процессе протекания тока. Кроме того, транзистор содержит две цепи: входную и выходную. Входная цепь транзистора состоит из перехода эмиттер-база, который включается в прямом направлении, а выходная цепь состоит из перехода коллектор-база, который включается в обратном направлении.
По типу основных носителей, которые перемещаются в структуре, различают транзисторы типа n-p-n и p-n-p. В транзисторе типа n-p-n основные носители – электроны, а в транзисторе типа p-n-p – дырки. По способу перемещения основных носителей через базу различают диффузионные и дрейфовые транзисторы.
Дрейфовые транзисторы имеют более тонкую базу, в которой характер перемещения основных носителей – дрейфовый. В диффузионных транзисторах время перемещения основных носителей через базу больше чем в дрейфовых. Статические характеристики и параметры диффузионных и дрейфовых транзисторов одинаковые, а динамические параметры разные. Дрейфовые транзисторы относятся к высокочастотным полупроводниковым приборам и используются в интегральных схемах или в виде отдельных полупроводниковых приборов. Схема включения транзисторов в статическом режиме с общей базой приведена на рис.1. Стрелками на структуре показано перемещение электронов.
Рис.1. Схема включения с общей базой в статическом режиме
Под действием прямого напряжения Uэ происходит диффузия электронов из эмиттера в базу. Потенциальный барьер перехода П1 не препятствует диффузии, т.к. его ослабляет внешнее напряжение. В базе происходит диффузионное перемещение электронов от перехода П1 к переходу П2, если рассматривается транзистор диффузионного типа. В процессе диффузионного перемещения происходит рекомбинация электронов и дырок. Если заполненные электронные связи получаются устойчивыми, то к переходу П2 подходят не все электроны, которые были инжектированы в базу из эмиттера.
В результате актов рекомбинации база теряет электрическую нейтральность и приобретает избыточный отрицательный заряд. Между слоем базы и ее выводом возникает электрическое поле, выталкивающее во внешнюю цепь электроны, в результате чего появляется ток базы.
Основная масса электронов подходит к коллекторному переходу П2 и под действием напряжения Uк дрейфует в коллектор. Слой коллектора приобретает избыточный отрицательный заряд, поэтому между слоем коллектора и его выводом возникает электрическое поле, выталкивающее во внешнюю цепь электроны. По аналогии с цепью коллектора в цепи эмиттера протекает ток, вызванный избыточным положительным зарядом эмиттера. Таким образом, протекание токов в цепях эмиттера, базы и коллектора связано с поддержанием электрической нейтральности слоев транзистора.
Для взаимодействия эмиттерного и коллекторного переходов необходимо, чтобы слой базы был достаточно тонким, например, для диффузионного транзистора ширина базы составляет десятки мкм. Передача тока из эмиттерной цепи в коллекторную определяется коэффициентом α. Различают статический коэффициент передачи тока эмиттера и дифференциальный:
, 
. (1)На линейных участках характеристик транзистора статический и дифференциальный коэффициент передачи одинаковы, поэтому для линейного режима работы используется одно значение α.
Из схемы включения транзистора следует основное уравнение для токов:
. (2)В цепи коллектора необходимо учесть ток неосновных носителей, который протекает под действием источника Eк. Этот ток определяется при оборванном эмиттере и обозначается Iк0 (рис.2). С учетом обратного тока коллектора Iк0 значение выходного тока в схеме с общей базой определяется выражением:
. (3)Рис.2. Схема включения с общей базой при Iэ = 0
Влияние выходного напряжения на ток коллектора зависит от дифференциального сопротивления коллекторного перехода rк и определяется соотношением Uк/rк. Уравнение выходного тока для линейного участка вольтамперной характеристики имеет вид:
. (4)Схема включения с общим эмиттером приведена на рис.3. В этой схеме на вход и на выход подаются регулируемые напряжения Uбрег и Uкрег. Эмиттер является общим электродом для входа и выхода. Принцип действия биполярного транзистора не изменяется при изменении схемы включения, так как эмиттерный переход П1 включается в прямом направлении, а коллекторный П2 – в обратном. В отличие от схемы с общей базой напряжение Uкрег подключается к двум p-n-переходам П1 и П2. Из-за этого в области базы появляется избыточный отрицательный заряд, если разомкнута цепь эмиттера. Отрицательный заряд скапливается у границы перехода П2 и вызывает полевой пробой этого перехода, поэтому в схемах включения с общим эмиттером и общим коллектором нельзя включать транзистор с оборванной базой. Данное условие необходимо соблюдать для биполярных транзисторов разной мощности, особенно для средней и большой. В паспортных данных биполярных транзисторов указывается минимальный ток базы или внешнее сопротивление в цепи базы, при которых не происходит пробоя коллекторного перехода.
Рис.3. Схема включения с общим эмиттером
Выражение выходного тока для схемы с общим эмиттером получается на основе уравнения выходного тока схемы с общей базой. В выражение (4) подставляется выражение (2):
. (5)После преобразования выражения (5) получается коллекторный ток, зависящий от параметра α:
. (6)В выражении (6) каждое слагаемое можно рассмотреть отдельно:
; 
; 
, (7)где В – коэффициент передачи тока базы, причем, различают статический коэффициент передачи и дифференциальный; на линейных участках характеристик статический и дифференциальный коэффициенты одинаковы;
Iк0’ – обратный ток коллектора в схеме с общим эмиттером;
rd – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода для схемы с общим эмиттером.
; при Uк = const. (8) 
; при Iб = const. (9)Для оценки параметров транзистора зададим коэффициент передачи тока эмиттера α=0,98 и подсчитаем параметры В, rd, Iк0’:
; 
; 
. (10)Из соотношения (10) следует, что в схеме с общим эмиттером происходит усиление тока базы, поэтому коэффициент передачи В называется коэффициентом усиления тока базы. Выходное сопротивление транзистора rd уменьшается, а ток Iк0’ возрастает по сравнению со схемой включения с общей базой.
Уравнение выходного тока с учетом соотношений (7) запишется в виде:
. (11)Для графоаналитического расчета усилительных каскадов используются статические характеристики транзистора: входные Iб = F(Uб) при Uк = const; выходные Iк = F(Uк) при Iб = const; передачи по току Iк = F(Iб) при Uк = const.
Входные характеристики имеют вид, аналогичный прямой вольтамперной характеристике диода (рис.4). С ростом коллекторного напряжения характеристики сдвигаются вправо, так как происходит расширение коллекторного перехода в сторону базы и вследствие этого уменьшение ширины базы, а значит – базового тока. Влияние коллекторного напряжения на ток базы незначительное, так как базовый ток в основном определяется прямым напряжением, поступающим на базу.
Рис.4. Входные характеристики транзистора
Выходные характеристики транзистора имеют вид, аналогичный вольтамперным характеристикам диода в обратном включении (рис.5а). Принято изображать выходные характеристики в первом квадранте (рис.5б). Первая характеристика представляет собой обратный ток коллектора, который протекает при нулевом полезном сигнале в цепи базы (рис.6). По выходным характеристикам определяются выходное сопротивление транзистора rd в схеме с общим эмиттером и коэффициент усиления тока базы В.