Основные характеристики биполярных транзисторов

Биполярные и полевые транзисторы

Указания

Условия

Диапазон приложенных напряжений при прямом смещении выбрать таким образом, чтобы ток через диод изменялся в пределах 0,1 – 10 мА. Диапазон обратных напряжений 0 – 10 В. Температура 27⁰С.

Моделирование. Для определения дифференциального сопротивления R _диф рекомендуется использовать схему на рис.1.1. После выставления заданного напряжения источника необходимо нажать кнопки на инструментальной панели в последовательности: Analysis, Transfer Function, в открывшемся окне поставить точку напротив обозначения Voltage и перейти в режим моделирования. В окне, появляющемся после завершения моделирования, отсчитать R _диф в строчке Input Impedance.

Расчет R _диф проводится на основании (1.8).

Биполярный транзистор представляет структуру, образованную тремя слоями полупроводника с различным типом проводимости в соседних слоях, что приводит к образованию двух p-n переходов. Каждый из слоев структуры, участвующих в образовании переходов, имеет отдельный вывод и определенное название: крайние слои и соответствующие им выводы называются эмиттером и коллектором, средний слой и соответствующий ему вывод называется базой. Степень легирования слоев примесями различна, что не позволяет рассматривать структуру как симметричную:

N _э>> N _б> N _к.

P-n переход, образованный слоями эмиттера и базы, называется эмиттерным, а слоями базы и коллектора – коллекторным.

В зависимости от типа проводимости слоев различают биполярные транзисторы со структурой n-p - n и p-n-p.

Для того чтобы транзистор мог выполнять полезные функции, на его электроды необходимо подать постоянные напряжения. При этом различают три схемы включения, отличающиеся выбором общего электрода, относительно которого напряжения подаются на два остальные: схемы с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

Статические характеристики транзистора, т.е. связи, существующие между постоянными токами и напряжениями в цепях транзистора, играют важную роль в схемотехническим проектировании, так как с их помощью осуществляется выбор рабочей точки, определяющий дифференциальные параметры транзистора и всего схемотехнического устройства в целом. Вид статических характеристик обусловлен свойствами двух входящих в состав структуры p-n переходов и их взаимосвязью. Так, в частности, при включении транзистора со структурой n-p-n по схеме ОБ (рис.2.1), ВАХ входной цепи или входная характеристика определяется уравнением, аналогичным (1.1):

(2.1)

где I _э0 – тепловой ток эмиттерного перехода.

Ток в цепи коллектора определяется, во-первых, током инжектированных в базу и дошедших до коллектора электронов a I _э, где a - коэффициент передачи тока эмиттера, учитывающий потери инжектированных электронов на рекомбинацию в базе (a<1). Во-вторых, в цепи коллектора, как и в цепи любого p-n перехода, протекает ток, аналогичный (2.1). В результате суммарный ток коллектора с учетом направления его компонент равен

(2.2)

где I _к0- тепловой ток коллекторного перехода.

Пренебрегая обратной связь между коллекторной и эмиттерной цепями (эффектом Эрли), а также зависимостью a от I _э, в первом приближении можно считать, что уравнения (2.1) и (2.2) описывают статические характеристики транзистора при включении ОБ. Так, например, связь между током коллектора и напряжением коллектор – база, а также связь между коллекторным и эмиттерным токами может быть установлена при помощи (2.2). Если принять, что эмиттерный переход смещен в прямом направлении (условно U _бэ >0 или U _эб <0), а коллекторный – в обратном направлении (условно U _бк<0 или U _кб>0 и U _кб>> ), то

(2.3)

т.е. транзистор работает в активном режиме, при котором обеспечивается выполнение основной его функции – усиление электрических сигналов.

На рис.2.2 показан n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ. Отмеченные направления токов соответствуют таким приложенным к электродам напряжениям, при которых транзистор работает в активном режиме. После ряда преобразований с использованием закона Кирхгофа для токов

(2.4)

и соотношений (2.1) и (2.2) можно получить выражения для входного и выходного токов схемы на рис.2.2:

(2.5)

(2.6)

где b - коэффициент передачи тока базы.

В активном режиме (2.6) преобразуется к виду

I _к=b I _б+ I _к0(1+b). (2.7)

Соотношения (2.4) – (2.6) в сочетании с законом Кирхгофа для напряжений

(2.8)

позволяют установить связи между токами и напряжениями в цепях транзистора при включении ОЭ с учетом упрощений, указанных для включения ОБ. В процессе преобразований соответствующих выражений для нахождения необходимых зависимостей следует обращать внимание на последовательность индексов при напряжениях (например, U _кб=− U _бк).

Последовательность расчета характеристик транзистора с использованием приведенных выше соотношений зависит от заданных условий. Так, например, при включении в цепь базы источника тока I _б необходимо учитывать, что собственная компонента коллекторного тока I_{p-n кол}, не связанная с инжекцией и протекающая в цепи коллектор - база, при прямых смещениях перехода будет ограничена величиной I _б. При этом

I _б = I _б¢ + I_{p-n кол}, (2.9)

где I _б¢– ток базы, сопутствующий инжекции носителей из эмиттера,

I _б'=(1-a) I _э. (2.10)

В том случае, когда необходимо найти координаты рабочей точки транзистора при наличии резисторов в его цепях, следует использовать законы Кирхгофа для напряжений. Например, при наличии резистора R _к в цепи коллектора (рис.2.3)

(2.9)

где E _к- напряжение питания коллекторной цепи.

В случаях, когда точное напряжение на открытом p-n переходе транзистора определить невозможно из-за отсутствия необходимых данных, в первом приближении его можно принять равным 0,7 В.

Типичные схемы включения транзистора, в которых необходимый режим обеспечивается при помощи источника питания в цепи коллектора и резисторов в цепях коллектора и базы, показаны на рис.2.3 (схема с базовым сопротивлением, определяющим ток базы) и рис.2.4 (схема с базовым делителем, определяющим потенциал базы). В последней схеме для минимизации влияния I _б на величину потенциала базы величины сопротивлений резисторов делителя выбирают таким образом, чтобы ток через делитель значительно превосходил ток базы (I _дел=3÷10 I _б). В то же время слишком малые сопротивления резисторов снижают входное сопротивление усилительного каскада.

Дифференциальные параметры транзистора в рабочей точке находятся согласно их определению с использованием дифференцирования соответствующих выражений для токов и напряжений.

Дата добавления: 2015-05-06