Методические указания по подготовке к работе 1 страница

Транзистором называется полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n-переходами, пригодный для усиления мощности и имеющий три или более выводов. Наиболее распространены биполярные транзисторы с тремя выводами. В процессах прохождения токов биполярных транзисторов участвуют основные и неосновные носители зарядов. По порядку чередования p-n-переходов различают биполярные транзисторы структуры p-n-p и n-p-n. Принцип действия обоих типов биполярных транзисторов одинаков.

Система обозначений биполярных транзисторов состоит из буквенных и цифровых элементов. Например, КТ602А или 2Т602А. В начале обозначения ставится буква или цифра, определяющая исходный полупроводниковый материал («Г» или «К», 1 или 2). Затем идет буква, характеризующая подкласс прибора: «Т» - биполярный транзистор, «П» - полевой. После этих букв идет число, условно характеризующее частотные свойства, мощность и номер разработки транзистора. Последний элемент – буква, условно определяющая классификацию транзисторов по параметрам, изготовленных по единой технологии.

Транзистор представляет собой монокристалл полупроводника с двумя взаимодействующими p-n-переходами. При получении в кристалле полупроводника двух взаимодействующих переходов возможно различное чередование полупроводников. Если полупроводники чередуются: дырочный, электронный и дырочный, то транзистор имеет структуру p-n-p (рис. 2.1). При чередовании полупроводников: электронный, дырочный и электронный, транзистор имеет структуру n-p-n.

p n p

Э К

Б

Рис. 2.1. Условное изображение кристалла биполярного транзистора

структуры p-n-p (Б – база, Э – эмиттер, К – коллектор).

Среднюю область кристалла называют базой (Б), одну крайнюю область – эмиттером (Э), а другую - коллектором (К). При изготовлении транзистора добиваются выполнения следующих условий:

· концентрация основных носителей заряда в эмиттере должна значительно превышать концентрацию основных носителей заряда в базе;

· ширина активной области базы, т.е. области, находящейся непосредственно между запирающими слоями эмиттерного и коллекторного p-n-переходов, должна быть меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда в базе;

· площадь коллекторного перехода должна быть больше площади эмиттерного перехода.

Условные графические изображения биполярных транзисторов показаны на рис. 2.2. Работа транзисторов структуры p-n-p (рис. 2.2,а) и структуры n-p-n (рис. 2.2,б) аналогична, различие заключается в полярности подключения источников внешних напряжений и в направлении прохождения токов через электроды.

p-n-p n-p-n

Э К Э К

Б Б

а) б)

Рис. 2.2. Условные графические изображения биполярных транзисторов.

При включении транзистора в схему один из его электродов считается входным, второй – выходным, а третий – общим. На входной и выходной электроды транзистора подаются от внешних источников напряжения, отсчитываемые относительно общего электрода. В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей, существуют три схемы включения биполярного транзистора.

В схеме с общей базой (ОБ) (рис. 2.3,а) входным электродом является эмиттер, а выходным – коллектор. В схеме с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 2.3,б) входным электродом является база, а выходным – коллектор. В схеме с общим коллектором (ОК) (рис. 2.3.в) входным электродом является база, а выходным – эмиттер.

UЭБ UКБ UБЭ UКЭ UБК UЭК

а) б) в)

Рис. 2.3. Схемы включения биполярного транзистора

В зависимости от величины и полярности напряжений, приложенных к входным и выходным электродам биполярного транзистора, различают следующие основные режимы его работы: отсечки, насыщения, активный и инверсный.

Рассмотрим режимы работы и статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой.

В режиме отсечки полярность подключения источников смещения эмиттерного (UЭБ) и коллекторного (UКБ) переходов такова, что оба p-n-перехода транзистора находятся в обратном включении (рис. 2.4,а).

- - + +

UЭБ UКБ UЭБ UКБ

+ IЭБ0 IКБ0 + - IЭн IКн -

а) б)

Рис. 2.4. Схемы включения биполярного транзистора с общей базой:

а – в режиме отсечки; б – в режиме насыщения

В этом случае запирающие слои на границах p- и n-областей расширяются и их сопротивления для основных носителей заряда увеличиваются. Вследствие этого через p-n-переходы проходят обратные токи коллектора IКБ 0 и эмиттера IЭБ 0, обусловленные движением неосновных носителей заряда. Эти токи зависят от площади p-n-перехода и концентрации неосновных носителей заряда, на которую существенное влияние оказывает температура кристалла полупроводника.

В режиме насыщения эмиттерный и коллекторный p-n-переходы транзистора находятся в прямом включении (рис. 2.4,б). В этом случае запирающие слои на границах p- и n-областей сужаются, и происходит инжекция дырок из эмиттера и коллектора в базу. В результате этого в базе накапливаются неосновные носители заряда, а через p-n-переходы проходят токи насыщения коллектора IКн и эмиттера IЭн, обусловленные движением основных носителей заряда.

Поскольку концентрация основных носителей заряда значительно больше концентрации неосновных носителей заряда, то IКн >> IКБ 0 и IЭн > IЭБ 0. Поэтому считают, что в режиме отсечки транзистор закрыт, а в режиме насыщения полностью открыт.

В активном режиме эмиттерный p-n-переход находится в прямом включении, а коллекторный – в обратном. Включение биполярного транзистора с общей базой в активном режиме показано на рис. 2.5. Активный режим обеспечивается соответствующей полярностью напряжений, подключенных к эмиттеру (UЭБ) и коллектору (UКБ) и отсчитываемых относительно базы.

IЭ IК

+ -

UЭБ UКБ

- IБ +

Рис. 2.5. Схема включения транзистора с общей базой в активном режиме.

Поскольку концентрация дырок в эмиттере значительно больше концентрации электронов в базе, то прямое включение эмиттерного p-n-перехода сопровождается значительной инжекцией дырок в базу и незначительной инжекцией электронов из базы в эмиттер. Это обусловливает прохождение через эмиттерный p-n-переход диффузионных токов: дырочного IЭp и электронного IЭn. Следовательно, во внешней цепи проходит ток эмиттера

(2.1)

Отношение между составляющими тока эмиттера оценивается коэффициентом инжекции

Вследствие инжекции концентрация дырок в базе повышается и зависит от напряжения эмиттерного перехода. Концентрация инжектированных в базу дырок на границе эмиттерного перехода определяется выражением

(2.2)

где pn 0 – концентрация равновесных дырок в базе у эмиттерного перехода (при х = 0).

Таким образом, в результате инжекции дырок из эмиттера концентрация неосновных неравновесных носителей (дырок) в базе у границы с эмиттерным переходом изменяется и может значительно превышать равновесную концентрацию.

Из анализа рис. 2.6, где w – ширина базы, и формулы (2.2) следует, что градиент концентрации дырок зависит от значений напряжения UЭБ, т.е. от pБЭ. Под действием градиента концентрации происходит диффузионное движение инжектированных дырок через базу от эмиттера к коллектору. В процессе диффузионного движения часть дырок, не дойдя до коллекторного перехода, рекомбинирует с электронами. На место рекомбинировавших электронов в базу из внешней цепи (от источника UЭБ) поступают электроны, создавая совместно с электронами, уходящими из базы в эмиттер, ток базы рекомбинации IБ рек. Так как в базе концентрация электронов существенно ниже концентрации дырок, инжектированных из эмиттера, то вероятность полной рекомбинации мала и, если диффузионная длина дырок в базе Lp значительно больше толщины базы w, основная часть дырок достигает коллекторного перехода.

pn

UЭБ1 > UЭБ2 > UЭБ3

Эмиттер База Коллектор

pБЭ1 UЭБ1

pБЭ2 UЭБ2

pБЭ3 UЭБ3

0 х

w

Рис. 2.6. Графики распределения концентрации дырок в базе биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой в активном режиме

Дырки, инжектированные из эмиттера в базу и достигшие коллекторного p-n-перехода, попадают в его ускоряющее поле и перебрасываются (экстрагируются) в коллекторную p-область, создавая ток коллектора IКp. При этом, из-за процессов рекомбинации в базе, ток IКp меньше тока эмиттера IЭp. Процесс переноса неосновных неравновесных носителей через базу оценивается коэффициентом переноса ξ, определяемым отношением IКp к IЭp. Анализ показывает, что значение ξ зависит от ширины базы w, диффузионной длины дырок и определяется по формуле

ξ = IКp / IЭp = 1 – w ² /( 2 Lp ² ).

Экстракция дырок может сопровождаться ударной ионизацией атомов полупроводника и лавинным умножением носителей заряда в коллекторном переходе. Дырки, попавшие в коллектор в результате экстракции и ударной ионизации, нарушают его электрическую нейтральность, что вызывает приток электронов от внешнего источника UКБ. Движение этих электронов определяет прохождение тока IК 1 в цепи коллектора. Процесс умножения носителей заряда в коллекторном переходе оценивается коэффициентом умножения коллекторного тока

М = IК 1 / IКp.

Чем больше дырок инжектируется эмиттером, тем большее их количество экстрагирует в коллектор, увеличивая его ток. Следовательно, ток IК 1 пропорционален току эмиттера (h 21 БIЭ) и называется управляемым током коллектора. Возможность управления выходным током транзистора путем изменения входного тока является важным свойством биполярного транзистора, позволяющим использовать его в качестве активного элемента различных радиотехнических схем. Величина h 21 Б характеризует управляющие свойства транзистора и определяется как отношение управляемого тока коллектора к полному току эмиттера:

h 21 Б = IК упр / IЭ = IК 1 / IЭ

и называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Очевидно, что чем ближе значение h 21 Б к единице, тем лучше управляющие свойства транзистора.

При рассмотренной полярности включения внешнего источника UКБ (рис. 2.5) его напряжение является обратным для коллекторного p-n-перехода. Поэтому через коллекторный переход, кроме тока, обусловленного экстракцией дырок из базы в коллектор, проходит ток неосновных носителей базы и коллектора, направленный из базы в коллектор. Природа этого тока аналогична природе обратного тока полупроводникового диода, вследствие чего он получил название обратного тока коллектора и обозначается IКБ 0. Этот ток проходит от источника UКБ через базу, коллекторный переход и коллектор на источник UКБ. Направление обратного тока коллектора совпадает с направлением управляемого коллекторного тока, следовательно,

IК = h 21 Б IЭ + IКБ 0. (2.3)

Обратный ток коллектора в цепи базы направлен навстречу току IБ рек, поэтому общий ток базы определяется как:

IБ = IБ рек - IКБ 0. (2.4)

Ток эмиттера транзистора является суммой трех составляющих: h 21 БIЭ, IЭn и IБ рек, поэтому для нахождения тока IЭ можно воспользоваться следующим соотношением:

IЭ = h 21 Б IЭ + IБ рек + IКБ 0 - IКБ 0 + IЭn. (2.5)

С учетом уравнений (2.3) и (2.4) равенство (2.5) преобразуется к виду

IЭ = IБ + IК. (2.6)

Это выражение устанавливает связь между токами транзистора и справедливо для любой схемы включения. Из уравнений (2.3) и (2.6) следует:

IБ = IЭ - IК = (1 - h 21 Б) IЭ - IКБ0. (2.7)

Направление тока базы зависит от соотношений между слагаемыми уравнения (2.7). Обычно в активном режиме выполняется условие (1 - h 21 Б) IЭ > IКБ 0. Распределение токов для этого случая показано на рис. 2.5.

Статическими характеристиками транзисторов называют графики, выражающие функциональную связь между токами и напряжениями транзистора. В зависимости от того, какие токи и напряжения принимаются за независимые переменные, возможны различные системы функциональной связи и соответствующие им семейства статических характеристик.

Среди этих семейств характеристик наибольшее распространение получили статические характеристики, относящиеся к «гибридной» системе, или Н-системе, в которой в качестве независимых переменных приняты входной ток и выходное напряжение:

Uвх = f (Iвх, Uвых);

Iвых = f (Iвх, Uвых).

В статическом режиме эти зависимости выражаются четырьмя семействами характеристик:

входными

Uвх = f (Iвх) | Uвых = const;

выходными

Iвых = f (Uвых) | Iвх = const;

обратной связи

Uвх = f (Uвых) | Iвх = const;

прямой передачи

Iвых = f (Iвх) | Uвых = const.

Вид характеристик зависит от способа включения транзистора. Для однозначного установления зависимости между токами и напряжениями транзистора достаточно иметь два семейства характеристик. На практике наибольшее применение получили входные и выходные характеристики. Характеристики прямой передачи и обратной связи применяются редко и могут быть легко получены из входных и выходных характеристик путем перестроения.

Входными характеристиками транзистора, включенного по схеме ОБ (рис. 2.5), называют семейство характеристик, выражающих зависимость UЭБ = f (IЭ) при UКБ = const (рис. 2.7). Так как h 21 Б ≈ 1, то при UКБ = 0 (коллектор замкнут с базой) можно считать, что с некоторым приближением входная характеристика представляет собой прямую ветвь вольт – амперной характеристики эмиттерного перехода, определяемой соотношением (2.1).

U ЭБ

U КБ = 0

U КБ = -4В

U КБ = -8В

0 I Э

Рис. 2.7. Входные характеристики транзистора структуры p-n-p, включенного по схеме с общей базой.

+ IКБ0 -

U ЭБ U КБ

- U ос r б +

Рис. 2.8. Схема, поясняющая образование U ос на распределенном сопротивлении базы r б.

Отрицательное напряжение коллектора, которое не учитывается в формуле (2.1), смещает входную характеристику в область увеличения токов эмиттера I Э (рис. 2.7). Это смещение вызвано двумя причинами. Во-первых, при повышении напряжения U КБ, в данном случае отрицательного, уменьшается ширина базы и увеличивается градиент концентрации дырок в базе, что приводит к возрастанию тока эмиттера при неизменном напряжении UЭБ. Во-вторых, увеличивается обратный ток коллектора IКБ 0, который, проходя по распределенному сопротивлению базы rб (рис. 2.8), создает на нем падение напряжения U ос = rб IКБ 0. Для большей наглядности на рис. 2.8 сопротивление rб вынесено во внешнюю цепь транзистора. Полярность напряжения обратной связи U ос такова, что его появление приводит к увеличению результирующего напряжения на эмиттерном p-n-переходе при неизменном напряжении U ЭБ. Под влиянием выше перечисленных факторов в цепи эмиттера при U ЭБ = 0 и отрицательном напряжении на коллекторе проходит небольшой эмиттерный ток. Для его устранения на эмиттер необходимо подать некоторое отрицательное напряжение.

Выходные статические характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ, отражают зависимость I К = f (U КБ) при I Э = const (рис. 2.9).

Как известно , ток коллектора можно представить в виде

(2.8)

При включении коллекторного перехода в обратном направлении напряжение UКБ в уравнение (2.8) подставляется со знаком «минус», поэтому при | UКБ | > φT справедливо уравнение (2.3).

I К IЭ4 > IЭ3 > IЭ2 > IЭ1 > IЭ

Режим

Дата добавления: 2015-05-06