Сведения, необходимые для выполнения работы. Целью работы является:

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Целью работы является:

• определение коэффициента передачи транзистора по постоянному току;

• получение входной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером;

• получение семейства выходных характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером;

• установка рабочей точки транзисторного каскада с общим эмиттером.

Перед началом работы полезно ознакомиться со следующими вопро­сами:

• устройство и принцип работы биполярного транзистора [1, с. 42-48],

• основные характеристики биполярного транзистора [1, с 44-51, 73-82],

• схемы включения биполярного транзистора и режимы его работы [1, с. 182-190],

43

• особенности работы транзистора в режиме малого сигнала [1, с. 188-190].

Полупроводниковый прибор, имеющий три электрода и два взаимо­действующих p-n-перехода, называется биполярным транзистором. В зави­симости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают p-n-p-транзисторы и n-p-n-транзисторы. Их ус­ловные обозначения и устройство приведены на рис. 4.1.

Рис.4.1. Условные обозначения и устройство транзисторов

р-п-р (а, б) и п-р-п (в, г) типов (показано смещение переходов

транзисторов при работе в линейном режиме)

Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

В основном биполярные транзисторы применяются для построения схем усилителей, генераторов и преобразователей электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десяти гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт). В соответствии с этим биполярные транзисторы делятся на группы по частоте (низкочастотные -не более 3 МГц; средней частоты - от 3 МГц до 30МГц; высокочастотные - от 30 МГц до 300 МГц; сверхвысокочастные - более 300 МГц) и по мощ­ности (маломощные - не более 0,3 Вт; средней мощности - от 0,3 Вт до 1,5 Вт; большой мощности - более 1,5 Вт).

Разновидностью биполярных транзисторов являются лавинные тран­зисторы, предназначенные для формирования мощных импульсов наносе-кундного диапазона.

Другую разновидность биполярных транзисторов представляют двухэмиттерные модуляторные транзисторы, в которых конструктивно объединены две транзисторные структуры.

Широкое распространение в последние годы получили составные

биполярные транзисторы (транзисторы Дарлингтона), обладающие очень высоким коэффициентом передачи тока.

В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электро­дам транзистора, различают следующие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки и инверсный.

В линейном режиме работы биполярного транзистора эмиттерный пе­реход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. В режи­ме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, а в режиме от­сечки - оба перехода в обратном направлении. И, наконец, в инверсном ре­жиме коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный -в обратном. Кроме рассмотренных режимов возможен еще один режим, ко­торый является не рабочим, а аварийным - это режим пробоя.

Принцип работы биполярного транзистора основан на возможности управления токами электродов путем изменения напряжений, приложен­ных к электронно-дырочным переходам. В линейном режиме, когда пере­ход база-эмиттер открыт благодаря приложенному к нему напряжению и_БЭ, через него протекает ток базы I _Б. Протекание тока базы приводит к инжекции зарядов из области коллектора в область базы, причем ток кол­лектора определяется выражением:

(4.1)

где B ос - статический коэффициент передачи тока базы.

Прямое падение напряжения U _БЭ на эмиттерном переходе связано с током коллектора уравнением Эберса-Молла:

(4.2)

где 1_КБ.0 - обратныи ток коллекторного перехода, а. <ф_т- температурный потенциал, который при температуре Т=300 К составляет для кремния примерно 25 мВ.

Из выражения (4.2) следует, что при прямом смещении эмиттерного перехода и при условии U _БЭ>фт ток коллектора возрастает с ростом на­пряжения U _БЭ по экспоненциальному закону:

где U _БЭ <wk - контактная разность потенциалов.

Важнейшими характеристиками транзистора являются его входная и выходные вольтамперные характеристики. Типичные ВАХ биполярного транзистора приведены на рис.4.2.

Кроме ВАХ рассматривают статический коэффициент передачи то­ка, коэффициент передачи тока, дифференциальное входное сопротивле­ние. Значения этих характеристик зависят от схемы включения транзисто-

45

pa. На рис.4.3 приведена схема включения биполярного транзистора с об­ратной проводимостью (n-р-n - типа) по схеме с общим эмиттером. Для такой схемы справедливо следующее соотношение между токами:

h=h+h, (4.4)

где I _Э, I_Б, I_К— сила тока в цепях эмиттера, базы и коллектора, соответст­венно.

Рис. 4.2. Входная (а) и выходные (б) ВАХбиполярного транзистора

Рис. 4.3. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

Рассмотрим основные характеристики биполярного транзистора. Статический коэффициент передачи тока B _DC определяется как отношение тока коллектора I _К к току базы I _К:

(4.5)

Коэффициент передачи тока B _АС определяется приращением dI _к коллекторного тока к вызывающему его приращению dI _Б базового тока:

(4.6)

Дифференциальное входное сопротивление ri, транзистора в схеме с общим эмиттером определяется при фиксированном значении напряже­ния коллектор-эмиттер. Оно может быть найдено как отношение прираще­ния напряжения база-эмиттер к вызванному им приращению тока базы:

(4.7)

Используя полученные ранее параметры транзистора дифференци­альное входное сопротивление r _вх можно определить по формуле:

(4.8)

где r _Б - распределенное сопротивление базовой области полупроводни­ка, r _э - дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер, опреде­ляемое из выражения: r _э = 25/I_э, а I _Э - постоянный ток эмиттера в милли­амперах.

Первое слагаемое в выражении (4.8) много меньше второго, поэтому им можно пренебречь. Тогда:

(4.9)

Биполярные транзисторы чаще всего используются в усилительных каскадах. На рис.4.4 изображен типичный транзисторный каскад с общим эмиттером. Режим работы биполярного транзистора в таком каскаде опре­деляется силой базового тока. Для того, чтобы базовый ток был стабилен, база соединяется с источником напряжения Е_Б через высокоомное сопро­тивление R_Б.

Рис.4.4. Установка рабочей точки с помощью стабильного тока базы

Для определения режима работы транзисторного каскада удобно по­строить линию нагрузки на выходной характеристике транзистора. Данный способ позволяет описать поведение транзистора во всех основных режи­мах работы, а именно: насыщения, усиления и отсечки.

Режим насыщения имеет место в случае, когда ток коллектора не

управляется током базы. Эта ситуация возникает при условии B _DC Iб >Iкн, где Iкн- ток насыщения коллектора. Значение этого тока определяется со­противлением Rк цепи коллектора и напряжением источника питания Е_к:

(4.10)

Режим насыщения характеризуется низким падением напряжения коллектор-эмиттер (порядка 0,1 В). Для перевода транзистора в этот режим необходимо, чтобы через базу транзистора протекал ток, больший, чем ток насыщения базы 1_БН:

(4.11)

Для того чтобы базовый ток стал равным току насыщения, сопро­тивление резистора R_Б следует выбрать равным:

(4.12)

В режиме усиления ток коллектора меньше тока насыщения 1_КН и для его вычисления можно воспользоваться уравнением линии нагрузки цепи коллектора:

(4.13)

Рабочая точка транзисторного каскада

Рабочая точка транзисторного каскада в статическом режиме задает­ся током базы и напряжением на коллекторе.

Базовый ток транзистора в схеме (рис. 4.4) определяется как ток че­рез сопротивление в цепи базы R_Б:

(4.14)

Он может быть также определен как точка пересечения входной ВАХ транзистора и линии нагрузки цепи базы (точка 1 на рис.4. 5а)

Ток коллектора определяется точкой пересечения линии нагрузки цепи коллектора и выходной характеристики транзистора (точка 1 на рис 4.56.)

Значение тока коллектора можно вычислить по формуле:

(4.15)

Рис.4.5. Определение рабочей точки транзистора по

входной (а) и выходной (б) волътамперным

характеристикам транзистора

Напряжение коллектор-эмиттер определяется из уравнения линии нагрузки цепи коллектора:

(4.16)

В режиме отсечки ток коллектора равен нулю и не создает на рези­сторе R_K падения напряжения. Следовательно, напряжение Uкэ макси­мально и равно напряжению источника питания Е_к. Данный режим соот­ветствует точке 2 на рис. 4.56.

Дата добавления: 2015-05-06