ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.04.2025
Просмотров: 264
Скачиваний: 0
транзистора с ОБ представляет собой зависимость Iэ (Uэб), параметром семейства является Uкб.
Iк |
Uкб<0 |
|
Iэ4 |
Iэ |
|
Iэ3 |
Uкб=0 |
|
активный режим |
IэIэ2 |
|
Uкб>0 |
||
Iэ1 |
||
насыщение |
||
Iэ=0 |
||
отсечка |
-Uкб |
Uэб |
а) |
б) |
Рис. 9. Выходные и входные ВАХ p-n-p-транзистора с ОБ
В зависимости от соотношения полярности напряжений на p-n-переходах различают активный (усилительный) режим, при котором эмиттер смещен прямо, а коллектор – обратно; режим насыщения, при котором коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении и инжектируют неосновные носители в базу; режим отсечки, при котором оба p-n-перехода обратно смещены, ток коллектора очень мал и
равен Iк0.
Физические процессы в биполярном транзисторе можно описать системой уравнений:
IЭ |
IЭ0 |
exp |
UЭ |
1 |
I |
I К 0 |
exp |
U К |
1 |
; |
(3.2) |
|||||||||||||||||||||||
1 |
N I |
T |
1 |
N I |
Т |
|||||||||||||||||||||||||||||
I |
N IЭ0 |
exp |
U |
Э |
1 |
I K 0 |
exp |
U |
К |
1 ; |
(3.3) |
|||||||||||||||||||||||
К |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 |
1 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
N |
I |
T |
N |
I |
Т |
|||||||||||||||||||||||||||||
I Б I Э |
I |
I Э0 |
1 |
N |
exp |
U Э |
1 |
I K 0 |
1 |
I |
exp |
U К |
1 |
(3.4) |
||||||||||||||||||||
К |
1 |
1 |
||||||||||||||||||||||||||||||||
N |
I |
T |
N |
I |
Т |
|||||||||||||||||||||||||||||
где αN – нормальный коэффициент передачи тока, αI – инверсный коэффициент передачи тока, Iэ0 и Iк0 токи насыщения эмиттерного и коллекторного p-n-переходов Iэ0 = Sэ (jэ ps+
jэ ns), Iк0 = Sк (jк ps+ jк ns).
Коэффициент передачи тока эмиттера является важнейшим параметром транзистора. В p-n-p-транзисторе:
DnЭ |
n p0Э |
LpБ |
1 |
1 |
1 |
||||||||||||||||||||||
dI К |
1 |
th |
W |
ch |
W |
1 |
DnЭ N dБ |
W |
(3.5) |
||||||||||||||||||
N |
dI Э |
D pБ |
pn0 Б |
LnЭ |
LpБ |
LpБ |
D pБ N dЭ |
LnЭ |
|||||||||||||||||||
DnК |
n p0 К |
LpБ |
1 |
1 |
1 |
||||||||||||||||||||||
dI Э |
1 |
th |
W |
ch |
W |
1 |
DnК N dБ |
W |
(3.6) |
||||||||||||||||||
I |
dI |
DpБ |
pn0 Б LnК |
LpБ |
LpБ |
Dp N aК |
LnК |
||||||||||||||||||||
К |
|||||||||||||||||||||||||||
где Nб, Nэ, Nк – концентрации легирующей примеси в базе, эмиттере, коллекторе, Sэ и Sк
– площадь эмиттера и площадь коллектора.
Группа уравнений (3.2) - (3.4) и соответствующая электрическая модель (рисунок 3.10) называются моделью Эберса-Молла. Для более полного представления свойств
транзистора модель дополнена омическими сопротивлениями квазиэлектронейтральных областей эмиттера, базы и коллектора.
Рис. 3.10. Эквивалентная схема модели Эберса-Молла для p-n-p-транзистора
В активном режиме работы транзистора коллекторный переход обратно смещен,
I |
∙ eU кб T |
1 → I |
. Это обратный ток p-n-перехода, он |
очень мал, им |
можно |
|||||
к0 |
к0 |
|||||||||
пренебречь (считаем, что ток I на рисунке 3. 10 равен нулю). Тогда I |
э |
= I |
э0 |
∙ eU эб |
T 1 |
|||||
2 |
||||||||||
это ток прямо смещенного эмиттерного перехода (I1 на рисунке 3. 10), а ток коллектора |
||||||||||
U эб |
T |
1 (ток источника αN ∙I1). |
||||||||
равен Iк = αN ∙Iэ0∙ e |
||||||||||
При повышенном обратном напряжении на ОПЗ коллектора электроны могут вызвать ударную ионизацию носителей заряда, произойдет лавинное умножение носителей, все токи, пересекающие переход, увеличатся в M раз (M – коэффициент лавинного умножения). Лавинное умножение может приводить к нестабильной работе транзистора, поэтому при усилении электрических сигналов такой режим не используют.
Задают такое Uк, что M ≈ 1.
Для транзистора с ОБ коэффициент усиления по току Iвых /ΔIвх = αN < 1, т.е. усиления тока не происходит. Однако транзистор с ОБ позволяет получить большое
усиление по напряжению (ΔUвых /ΔUвх). Коэффициент усиления по мощности (ΔPвых /ΔPвх) транзистора с ОБ может быть заметно больше единицы. Выходное дифференциальное
сопротивление транзистора в пологой области велико, входное дифференциальное сопротивление транзистора, определяемое по входной ВАХ прямосмещенного эмиттерного перехода, значительно меньше выходного.
При домашней подготовке необходимо ознакомиться с принципом работы биполярного транзистора ([1] – с. 135-143).
Предварительное расчетное задание
1.Провести расчет основных параметров транзистора: αN, αI, Iэ0, Iк0.
2.Рассчитать входную ВАХ при обратном смещении на коллекторном переходе и выходные ВАХ при Iэ = 0; 2 мА; 10 мА.
Данные к расчету
Тип транзистора p-n-p, материал – кремний. |
|
Концентрация атомов примеси в эмиттере |
Nаэ |
Концентрация атомов примеси в базе |
Ndб |
где Nж – номер фамилии студента в журнале группы. |
|
Концентрация атомов примеси в коллекторе |
Nак |
=1018 см –3.
= Nж∙1015 см –3, =1017см –3.
Протяженность (длина) базы Площади р-n-переходов Время жизни дырок в базе
Время жизни электронов в эмиттере Время жизни электронов в коллекторе
Wб = 1 мкм.
S = 10000 мкм2.
τрб = 100 мкс. τnэ = 10 –9 с.
τnк = 5∙10 –8 с.
Рабочее задание
1. Запишите в рабочий журнал марку транзистора, его тип, предельные значения электрических параметров.
2.Измерьте и постройте входные вольт-амперные характеристики транзистора при
Uкб = 0; Uкб < 0; Uкб > 0.
3.Измерьте и постройте выходные вольт-амперные характеристики транзистора при Iэ = 0; при нескольких (не менее пяти) значениях тока эмиттера.
4.Для инверсного включения выполните измерения и постройте входные и выходные характеристики.
Анализ результатов измерений
1.Построить зависимость входного сопротивления транзистора rвх = ∆Uэб / ∆Iэ от напряжения Uэб и тока Iэ (в активном режиме).
2.Построить зависимость выходного сопротивления транзистора rвых = ∆Uкб /∆Iк от напряжения Uкб (при различных значениях тока эмиттера).
3.Постройте зависимость коэффициента передачи тока αN от тока эмиттера при фиксированном значении Uкб (|Uкб| > 3 В), а так же зависимость коэффициента инверсной передачи тока αI от тока коллектора при фиксированном значении Uэб (|Uэб| >
3 В).
Контрольные вопросы
1.От каких конструктивно-технологических параметров зависит коэффициент передачи транзистора по току?
2.Каковы возможные причины появления различий в расчетных и экспериментальных характеристиках транзистора?
3.Как определить на характеристиках, снятых в схемах с общей базой, границы активной области, области насыщения и области отсечки?
Лабораторная работа № 4
Изучение статических характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером
Цель работы: изучение вольт-амперных характеристик биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером.
В транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, имеет место усиление не только по
напряжению, но и по току. В соответствии с первым законом Кирхгофа Iэ = Iк + Iб, отсюда:
Iк = |
N |
Iк0 |
U |
кэ |
T |
1 . |
(4.1) |
||||
Iб |
e |
||||||||||
1 |
1 |
||||||||||
N |
N |
||||||||||
Это выражение определяет семейство выходных ВАХ (рисунок 4.1,а) транзистора с
ОЭ (зависимости Iк от Uкэ при Iб = const). Множитель перед током Iб – коэффициент усиления по току транзистора с ОЭ, он называется коэффициентом передачи тока базы βN = αN /(1 αN). У изготавливаемых промышленностью транзисторов типичные значения αN лежат в диапазоне от 0,9 до 0,995, что соответствует βN от 9 до 200.
Iк |
Iб |
Iб |
|
Iб |
|||
Uкэ= |
|||
активный режим |
Iб2 |
Uкэ < |
|
Iб1 |
|||
Iб=0 |
|||
насыщение |
|||
отсечка |
–Uкэ |
–Uбэ |
|
а |
б |
Рис. 4.1. Выходные передаточные ВАХ p-n-p-транзистора с ОЭ
Коэффициент усиления по мощности транзистора с ОЭ может быть значительным, так как имеется усиление и по току, и по напряжению, поэтому в большинстве усилительных каскадов используется транзистор с ОЭ.
Семейство входных характеристик транзистора с ОЭ (рисунок 4.1, б) представляет собой зависимость Iб (Uбэ) при постоянном Uкэ. Входное сопротивление транзистора с
ОЭ больше входного сопротивления транзистора с ОБ в (βN +1) раз.
При домашней подготовке необходимо изучить характеристики транзистора при различных схемах включения, рассмотреть особенности работы реальных транзисторов
([1] – с. 135-143).
Предварительное расчетное задание
1. Пользуясь параметрами транзистора, рассчитанными при подготовке к работе №3, рассчитать входную ВАХ транзистора с ОЭ при обратном смещении на коллекторном переходе и выходные ВАХ при Iб = 0; 10 мкА; 50мкА.
Рабочее задание
1.Запишите в рабочий журнал марку транзистора, его тип, предельные значения электрических параметров.
2.Выполните измерение и постройте входные вольт-амперные характеристики транзистора при Uкэ = 0; Uкэ < 0; Uкэ > 0.
3.Выполните измерение и постройте выходные вольт-амперные характеристики транзистора при Iб = 0; Uбэ = 0.
4.Выполните измерение и постройте семейство выходных вольт–амперных характеристик транзистора при нескольких (не менее пяти) значениях отпирающего тока базы.
Анализ результатов измерений
1.Для области активной работы транзистора постройте зависимости входного
сопротивления транзистора в схеме с общим эмиттером rвх = ∆Uбэ / ∆Iб от тока базы Iб и напряжения базы Uбэ. Сравните полученную зависимость с аналогичной для транзистора, включенного по схеме с общей базой.
2.Постройте зависимость выходного сопротивления транзистора в схеме с
общим эмиттером rвых=∆Uкэ/∆Iк от напряжения Uкэ (при различных значениях отпирающего тока базы).
3.Постройте зависимость коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером β от тока базы и тока эмиттера.
3. Сравните экспериментально полученные вольт-амперные характеристики транзистора, включенного с общим эмиттером, с рассчитанными, объясните различия.
Контрольные вопросы
1.Как определить на характеристиках, снятых в схемах с общим эмиттером, границы активной области, области насыщения и области отсечки?
2.В чем основные различия статистических характеристик транзистора, включенного
всхеме с общей базой от транзистора, включенного в схеме с общим эмиттером?
3.Почему усилительные каскады с транзистором в схеме c общим эмиттером используются значительно чаще, чем каскады с транзистором в схеме с общей базой?