Файл: Учебное пособие по ТвЭиМЭ.doc

Физические процессы в биполярном транзисторе можно описать системой уравнений:

; (3.2)

; (3.3)

(3.4)

где – нормальный коэффициент передачи тока,– инверсный коэффициент передачи тока,итоки насыщения эмиттерного и коллекторногоp‑n‑переходов I_э0 = S_э (j_{э ps}+ j_{э ns}), I_к0 = S_к (j_{к ps}+ j_{к ns}).

Коэффициент передачи тока эмиттера является важнейшим параметром транзистора. В p-n-p-транзисторе:

(3.5)

(3.6)

где N_б, N_э, N_к – концентрации легирующей примеси в базе, эмиттере, коллекторе, S_э и S_к – 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.

В активном режиме работы транзистора коллекторный переход обратно смещен, → I_к0. Это обратный ток p-n-перехода, он очень мал, им можно пренебречь (считаем, что ток I₂ на рисунке 3.5 равен нулю). Тогда  это ток прямо смещенного эмиттерного перехода (I₁ на рисунке 3.10), а ток коллектора равен (ток источника α_N ∙I₁).

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 , чтоM ≈ 1.

Для транзистора с ОБ коэффициент усиления по току ΔI_вых /ΔI_вх = α_N < 1, т.е. усиления тока не происходит. Однако транзистор с ОБ позволяет получить большое усиление по напряжению (ΔU_вых /ΔU_вх). Коэффициент усиления по мощности (ΔP_вых /ΔP_вх) 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.

Предварительное расчетное задание

1. Провести расчет основных параметров транзистора: , , I_э0, I_к0.

2. Рассчитать входную ВАХ при обратном смещении на коллекторном переходе и выходные ВАХ при = 0; 2 мА; 10 мА.

Данные к расчету

Тип транзистора p-n-p, материал – кремний для нечетных вариантов и германий для четных вариантов.

Концентрация атомов примеси в эмиттере N_аэ =10¹⁸ см ^–3.

Концентрация атомов примеси в базе N_dб = N_ж∙10¹⁵ см ^–3, где N_ж – номер фамилии студента в журнале группы.

Концентрация атомов примеси в коллекторе N_ак =5∙10¹⁷см ^–3.

Протяженность (длина) базы W_б = 1 мкм.

Площади р-n-переходов S = 10000 мкм².

Время жизни дырок в базе τ_рб = 100 мкс.

Время жизни электронов в эмиттере τ_nэ = 10 ^–9 с.

Время жизни электронов в коллекторе τ_nк=5∙10 ^–8 с.

Рабочее задание

1. Запишите в рабочий журнал тип транзистора и материал, из которого он сделан.

2. Измерьте и постройте входные вольт-амперные характеристики транзистора при =0;<0;>0.

3. Измерьте и постройте выходные вольт-амперные характеристики транзистора при =0; при нескольких (не менее трех-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 r_вх = ∆U_эб / ∆I_э от напряжения и тока(в активном режиме).

2. Построить зависимость выходного сопротивления транзистора r_вых = ∆/∆I_к от напряжения (при различных значениях тока эмиттера).

3. Постройте зависимость коэффициента передачи тока от тока эмиттера при фиксированном значении(|| > 3 В), а так же зависимость коэффициента инверсной передачи токаот тока коллектора при фиксированном значении(|| > 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. Исследование статических характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером

Цель работы: изучение принципа работы и приобретение навыков экспериментального исследования ВАХ биполярного полупроводниковых транзисторов.

В транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, имеет место усиление не только по напряжению, но и по току. В соответствии с первым законом Кирхгофа ,,, отсюда с учетомсквозного теплового тока:

. (4.1)

Это выражение определяет семейство выходных ВАХ (рисунок 4.1,а) транзистора с ОЭ (зависимости отпри= const). Множитель перед током – коэффициент усиления по току транзистора с ОЭ, он называетсякоэффициентом передачи тока базы = /(1). У изготавливаемых промышленностью транзисторов типичные значения α_N лежат в диапазоне от 0,9 до 0,995, что соответствует от 9 до 200.

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 (U_БЭ) при постоянном . Входное сопротивление транзистора с ОЭ больше входного сопротивления транзистора с ОБ в (+1) раз.

При домашней подготовке необходимо изучить характеристики транзистора при различных схемах включения, рассмотреть особенности работы реальных транзисторов .