Биполярный транзистор в схеме с общей базой: Методические указания к лабораторной работе № 3

Лабораторная работа № 3

Биполярный транзистор в схеме с ОБ

1.  Цель и содержание работы

Целью работы является изучение принципа действия, основных параметров и статических вольтамперных характеристик (ВАХ) биполярного транзистора в схеме с общей базой (ОБ). В работе снимаются входные, выходные и передаточные ВАХ германиевых и кремниевых транзисторов. По характеристикам определяется основные параметры.

1.  Характеристики и параметры биполярных транзисторов

Биполярный транзистор представляет собой трёхэлектродный полупроводниковый прибор на основе p-n-p или n-p-n структуры, предназначенный для усиления и генерации электрических сигналов. Процессы в p-n-p и n-p-n структурах протекают аналогично. Например, в р-п-р структуре n-область, разделяющая p-области, называется базой, одна из p-областей – эмиттером, а другая – коллектором (рис. 3.1).

В основном рабочем режиме – активном, эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный – обратном. Полярности внешних напряжений в схеме с ОБ для p-n-p или n-p-n транзисторов показаны на рис. 3.2. Эмиттер легирован значительно сильнее, чем база, поэтому при включении его в прямом направлении ток эмиттера  в p-n-p- транзисторе представляет собой ток инжекции дырок в базу. Инжектированные дырки диффундируют к коллектору. Так как ширина базы  много меньше диффузионной длины дырок , то большая часть дырок доходит до обратно смещенного коллектора, захватывается его полем и переносится в коллектор, образуя коллекторный ток.

Рис. 3.1. Структура биполярного p-n-p транзистора

а)                                                        б)

Рис. 3.2. Полярности на p-n-p (а) и n-p-n (б) транзисторах для нормального включения

Поскольку коллектор включен в обратном направлении, то его ток определяется только дырками, дошедшими из эмиттера, и почти не зависят от напряжения на коллекторе. Коллектор обладает большим выходным сопротивлением и по отношению к внешней цепи является генератором тока . Высокое выходное сопротивление коллекторного перехода позволяет включить в его цепь достаточно большое сопротивление нагрузки, на котором выделяется мощность, значительно больше мощности, затраченной во входной цепи. Энергия источника питания с помощью транзистора преобразуется в энергию электрического сигнала.

2.1. Коэффициент передачи тока

При  = 0 через коллекторный переход идет некоторый начальный обратный ток , обусловленный тепловой генерацией электронно-дырочных пар.

Коэффициент передачи тока  показывает отношение коллекторного тока (без ) к эмиттерному.

,  так как обычно                          (3.1)

Величина  зависит от параметров базы и эмиттера, она обычно близка к единице и составляет около 0,95…..0,98.

Закон Кирхгофа для токов в транзисторе выражается соотношением

, что позволяет, используя (3.1), представить ток базы и  в виде:

=                                                    (3.2)

                                                                                         (3.3)

Основную долю базового тока составляет ток рекомбинации, пропорциональный общему избыточному заряду дырок в базе

,                                                                                  (3.4)

где  – время жизни дырок в базе.

На рис. 3.3 показано распределение дырок в базе для двух напряжений на коллекторном переходе. Распределение дырок в базе подчиняется уравнению непрерывности и граничным условиям Шокли у эмиттерного перехода

,                                                          (3.5)

где      - равновесная концентрация дырок в n-базе;

– собственная концентрация;

 – концентрация доноров в базе.

На коллекторном переходе

Так как в нормальном режиме  и , то , а . Ток дырок в базе имеет диффузионный характер, поэтому

,                                                                 (3.6)

где  – площадь эмиттерного перехода.

Так как рекомбинация в тонкой базе  незначительна, то

            и       

Распределение дырок в базе имеет почти линейный вид (рис.3.3)

,                                                                      (3.7)

а заряд дырок , проходящих сквозь базу, пропорционален заштрихованной на рис. 3.3 площади

                                      (3.8)

Рис. 3.3. Распределение дырок в базе p-n-p транзистора

 в активном нормальном режиме

Коэффициент передачи тока  с учетом (4.3) и (4.4) принимает вид

, поскольку                 (3.9)

Это выражение правильно передаёт зависимость коэффициента передачи от толщины базы и времени жизни дырок в ней, но не учитывает вкладов электронных токов эмиттерного и коллекторного переходов.

2.2. Вольтамперные характеристики транзистора

При включении транзистора по схеме с ОБ входным током будет ток эмиттера , выходным - ток коллектора , входным напряжением - напряжение на эмиттерном переходе , выходным - напряжение на коллекторном переходе  (рис. 3.2).

Входные ВАХ показаны на рис. 3.4.а. Они почти повторяют ВАХ прямосмещенного эмиттерного перехода

где      - обратный ток эмиттерного перехода.

Выходные характеристики  показаны на рис. 3.4б.

                         а)                                                             б)

Рис. 3.4.  Вольтамперные характеристики транзистора в схеме с ОБ:

 а) – входные;  б) - выходные

При  выходная ВАХ представляет собой перевернутую характеристику коллекторного перехода с током насыщения . При  к нему прибавляется ток . Полный ток коллектора составляет

                                                                                                                                           (3.10)