Физика примеры решения задач Электротехника Задачи и лабораторные работы Математика примеры решения задач Вычислить интеграл Информатика Компьютерные сети Компьютерная математика
Исследование полевых транзисторов Исследование биполярных транзисторов Полупроводниковые выпрямители Электронный усилитель на транзисторах Лабораторная работа Исследование стабилитронов Исследование варикапов

Методические указания лабораторные работы по электронике

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.

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 pn0 – 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.

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 – w2/(2Lp2).

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 IК1 в цепи коллектора. Процесс умножения носителей заряда в коллекторном переходе оценивается коэффициентом умножения коллекторного тока

М = IК1 / IКp.

Чем больше дырок инжектируется эмиттером, тем большее их количество экстрагирует в коллектор, увеличивая его ток. Следовательно, ток IК1 пропорционален току эмиттера (h21БIЭ) 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 h21Б характеризует управляющие свойства транзистора и определяется как отношение управляемого тока коллектора к полному току эмиттера:

h21Б = IК упр / IЭ = IК1 / IЭ

и называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Очевидно, что чем ближе значение h21Б 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 IКБ0. 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 = h21Б IЭ + IКБ0. (2.3)

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

 IБ = IБ рек - IКБ0. (2.4)

Ток эмиттера транзистора является суммой трех составляющих: h21БIЭ, IЭn и IБ рек, поэтому для нахождения тока IЭ можно воспользоваться следующим соотношением:

 IЭ = h21Б IЭ + IБ рек + IКБ0 - IКБ0 + 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 - h21Б) IЭ - IКБ0.  (2.7)

Направление тока базы зависит от соотношений между слагаемыми уравнения (2.7). Обычно в активном режиме выполняется условие (1 - h21Б) IЭ > IКБ0. 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 .

Рассмотрим зависимость входного сопротивления последовательного колебательного контура  от частоты генератора. На рис. 3.4 построены зависимости ХL=wL и –ХC= –1/wC, а также X=XL+(–XC) как функции частоты генератора w. Как видно из рисунка, характер сопротивления контура определяется соотношением между ХL и ХC. Так, для частот w<w0 выполняется неравенство XL<XC, и характер сопротивления контура емкостный, а при w>w0 – неравенство ХL>ХC, и характер сопротивления контура индуктивный. С практической точки зрения случай w=w0, когда XL=XC, представляет наибольший интерес, поскольку соответствует условию резонанса.


Итак, при резонансе Х=0 или  отсюда . Амплитуда тока при резонансе достигает максимума и равна I0=Em/R. Напряжения на реактивных элементах L и C соответственно имеют значения  и   т. е. напряжения на индуктивности и емкости при резонансе в последовательном колебательном контуре равны по модулю, сдвинуты по фазе на p и в Q раз больше, чем эдс источника.

Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Цель работы: изучение принципа действия, исследование статических характеристик и определение дифференциальных параметров биполярных транзисторов, включенных по схемам: общая база (ОБ) и общий эмиттер (ОЭ) [1-4].

Краткие сведения из теории

Биполярный транзистор – это система двух взаимодействующих p-n переходов. Такая система может иметь две разновидности (рис. 1). Вариант, представленный на рис. 1а, называется транзистором типа p-n-p, а вариант, представленный на рис. 1б, - транзистором типа n-p-n. Современная промышленность выпускает как p-n-p, так и n-p-n транзисторы. Однако преобладающим типом (особенно, в микроэлектронике) является n-p-n транзистор как более технологичный и имеющий более высокие параметры. Отдельные области, составляющие транзисторную структуру, носят названия эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К), а соответствующие p-n переходы – эмиттерный переход (ЭП) и коллекторный переход (КП). Для краткости слово «биполярный» в названиях таких транзисторов нередко опускается. Условные графические обозначения транзисторов различных типов на принципиальных электрических схемах показаны на рис. 2.

В настоящее время наибольшее применение в электронной аппаратуре нашли кремниевые биполярные транзисторы, довольно широко употребляются германиевые, а другие полупроводниковые материалы (GaAs и т.п.) для изготовления биполярных транзисторов пока используются редко.

Для изучения работы биполярного транзистора удобно рассматривать транзистор, выполненный в виде бруска, имеющего постоянное поперечное сечение. Хотя современные транзисторы имеют более сложную форму, такая модель вполне адекватно отражает все основные физические процессы в транзисторе. Более того, в ХХ веке транзисторы подобного типа выпускались промышленностью и использовались в реальной электронной аппаратуре.

Толщина базы в современных транзисторах весьма мала. Однако поскольку наиболее важные для работы транзистора физические процессы происходят именно в базе, то при рассмотрении этих процессов имеет смысл использовать рисунки, выполненные с нарушением геометрических пропорций с тем, чтобы толщина и объем базы на рисунках были бы существенно увеличены.

  При наличии двух p-n переходов для работы транзистора требуется два источника питания. В зависимости от полярности напряжений на переходах транзистора различают некоторые режимы его работы (таблица 1). В таблице 1 знак «плюс» означает положительное напряжение на соответствующем p-n переходе, а знак «минус» – отрицательное. При этом положительным напряжением на переходе считается такое, при котором положительный полюс источника питания подключен к p-области, а отрицательный – к n-области. При положительном напряжении на p-n переходе через него протекает сравнительно большой ток основных носителей (p-n переход открыт), при отрицательном напряжении – намного меньший ток неосновных носителей (p-n переход закрыт).

Таблица 1

Номер п./п.

Режим работы

ЭП

КП

1

Режим отсечки

_

_

2

Режим насыщения

+

+

3

Активный усилительный режим

+

_

4

Инверсный режим

_

+

В реальной аппаратуре используются все четыре режима работы. Наиболее важным из них является активный усилительный режим, который лежит в основе работы аналоговых схем (усилители, генераторы и т.д.). Режимы отсечки и насыщения используются в основном в импульсной и цифровой технике (при этом следует иметь в виду, что в настоящее время большинство цифровых устройств реализуются на основе не биполярных, а МДП-транзисторов). Инверсный режим применяется сравнительно редко, главным образом, в электронных коммутаторах и в интегральных микросхемах семейства ТТЛ.

Классическим вариантом биполярного транзистора является бездрейфовый транзистор, в базе которого концентрация примесей одинакова по всему объему базы. На рисунке 3 показан бездрейфофый транзистор типа n-p-n, работающий в активном усилительном режиме. К эмиттерному переходу приложено прямое напряжение UБЭ. Это напряжение невелико: (0,1…0,3 В) для германиевых транзисторов и (0,5…0,7 В) для кремниевых. К коллекторному переходу приложено обратное напряжение UКБ, величина которого для различных типов транзисторов может изменяться в широких пределах от нескольких вольт до 1 кВ и даже больше, хотя чаще всего UКБ не превышает 30 В.


Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике