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

Вид характеристик зависит от способа включения транзистора. Для однозначного установления зависимости между токами и напряжениями транзистора достаточно иметь два семейства характеристик. На практике наибольшее применение получили входные и выходные характеристики. Характеристики прямой передачи и обратной связи применяются редко и могут быть легко получены из входных и выходных характеристик путем перестроения.

Входными характеристиками транзистора, включенного по схеме ОБ (рис. 2.5), называют семейство характеристик, выражающих зависимость UЭБ = f (IЭ) при UКБ = const (рис. 2.7). Так как h21Б ≈ 1, то при UКБ = 0 (коллектор замкнут с базой) можно считать, что с некоторым приближением входная характеристика представляет собой прямую ветвь вольт – амперной характеристики эмиттерного перехода, определяемой соотношением (2.1).

Отрицательное напряжение коллектора, которое не учитывается в формуле  (2.1), смещает входную характеристику в область увеличения токов эмиттера I Э (рис. 2.7). Это смещение вызвано двумя причинами. Во-первых, при повышении напряжения U КБ, в данном случае отрицательного, уменьшается ширина базы и увеличивается  градиент концентрации дырок в базе, что приводит к возрастанию тока эмиттера при неизменном напряжении UЭБ. Во-вторых, увеличивается обратный ток коллектора IКБ0, который, проходя по распределенному сопротивлению базы rб (рис. 2.8), создает  на нем падение напряжения U ос = rб IКБ0. Для большей наглядности на рис. 2.8  сопротивление rб вынесено во внешнюю цепь транзистора. Полярность напряжения обратной связи U ос такова, что его появление приводит к увеличению результирующего напряжения  на эмиттерном p-n-переходе при неизменном напряжении U ЭБ. Под влиянием выше перечисленных  факторов в цепи эмиттера при U ЭБ = 0 и отрицательном напряжении на коллекторе проходит небольшой эмиттерный ток. Для его устранения на эмиттер необходимо подать некоторое отрицательное напряжение.

Выходные статические характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ, отражают зависимость I К = f (U КБ) при I Э = const (рис. 2.9).

Как известно , ток коллектора можно представить в виде

  (2.8)

При включении коллекторного перехода в обратном направлении напряжение UКБ в уравнение (2.8) подставляется со знаком «минус», поэтому при | UКБ | > φT справедливо уравнение (2.3).

Границей между режимом отсечки и активным режимом является характеристика (рис. 2.9), снятая  при IЭ = 0. Из выражения (2.8) видно, что при IЭ = 0 выходная характеристика представляет  собой обратную ветвь ВАХ коллекторного p-n-перехода. При увеличении отрицательного  напряжения коллектора его ток быстро достигает значения IКБ0. Дальнейший рост отрицательного напряжения UКБ до определенного значения сопровождается незначительным  увеличением тока IК, причиной чего является рост токов генерации и утечки в коллекторном p-n-переходе. При достижении напряжением UКБ некоторого значения коэффициент лавинного  умножения становится больше единицы, что сопровождается резким возрастанием тока  IК и пробоем коллекторного перехода. Напряжение коллектора, при котором возникает пробой коллекторного перехода при IЭ = 0, называют пробивным напряжением коллектор-база  и обозначают UКБ Пр. Если ток IЭ не равен нулю, то выходная характеристика смещается в область больших токов коллектора на величину h21БIЭ. Поскольку значение h21Б зависит от тока IЭ и напряжения UКБ, выходные характеристики располагаются неравномерно при одинаковых изменениях тока эмиттера. При больших токах коллектора и эмиттера пробой коллекторного перехода происходит при меньших напряжениях UКБ и может перейти в тепловой пробой. Для исключения возможности теплового пробоя режимы работы транзистора необходимо выбирать ниже кривой максимально допустимой рассеиваемой коллектором мощности РКmax (штриховая линия на рис. 2.9).

 При UКБ > 0 и IЭ > 0 эмиттерный и коллекторный p-n-переход включены в прямом направлении, что соответствует режиму насыщения. В этом режиме происходит инжекция дырок в базу, как из эмиттера, так и из коллектора. Инжектируемые из коллектора дырки движутся навстречу экстрагируемым дыркам из базы. Поэтому в режиме насыщения наблюдается резкое уменьшение тока коллектора и даже изменение его направления. Области, расположенной ниже характеристики, снятой при IЭ=0, соответствует режим отсечки.

Рассмотрим режимы работы и статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. При включении биполярного транзистора по схеме с ОЭ цепь базы является входной, а цепь коллектора – выходной.

В режиме отсечки полярности и значения напряжений UКЭ и UБЭ таковы, что коллекторный и эмиттерный переходы смещены в обратном направлении (рис. 2.10). В этом случае через эмиттерный p-n-переход проходит обратный ток IЭБ0, а через коллекторный – ток IКБ0. Во входной цепи (цепи базы) проходит ток базы IБ = IКБ0 + IЭБ0.

В режиме насыщения p-n-переходы включаются в прямом направлении (рис. 2.11,а). Для включения эмиттерного p-n-перехода в прямом  направлении на базу подается отрицательное напряжение UБЭ. Для включения коллекторного p-n-перехода в прямом направлении на коллектор следует подавать положительное напряжение относительно базы. Коллекторный переход включается в прямом направлении или при положительном напряжении UКЭ, или при отрицательном, но меньшем по значению, чем UБЭ. В последнем случае напряжение на коллекторном переходе будет прямым и равным UКБ = | UБЭ | - | UКЭ |. Таким образом, в отличие от схемы ОБ режим насыщения в схеме с ОЭ может наступить и при отрицательном напряжении на коллекторе. В режиме насыщения в цепях транзистора проходят токи IК нас и IБ нас, значительно превышающие токи режима отсечки.

Схема включения транзистора типа p-n-p с ОЭ в активном режиме показана на рис. 2.11,б. Полярности напряжений приложенных между базой и эмиттером (UБЭ) и между коллектором и эмиттером (UКЭ) обеспечивают включение эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллекторного – в обратном направлении. При этом физические процессы, происходящие в транзисторе, аналогичны процессам в транзисторе, включенным по схеме с общей базой. Под действием напряжения UБЭ в цепи эмиттера проходит ток IЭ. В базе этот ток разветвляется. Основная его часть идет в коллектор, создавая управляемую составляющую тока коллектора, другая часть – в цепь базы, определяя ток базы рекомбинации. Навстречу току рекомбинации в базе проходит обратный ток коллектора IКБ0. Поэтому для схемы с ОЭ справедливо уравнение (2.3).

Поскольку в схеме с ОЭ входным является ток базы, уравнение (2.3) следует преобразовать так, чтобы установилась связь между током коллектора и током базы. Это достигается подстановкой в уравнение (2.3) равенства (2.6):

*

Отсюда

  (2.9)

Введя обозначение

  (2.10)

представим уравнение (2.9) в виде

   (2.11)

Из уравнений (2.9 – 2.11) следует, что ток коллектора состоит из управляемой составляющей h21ЭIБ, зависящей от входного тока, и неуправляемой (h21Э+1)IКБ0. Коэффициент пропорциональности h21Э устанавливает связь между управляемой составляющей тока коллектора и током базы. Его называют статическим коэффициентом передачи тока базы. Значения h21Э могут достигать сотен и тысяч.

Из выражения (2.11) видно, что в схеме с ОЭ неуправляемый ток коллектора в (h21Э + 1) раз больше, чем в схеме с ОБ. Это существенный недостаток схемы с ОЭ. Причина заключается в том, что ток IКБ0 является одной из составляющих базового (входного) тока, усиливаемого транзистором при его включении по схеме с ОЭ. Достоинство этой схемы – ее значительно большее входное сопротивление, чем у схемы с ОБ. Это обусловлено тем, что при одинаковых входных напряжениях (UБЭ = UЭБ) ток базы значительно меньше тока эмиттера, являющегося входным током схемы с общей базой.

Входные статические характеристики транзистора, включенного с ОЭ (рис. 2.12), отображают зависимость UБЭ = f (IБ) при UКЭ = const.

При UКЭ = 0 оба p-n-перехода транзистора включены в прямом направлении (рис. 2.11,б). Из эмиттера и коллектора осуществляется инжекция дырок в базу, где они частично рекомбинируют с электронами, и в цепи базы проходит ток рекомбинации обоих переходов.  Поэтому входная характеристика представляет собой вольт – амперную характеристику  двух параллельно включенных p-n-переходов.

При UКЭ = -4В коллекторный переход включается в обратном направлении (рис. 2.11,б) и в цепи базы проходит ток

Если UБЭ = 0, то IЭ = 0 и в цепи базы проходит ток IБ = - IКБ0. Увеличение напряжения UБЭ сопровождается ростом рекомбинационной составляющей тока базы (1- h21Б)IЭ, и при некотором напряжении UБЭ ток базы становится равным нулю. Дальнейшее увеличение напряжения UБЭ сопровождается ростом тока базы. Поскольку рекомбинационная составляющая тока базы при UКЭ < 0 значительно меньше тока базы, проходящего при UКЭ = 0, входная характеристика смещается в область меньших токов (в сторону оси напряжений). При увеличении отрицательного напряжения коллектора наблюдается смещение входных характеристик в сторону оси токов (вниз, штриховая кривая на рис. 2.12). Это вызвано образованием напряжения обратной связи Uос на распределенном сопротивлении базы вследствие прохождения через него обратного тока коллектора IКБ0. Результирующее напряжение на эмиттерном переходе UБЭ увеличивается, что приводит к увеличению инжекции дырок из эмиттера в базу и росту рекомбинационного тока базы. Этому способствует также модуляция толщины базы.

Выходными статическими характеристиками транзистора, включенного с общим эмиттером (рис. 2.13), является семейство характеристик IК = f (UКЭ) при IБ = const

Вид этих характеристик отражает особенности работы транзистора с ОЭ в различных режимах. Рассмотрим область, соответствующую границе режима отсечки. В этой области ход характеристик зависит от условий работы эмиттерного перехода, определяемых цепью базы.

Если в цепь базы включен источник напряжения UБЭ (рис. 2.10), смещающий эмиттерный переход в обратном направлении, то через эмиттерный переход проходит ток IЭБ0, обусловленный движением неосновных носителей.  Следовательно, происходит разделение потока неосновных носителей в коллекторный и эмиттерный переход. Поэтому через коллекторный переход проходит ток коллектора IКБ0.

В активном режиме и в режиме насыщения эмиттерный переход включается  в прямом направлении путем подачи отрицательного напряжения на базу (рис. 2.11) относительно эмиттера. Под действием этого напряжения в цепи базы проходит ток IБ1. За счет напряжения UБЭ при нулевом напряжении коллектора оба p-n-перехода транзистора смещены в прямом направлении. Транзистор работает в режиме насыщения, и через коллектор проходит ток инжекции, направление которого противоположно направлению коллекторного тока в активном режиме. В базе происходит накопление неосновных носителей заряда – дырок.

С появлением небольшого отрицательного напряжения на коллекторе ток инжекции из коллектора уменьшается, а ток, обусловленный экстракцией дырок из базы в коллектор, увеличивается. Поэтому при увеличении отрицательного  напряжения коллектора до значения UКЭ = UБЭ наблюдается значительный рост коллекторного тока. При | UКЭ | > | UБЭ | транзистор из режима насыщения переходит в активный режим работы. Рост коллекторного тока при дальнейшем увеличении отрицательного напряжения UКЭ замедляется, однако наклон выходных характеристик к оси токов в схеме с ОЭ оказывается больше, чем в схеме с общей базой. Это объясняется следующими причинами.

Во-первых, увеличение отрицательного напряжения UКЭ приводит к уменьшению ширины и тока базы (вследствие уменьшения рекомбинационной составляющей). Для восстановления первоначального значения тока базы (выходные характеристики снимаются при постоянных токах базы) необходимо увеличить напряжение UБЭ, что сопровождается ростом токов эмиттера и коллектора.

Во-вторых, возрастающее отрицательное напряжение на коллекторе увеличивает ударную - ионизацию в коллекторном переходе, что сопровождается ростом тока коллектора и может закончиться электрическим пробоем коллекторного перехода.

В схеме с ОЭ увеличение тока базы вызывает увеличение коллекторного тока, т.е. смещение выходных характеристик вверх. Расстояние между выходными характеристиками при одинаковых приращениях тока базы различны. Эта неравномерность расположения выходных характеристик связана с изменением статического коэффициента передачи тока базы h21Э при изменении тока эмиттера.

Параллельный колебательный контур

Параллельным колебательным контуром называется цепь, состоящая из параллельно включенных индуктивности L, емкости C и генератора эдс. Если заменить индуктивность L и емкость C соответствующими эквивалентными элементами, состоящими из включенных последовательно L и rL для индуктивности и C и rC для конденсатора, то приходим к схеме параллельного контура, представленной на рис. 3.5. Рассмотрим предварительно предельные характеристики такого параллельного контура. Они реализуются, если к контуру подключить источник тока с внутренним сопротивлением Ri®¥.

Для входного сопротивления контура запишем очевидное равенство


(3.21)

Резонансную частоту можно найти, если приравнять к нулю мнимую часть выражения (3.21), а именно ее числитель

 

(3.22)

Тогда решение уравнения (3.22) относительно wp дает

 

(3.23)

С учетом того, что , а , соотношение (3.23) принимает вид:

 

(3.24)

Простейший анализ выражения (3.24) приводит к следующим выводам.

1. Если rL=rC=0 или rL=rC¹ 0, то wр=w0, т. е. резонансная частота параллельного контура совпадает с резонансной частотой последовательного контура, состоящего из идентичных параллельному элементов.

2. Если rL>rC или rC=0, то wр<w0, а при rL<rC или rL=0, wр>w0. Таким образом, wр в зависимости от соотношения между rL и rC может быть как больше, так и меньше w0.

Расчетное задание

Концентрация электронов в эмиттере гораздо больше, чем в базе, однако диффузии электронов из эмиттера в базу препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода. Под действием прямого напряжения UБЭ этот потенциальный барьер уменьшается, и электроны из области эмиттера переходят в область базы. При этом концентрация электронов в области базы вблизи эмиттерного перехода резко увеличивается. А концентрация электронов вблизи коллекторного перехода, наоборот, весьма мала, так как при обратном смещении на p-n переходе концентрация электронов на границе p-n перехода со стороны p-области оказывается даже меньше концентрации неосновных носителей в этой области. Неодинаковая концентрация электронов в различных местах базы приводит к диффузии электронов через область базы от эмиттерного перехода к коллекторному. В коллекторном переходе имеется электрическое поле, которое для электронов является ускоряющим. Поэтому электроны, попадающие в коллекторный переход из области базы, выбрасываются в область коллектора, образуя коллекторный ток IK. Толщина базы транзистора весьма мала (обычно десятые и даже сотые доли микрометра), а разность между концентрациями электронов вблизи эмиттерного и коллекторного перехода составляет несколько порядков, поэтому процесс диффузии электронов протекает очень интенсивно и почти весь ток эмиттера замыкается не через базу и базовый вывод, а через область коллектора.

Так как электрическое поле коллекторного перехода перебрасывает через этот переход все электроны, которые в него попадут, то величина тока IK зависит не от напряжения на коллекторном переходе, а от числа электронов, которые попадут в этот переход из области базы. Это число определяется током эмиттера IЭ, который в свою очередь определяется напряжением UБЭ, регулирующим переход электронов из эмиттера в базу. Таким образом, транзистор оказывается прибором управляемым, поскольку изменение напряжения в одной цепи (в цепи база-эмиттер) приводит к изменению тока в другой цепи (в цепи коллектора). Более того, транзистор оказывается прибором усилительным, поскольку мощность, затрачиваемая на управление в эмиттерной цепи, меньше мощности, выделяемой в выходной коллекторной цепи.

Как известно, любой электронный прибор является усилительным в том и только в том случае, когда мощность в выходной цепи прибора превышает мощность, затрачиваемую на управление в его входной цепи. Увеличение только тока или напряжения на выходе по сравнению с входом еще не означает, что прибор является усилительным. Так, трансформатор не является усилителем, хотя с его помощью и можно увеличить ток или напряжение на выходе.

В транзисторе мощность сигнала во входной цепи определяется как Рвх=Jэ2Rвх, а мощность сигнала в выходной цепи – Рвых=Jк2Rн, где Jэ и Jк – действующие значения токов эмиттера и коллектора, Rвх – входное сопротивление транзистора, Rн – сопротивление нагрузки в его выходной цепи. Величина Rвх – это сравнительно небольшое сопротивление открытого эмиттерного перехода. Величина Rн для эффективной передачи мощности в нагрузку должна быть сравнима с выходным сопротивлением транзистора, в качестве которого выступает сопротивление закрытого коллекторного перехода, которое весьма велико. Так как Jэ≈Jк, а Rн>>Rвх, то Рвых>Рвх и усиление по мощности имеет место. Физически увеличение мощности сигнала на выходе по сравнению с мощностью сигнала на входе получается за счет энергии мощного источника питания, включенного в выходной цепи, т.е. за счет источника UКБ.

Отдельные составляющие токов, протекающих в биполярном транзисторе в активном усилительном режиме, показаны на рис. 3. В этом (и только в этом!) режиме ток коллектора связан с током эмиттера соотношением

 (1)

где IКБ0 – ток обратно смещенного коллекторного перехода. Ток IКБ0 замыкается через цепь базы и является неуправляемым. Как в любом обратно смещенном p-n переходе ток IКБ0 является током неосновных носителей, поэтому он очень мал, но резко (по экспоненциальному закону) растет с увеличением температуры. На практике при проектировании электронных устройств на кремниевых транзисторах при температуре меньше 70…80оС этим током пренебрегают и считают IКБ0=0. Однако с повышением температуры ток IКБ0 возрастает и при температуре, большей 100…120оС его влияние на работу схемы становится существенным. Коэффициент α называется коэффициентом передачи эмиттерного тока. Для большинства транзисторов, выпускаемых промышленностью, его численная величина лежит в пределах от 0,95 до 0,995.

Так как α<1, то IК<IЭ, что означает, что часть тока эмиттера не доходит до коллектора, а замыкается через цепь базы. Наличие этого тока ухудшает усилительные свойства транзистора, так как протекание тока в цепи эмиттер-база приводит к расходу мощности во входной цепи, но не приводит к появлению дополнительной мощности на выходе, поскольку через выходную цепь этот ток не протекает.

Основной причиной появления тока базы является рекомбинация. Некоторые электроны при диффузии через легированную акцепторами область базы встречаются с дырками и рекомбинируют. При рекомбинации свободный электрон становится связанным с атомом полупроводника. Этот электрон остается в области базы, создавая в ней дополнительный отрицательный заряд. Электрическое поле этого заряда выталкивает из базы другой электрон, восстанавливая тем самым электрическое равновесие. Так как все электроны абсолютно одинаковы, то с точки зрения токов во внешней цепи этот процесс эквивалентен движению электронов из эмиттера в базу и далее во внешнюю цепь через базовый вывод.

Другой составляющей базового тока является дырочная компонента тока эмиттера, непосредственно протекающая по цепи база-эмиттер через прямо смещенный эмиттерный переход. Эта компонента не протекает через цепь коллектора, а значит, также уменьшает величину α. Однако в реальных транзисторах этим можно пренебречь, поскольку современные транзисторы проектируются так, что в общем токе эмиттера доля дырочной компоненты составляет менее 0,01%.

Если учесть, что IЭ=IК+IБ, то из формулы (1) можно получить выражение, связывающее токи базы и эмиттера

 (2)

Так как основной причиной появления тока базы является рекомбинация, то для повышения величины α следует уменьшать толщину базы и концентрацию примесей в ней, что, кроме того, уменьшает и дырочную компоненту тока эмиттера.


Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике