ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ВАХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n - переходами и тремя выводами (база, эмиттер, коллектор). По типу электропроводности различают n-p-n и p-n-p - транзисторы. На практике применяют транзисторы того и другого вида, функции их схожи, они зеркально повторяют друг друга. Однако, в p-n-p - транзисторе носителями заряда являются и в основном дырки, а в n-p-n- транзисторе - электроны. Т.к. масса дырки превосходит массу электрона примерно в две тысячи раз, то n-p-n-транзисторы превосходят р-n-р - транзисторы по быстродействию. Транзисторы могут быть включены тремя различными способами: по схеме с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором, в зависимости от того, какой электрод является общим. Чаще транзистор используется в схеме с общим эмиттером как наиболее универсальный и дающий наибольшее усиление по напряжению и мощности. Физические процессы в транзисторе можно рас­смотреть на примере n-p-n- структуры. Процессы в р-n-р - структурах аналогичны (рис. 2.1).

На nр - переходе б-э имеет место прямое (пропускное) смещение, а на переходе к-э - обратное (Vкэ>Vбэ). Электроны инжектируют из n -области, называемой эмиттером, диффундируют в среднюю р - область, называемую базой. В нормальном случае они бы там рекомбинировали. Но база настолько узка, что электроны успевают ее проскочить без рекомбинации с дырками. Таким образом, удается добиться того, чтобы электроны попали в n -область коллектора и поступали на электрод. Различные роли обеих n - областей, которые без приложенного к ним напряжения совершенно равноправны, являются следствием того, что к n – области эмиттера приложено положительное, а к p-области отрицательное напряжение.

Рис. 2.1. Физические процессы в биполярном транзисторе

При этом имеются две цепи тока: базовая и коллекторная. В базовой цепи в ток вносят вклад только те электроны, которые успеют рекомбинировать в р-слое. С другой стороны, в ток через n-р - переход вносят вклад не только электроны, но и дырки. Это означает, что из базы в эмиттер поступает поток дырок, способный создать большой ток. Сократить поток дырок из базовой цепи в эмиттер можно путем более слабого легирования слоя р, т.е. уменьшая количество трехвалентного бора. В этом случае путем небольшого изменения тока в базовой цепи можно получить значительное изменение тока в коллекторной цепи. Транзистор можно рассматривать как активный четырехполюсник (рис. 2.2). Активным называется четырехполюсник, способный усиливать сигналы по мощности за счет энергии источника питания. Транзистор – это нелинейный элемент и для того, чтобы его можно было рассматривать в качестве линейного, амплитуды переменных напряжений, приложенных к нему, должны быть достаточно малы (рис. 2.2). Из четырех взаимосвязанных величин напряжений и токов можно выбрать любую пару в качестве независимых параметров. При этом возможны шесть вариантов. Обычно принимают в качестве не зависимых i₁ и i₂

.

Если положить U₂ = 0 (U₂=const), то . (2.1)

Входное сопротивление в режиме к.з. на выходе [Ом]: . (2.2)

Коэффициент передачи тока в режиме к.з. на выходе [без/pазм.].

Если положить I₁=0 (I₁=const), то, . (2.3)

Коэффициент обратной связи в режиме х.х. на входе [б/p] . (2.4)

Выходная проводимость в режиме х.х. на входе [1/Ом].

Рис. 2.2. Активный четырёхполюсник и его параметры

При экспериментальном определении h – параметров можно использовать схемы, применяемые для снятия статических характеристик (рис. 2.3 и 2.4).

Зависимость тока коллектора от напряжения U_БЭ определяется выражением Эберса – Молла:

,

т.к. U_БЭ>>U_Т, единицей можно пренебречь и (2.5)

Рекомендуемый масштаб по оси U_БЭ .

Рекомендуемый масштаб по оси I_Б .

Рис. 2.3. Входные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ)

Рекомендуемый масштаб по оси U_КЭ: .

Рекомендуемый масштаб по оси I_К: .

Рис. 2.4. Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме

с общим эмиттером (ОЭ)

– термический потенциал;

– постоянная Больцмана;

– заряд электрона.

Крутизна ВАХ эмиттерного перехода пропорциональна крутизне функции Эберса-Молла, причём эта пропорциональность сохраняется только в линейной зоне работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. Поэтому непосредственно пользоваться выражением (2.5) нельзя. Так как в линейной зоне сохраняется пропорциональность между крутизной ВАХ эмиттерного перехода и крутизной функции Эберса-Молла, то . При переходе в режим насыщения, когда оба перехода транзистора смещены в прямом направлении, большим приращением тока базы будут соответствовать меньшие приращения тока коллектора, т.е. коэффициент β начинает резко падать.

Наклон характеристики Эберса-Молла называют крутизной (S)

. (2.6)

Таким образом, крутизна пропорциональна коллекторному току и не зависит от индивидуальных свойств транзистора. Поэтому для её определения не требуется измерений. Из выражений (2.1) и (2.2) для схемы с общим эмиттером можно получить выражение для крутизны.

.(2.7)