Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Дослідження параметрів біполярного транзистора
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Інші
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2004
Тип роботи:
Лабораторна робота
Предмет:
Інформаційні технології
Група:
КН
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Національний університет “Львівська політехніка”
Інститут комп’ютерних наук та інформаційних технологій
Звіт
Лабораторна робота №3
“Дослідження параметрів біполярного транзистора”
Львів – 2004
МЕТА РОБОТИ: Вивчення принципу роботи біполярного транзистора. Експе риментальне визначення його характеристик та параметрів.
ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА
Біполярні транзистори - це напівпровідникові прилади з двома взаємодіючими pn - переходами, утвореними в кристалі на півпровідника, та трьома виводами. Назва приладу "біполярний'' зумовлена тям, що робота транзистора базується на використанні носіїв зарядів обох знаків (електронів та дірок).
Структура біполярного транзистора складається з трьох об ластей електронної та діркової провідності, які чергуються. За лежно від послідовності розташування цих областей розрізняють біполярні транзистори типу npn та типу pnp (рис. 1).
Рис.1. Структури біполярних транзисторів:
а - типу pnp, б - типу npn
Одна з крайніх областей транзистора називається емітером, середня область - базою, а друга крайня область - колектором pn-перехід з боку емітера називають емітерним переходом, а з боку колектора - колекторним.
Емітер, база та колектор відрізняються типом електропровід ності, концентрацією носіїв зарядів та розмірами. В емітері кон центрація носіїв зарядів е найбільшою, в базі - найменшою. Емітерний перехід має значно меншу площу поперечного перерізу ніж колекторний. Ширина базової області складає одиниці мік рометрів.
Режими роботи транзистора. Емітерний та колекторний пе реходи транзистора в залежності від прикладених до них напруг можна зміщувати як в прямому, так і в зворотному напрямах. За лежно від напрямів вмикання pn-переходів розрізняють такі ре жими роботи транзистора:
1) нормальний активний режим - емітерннй перехід зміщений прямо, а колекторний у зворотному напрямі;
2) режим відтину - оба переходи транзистора зміщені у зво ротному напрямі;
3) режим насичення - оба переходи транзистора зміщені у прямому напрямі;
4) інверсний активний режим - колекторний перехід зміще ний прямо, а емітерний - у зворотному напрямі.
Основним режимом роботи біполярного транзистора є нор мальний активний режим. В цьому режимі транзистор успішно виконує функції керованого активного елемента, тобто може здійснювати підсилення, генерування та перетворення електрич них сигналів.
На рис.2 подані схемні позначення біполярних транзисторів та вказані полярності зовнішніх напруг, які забезпечують нор мальний активний режим роботи транзисторів, а також показані додатні напрями струмів через їх зовнішні виводи. Зауважимо, що в нормальному активному режимі абсолютне значення напруги UКЕ має бути більшим від значення напруги UБE.
Рис. 2. Схемні позначення біполярних транзисторів ( а - типу рnр; б - типу npn) та полярності їх зовнішніх напруг
Принцип роботи. Із структури транзисторів (рис.1) видно, що по суті вони представляють собою два напівпровідникові діо ди, які мають спільну область (базу), через яку взаємодіють.
В нормальному активному режимі залежність струму від на пруги на емітерному переході подібна до залежності струму від напруги звичайного діода, зміщеного прямо, а залежність струму від напруги на колекторному переході аналогічна залежності струму від напруги зворотно зміщеного діода. Однак наявність спільної базової області, спричинює те, що через неї емітерний та колекторний переходи взаємно впливають на роботу один одно го. Розглянемо це на прикладі транзистора типу npn, схема вми кання якого подана на рис.3.
Рис.З. До пояснення принципу роботи біполярного транзистора (типу npn)
При нульовій напрузі на емітерному переході (UБЕ=O) через колекторний перехід, який зміщений у зворотному напрямі, про тікає лише тепловий струм ІКБО
При прикладенні до емітерного переходу прямої напруги, йо го потенціальний бар'єр понизиться і через нього потече струм IЕ внаслідок інжекції електронів з емітера в базу та дірок з бази в емітер. Оскільки концентрація дірок в базі є нижчою ніж кон центрація електронів в емітері, то процесом інжекції дірок можна знехтувати. Ширина бази в біполярних транзисторах є достатньо мала, так що інжектовані електрони досягають колекторного пе реходу, не встигаючи рекомбінувати з дірками бази. Лише неве лика частина (менше ніж 1%) електронів рекомбінує в базі, в результаті чого виникає струн бази ІБ, який в порівняння з іншими. струмами транзистора є незначним. Підійшовши до колекторного переходу, електрони попадають під вплив сильного електричного поля зворотно зміщеного колекторного переходу, яке для них є прискорювальним. Тому вони втягуються в колекторний перехід і переходять в колекторну область. Відбувається так звана екст ракція носіїв зарядів в колектор. Внаслідок цього колекторний струм ІК збільшиться на величину ІК, спричинену електронами, які прийшли в колекторну область. Значення цього струму буде дещо меншим від струму емітера, оскільки невелика частина електронів рекомбінувала в базі, тобто:
ІК=α*ІЕ (1)
де α - деякий коефіцієнт пропорційності, менший від одиниці (α=0,990... 0,999), який називають статичним коефіцієнтом пе редавання емітерного струму транзистора.
Отже, сумарний струм колектора дорівнюватиме
іК=іКБО+α*іЕ (2)
При великих емітерних струмах транзистора, яри яких ІКБО<<Iе, наближено приймають:
ІK=α*ІЕ (3)
Оскільки потік електронів, що рухаються з емітера в колек тор, та відповідно емітерний струм в базі розгалужуються на дві частини, то можна записати, що
IЕ=ІК+ІБ. (4)
Часто замість коефіцієнта α використовують коефіцієнт β, який показує у скільки разів струм колектора більший від струму бази:
β=ІК/ІБ=αІЕ/(ІЕ - ІК)=αІЕ/(1 - α)ІЕ=α/(1 - α). (5)
Значення коефіцієнта для промислових взірцю транзисторів лежить в межах 50...300. Його називають статичним коефіцієнтом підсилення струму бази транзистора.
Якщо ж пряму напругу емітерного переходу збільшувати, то відповідно зростатиме колекторний струм, тобто пряма напруга емітерного переходу при нормальному активному режимі роботи транзистора керує струмом колектора. Власне на цьому ефекті базується підсилення електричних коливань з допомогою тран зисторів.
При прикладенні до обох переходів транзистора зворотної напруги (режим відтину) через виводи транзистора протікатимуть лише незначні зворотні струми pn-переходів. близькі до нуля. Транзистор в цьому випадку рахується закритим.
При прикладенні до обох переходів прямих напруг наступає режим насичення, в якому виникне процес інжекції електронів з колектора в базу, який буде спрямований назустріч потоку елект ронів, що рухаються з емітера. В результаті сумарний струм ко лектора понизиться а струм бази навпаки - зросте.
Схеми вмикання. В практичних схемах біполярний транзис тор розглядають як чотириполюсник - прилад з двома вхідними та двома вихідними затискачами. В зв'язку з цим один з виводів транзистора приймають спільним для вхідного та вихідного кіл. В результаті отримують три схеми вмикання транзистора: з спіль ною базою, з спільним емітером та з спільним колектором (рис.4).
Рис. 4, Схеми вмикання біполярних транзисторів типу npn (а - з спільною базою: б - з спільним емітером:, в - з спільним колектором)
Статичні вольт-амперні характеристики. Із викладеного вище випливає, що зовнішні струми біполярного транзистора вза ємозв'язані співвідношенням (4). а напруги між зовнішніми виво дами , як бачимо з рис. 2, задовольняють умову:
UКЕ=UБЕ+UКЕ (6)
Розглядаючи біполярний транзистор як триполюсник, може мо стверджувати, що режим роботи транзистора повністю визначають дві будь-які напруги між його зовнішніми виводами та два будь-яких струми що течуть через його зовнішні виводи. Звідси висновок: статичні ВАХ транзистора мають описувати взаємозв'язок між двома довільними напругами між його зовнішніми виво дами та двома довільними струмами через його зовнішні виводи.
Із трьох зовнішніх напруг uke , UБE, UКБ та трьох зовнішніх струмів ІЕ, ІК, ІБ можна вибрати такі три пари:
а) для напруг: (UБE,UКЕ); (UБE, UКЕ ); (UКБ,UКЕ);
б) для струмів: (ІЕ, ІК), (іб, ІК); (ІБ,IЕ).
Отже, оскільки для кожної пари напруг можна вибрати три різні пари струмів, то існує 9 можливих варіантів статичних ВАХ біполярних транзисторів. Звичайно у довідковій літературі пода ють такі варіант ВАХ, які найзручніше отримувати експериментально. Такими ВАХ є ті, що описують взаємозв'язок між парою напруг (UБE , UКЕ) та парою струмів (іБ, ІК)- Їх часто називають характеристиками транзистора для схеми з спільним емітером, ос кільки при експериментальному знятті ВАХ використовують схе му, де емітер є спільним для базового та колекторного кіл (рис. 4, б).
Графічно ВАХ подають у вигляді двох сімей характеристик, типовий вигляд яких для транзистора тилу npn зображено на рис.5. Характеристики, зображені на рис.5,а, називають вхідними, а зображені на рис.5,6 - вихідними, оскільки вхідну керуючу напругу прикладають між базою та емітером, а колекторний струм е вихідним струмом транзистора.
Кожна вхідна статична ВАХ транзистора відображає залеж ність вхідного (базового) струму іБ від вхідної напруги uБЕ при деякому фіксованому значенні Напруги UKE, Тобто ІБ=F(UБЕ) при UKE=const. При збільшенні напруги колектора uКЕ вхідні характе ристики зміщуються вправо внаслідок того, що зміщений у зво ротному напрямі колекторний перехід розширюється, а базова об ласть звужується і кількість носіїв зарядів, що рекомбінують в ба зі та відповідно струм бази зменшуються. Проте вплив напруга UКЕ на струм ІБ є незначним тому вхідні характеристики розміще ні на графіку дуже щільно, особливо при великих колекторних напругах. Тому ці характеристики часто подають в довідниках у вигляді лише однієї усередненої характеристики.
Кожна вихідна ВАХ транзистора відображає залежність ви хідного (колекторного) струму ІК від напруги UКE при деякому фіксованому значенні базового струму ІБ , тобто ІК=fвих(UКЕ) при ІБ= const. В загальному характер цих залежностей аналогічний характеру зворотної гілки ВАХ діода, так як; більша частина напру ги UКЕ подає на колекторному переході і зміщує його у зворотно му напрямі. Однак їх хід суттєво залежить від, базового струму та від колекторної напруги. При збільшенні струму IБ вихідні характеристики зміщуються вверх, а при фіксованому значенні базово го струму колекторний струм ІК- із збільшенням напруги UБЕ дещо зростає, що випливає а описаного раніше принципу дії тран зистора. При великих напругах uКЕ наступає пробій транзистора, який спричинює різке зростання колекторного струму.
Рис.5. Статичні ВАХ біполярного транзистора для схеми
з спільним емітером: а - вхідні; б - вихідні
Зауважимо, що ВАХ транзистора також суттєво залежать від температури: із збільшенням температури вхідні характеристики транзистора зміщуються вліво, а вихідні вверх, що еквівалентно збільшенню струмів транзистора при незмінних напругах.
Еквівалентні схеми (моделі). При аналізі електронних кіл, в першу чергу з використанням ЕОМ, біполярні транзистори пред ставляють еквівалентними схемами які часто називають моделя ми. Найпопулярнішою є модель Еберса-Молла, яка з деякими спрощеннями зображена на рис, 6 для транзистора типу pnp в нормальному активному режимі роботи. У випадку транзистора типу в моделі необхідно поміняти полярності вмикання діодів та змінити напрями струмів і напруг на протилежні.
В цій еквівалентній схемі діодами VDE та VDK відображають відповідно емітерний та колекторний переходи. Кероване джере ло струму J=α*IDE моделює процес передавання струму з емітера в колектор. Ємності СЕБ та СБК - це бар'єрні, ємності емітерного та колекторного переходів, a СDE та СDK - їх дифузійні ємності. Опо ром RБ відображають опір базової області транзистора.
Розрахунок значень параметрів елементів моделі проводиться за відповідними формулами, які наводяться у довідковій літературі та у підручниках. В загальному випадку всі елементи екві валентної схеми в тому числі і коефіцієнт α є нелінійними, тобто залежними від прикладених, напруг та протікаючих струмів. При роботі транзисторних схем на, постійному струмі цій еквівалент ній схемі відпадає потреба враховувати бар'єрні та дифузійні єм ності емітерного та колекторного переходів.
Рис.6. Еквівалентна схема біполярного транзистора типу npn
При аналізі електронних схем в режимі слабких сигналів (лі нійні підсилювачі, лінійні фільтри, тощо) використовують лінеаризовані малосигнальні еквівалентні схеми біполярних транзис торів, які пов'язують малі відхилення струмів та напруг відносно їх значень в робочій точці. Це означає, що у вищерозглянутій ек вівалентній схемі транзистора всі нелінійні елементи замінюють лінійними, значення параметрів яких дорівнюють значенням ди ференціальних параметрів визначеним в робочій точці. Так, діоди VDE та VDX диференціальними опорами REE та RКЕ, бар'єрні та дифузійні ємності переходів - диференціальними ємностями СЕ та СК які в сумі відповідають диференціальним ба р'єрним та дифузійним ємностям емітерного та колекторного пе реходів. Статичний коефіцієнт передавання струму а представля ють диференціальним коефіцієнтом передавання емітерного струму, який на малосигнальних еквівалентних схемах познача ють H21Б В результаті малосигнальна еквівалентна схема біпо лярного транзистора набирає вигляду, зображеного на рис.7.
Рис.7. Малоснгнальна еквівалента схема біполярного транзистора
Наявність ємностей сЕ та СК в цій еквівалентній схемі дозво ляє відобразити частотні властивості транзистора, які проявля ються в діапазоні високих частот (сотні кГц і вище). Орієнтовні значення параметрів елементів малосигнальної еквівалентної схе ми наступні:
Re та RЕБ - десятки Ом - одиниці кОм;
rkb - десятки - сотні кОм;
H21Б -0,95-0,995,
CЕ - сотні - тисячі Пф;
СК - одиниці — сотні пФ.
В діапазоні низьких частот впливом ємностей переходів мож на знехтувати, і в такому випадку малосигнальні параметри можна безпосередньо визначати на підставі ВАХ транзистора. Розглянемо
це та прикладі ВАХ біполярного транзистора з спільним емітером.
Вхідні ВАХ транзистора відображають функціональну залеж ність ІБ = f вх (UБЕ+ UКЕ) Для малих приростів струмів та напруг в робочій точці, використовуючи розклад в ряд Тейлора, можна записати:
∆ІБ = (∂ІБ/∂UБЕ)∆UБЕ+(∂ІБ/∂UКЕ)∆UКЕ (7)
Якщо знехтувати частинними похідними вище вед першої, то вхідну статичну ВАХ для малих змін струму і напруги поблизу робочої точки можна рахувати лінійною.
Коефіцієнти розкладу (дІБ/∂UКЕ ) та (∂Іе/∂Uке) мають розмір ність провідностей. Із рівняння (7) параметр (дІБ/∂UКЕ ) = (∂ІБ/∂UБЕ) при UКE = 0, або UКЕ=const. Його фізичний зміст - вхідна провід ність транзистора стальним емітером для малих приростів стру му Іб та напруги UБE. Позначимо його gБЕ Спосіб визначення цьо го параметра по ВАХ в деякій заданій робочій точці А подано на рис 8а.
а) б)
Pис.8. Визначення низькочастотних малосигнальних параметрів транзистора по вхідних ВАХ
Параметр (дІБ/∂UКЕ ) = (∂ІБ/∂UКЕ) при ∆UБE= 0, або при UБЕ =const. Фізичний зміст цього параметра - зворотна прохідна про відність транзистора для малих приростів струму ІБ та напруги UКE. Спосіб визначення цього параметра по ВАХ в деякій заданій робочій точці А подано на рис.8,б. Тут ∆UKE =∆UKE2 -∆UKE1 . Позначи мо цей параметр gБК. Оскільки при ∆UKE >0 приріст струму ∆ІБ <0, то gБК<0
Вихідні ВАХ транзистора відображають функціональну за лежність IK= f вих(ІБ, UКЕ) Для малих приростів струмів та напруг використовуючи розклад в ряд Тейлора, можна також записати
∆IK = (∂Ік/∂ІБ)∆ІБ+(∂Ік/∂UКЕ)∆UКЕ (8)
Якщо знехтувати частинними похідними вище від першої, то вихідну статичну ВАХ для малих змін струму і напруги поблизу робочої точки можна також рахувати лінійною.
Із рівняння (8) параметр (∂Ік/∂Іб)=(∆Ік/∆ІБ) при ∆UКЕ= 0, або UКЕ=const Він є безрозмірний. Його фізичний зміст - малосигнальний коефіцієнт передавання (підсилення) струму з бази в ко лектор транзистора з спільним емітером, який позначимо як βдиф (в довідниках ного позначають як H21E). Спосіб визначення цього параметра по ВАХ в деякій заданій робочій точці А подало на рис. 9,а.
Рис.9. Визначення низькочастотних малосигнальних параметрів транзистора по вихідних ВАХ
Параметр ∂Ік/∂UКЕ =∆Ік/∆UКЕ при ∆ІБ=0 або при Іб= const. Фізичний зміст цього параметра - вихідна. провідність транзистора для малих приростів струму Ік та напруги UКE. Спо сіб визначення цього параметра по ВАХ в деякій заданій робочій точці А подано на рис. 9б. Позначимо його gКК.
Отже, з урахуванням прийнятих позначень рівняння (7) та (8) можемо записати:
∆IБ = gББ∆UБЕ+gБК∆UКЕ (9)
∆IК = β∆ІБ+gКК∆UКЕ (10)
Лінеаризовані двополюсники доцільно описувати рівняннями, в яких усі лінеаризовані. параметри є провідностями. У випадку транзистора ці рівняння матимуть вигляд:
∆IБ = gББ∆UБЕ+gБК∆UКЕ (11)
∆IБ = βдиф∆UБЕ+gКК∆UКЕ (12)
або
∆IБ = gББ∆UБЕ+gЕК∆UКЕ (13)
∆IK = gKБ∆UEЕ+gKК∆UКЕ (14)
де gKБ=βдиф*gББ
Крім рівнянь (13), (14) з так званими g-параметрами малосигнальний режим біполярного транзистора часто описують ще рівняннями з так званими h-параметрами грами, які також можна визначати подібним способом по статичних ВАХ або розрахувати на підста ві g-параметрів за формулами:
hББ=1/gББ (15)
hБK=-gБK/gББ (16)
hKБ=-gКБ/gББ (17)
hБK=|g|/gББ (18)
де |g|=gББ*gКК-gБК*gКБ.
ЕКСПЕРЕМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА
Визнчення вхідної ВАХ.
, В
0
5
10
, мВ
50
75
100
125
150
50
75
100
125
150
50
75
100
125
150
, мкА
0,6
6,4
15
71,2
246,9
1,3
6,4
16,1
32,9
67
1,1
5,7
15,4
30
60,5
Визнчення вихідної ВАХ:
=50 (мкА);
=100 (мкА).
Для =50 (мкА)
, В
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
3
5
10
11
, мА
0
1,4
1,4
1,4
1,5
1,5
1,5
1,6
1,8
1,8
Для =100 (мкА)
, В
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
3
5
9
, мА
0
3,4
3,4
3,4
3,5
3,5
3,7
3,8
4,2
Вхідна ВАХ.
Вихідна ВАХ.
Визначення h параметрів для вхідної ВАХ.
;
.
Визначення h параметрів для вихідної ВАХ.
;
.
ВИСНОВОК:У даній лабораторній роботі я вивчив принцип роботи біполярного транзистора та експе риментально визначив його характеристик та параметри.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора