Архангельский М.В._2154_лаб

Министерство цифрового развития, Связи и Массовых Коммуникаций Российской Федерации Ордена Трудового Красного Знамени федеральноегосударственноебюджетное образовательное

учреждениевысшегообразования «Московский Технический Университет Связи и Информатики»

(МТУСИ)

Кафедра«Электроники»

Лабораторная работа №2:

«Особенности применения биполярных транзисторов и их компьютерного моделирования»

попредмету: «Электроника»

Выполнил: студент гр. БСТ2154 Архангельский М.В.

Принял: к.т.н Каравашкина В.Н.

Москва 2023

Цельработы:

Ознакомление с особенностями применения биполярных транзисторов и особенностями их компьютерных моделей.

Краткая теория:

Биполярные транзисторы (БТ) являются одними из наиболее распространённых электронных приборов. Для них, как и для диодов, характерно значительное разнообразие назначений – мощные, высоковольтные, высокочастотные, импульсные, малошумящие, со сверхбольшим усилением. БТ широко используются не только как дискретные (самостоятельные) элементы, но и в составе интегральных схем.

Рассмотрим пример создания одной из основных моделей БТ на примере БТ с n-p-n структурой. Именно n-p-n БТ наиболее распространены в связи с намного большей подвижностью свободных электронов, создающих основной ток в транзисторе. Простейший прототип компьютерной модели n-p-n БТ для включения с общей базой представлен на рис. 1:

Здесь диоды моделируют эмиттерный (ЭП) и коллекторный (КП) переходы. При надлежащем выборе параметров этих диодов и полярности входного и выходного напряжения можно получить точное воспроизведение входной и выходной характеристик. Однако такая «модель» не отражает главное свойство БТ: взаимодействие переходов. В частности, при любом значении входного тока выходной ток здесь не появляется.

Поэтому естественным шагом является введение в модель зависимого источника выходного тока αIэ, ток которого пропорционален входному току Iэ, рис.2:

Здесь и в дальнейшем обратными токами ЭП и КП пренебрегаем ввиду их малости в наиболее распространённых кремниевых транзисторах.

Такая модель уже отражает важнейшую способность БТ: в активном режиме возникает выходной ток, практически равный и пропорциональный входному току.

Дальнейшим шагом является добавление ещё одного зависимого источника тока αiIк, который необходим в случае инверсного режима, когда входной ток подается в открытый КП, а в закрытом ЭП появляется выходной ток, рис.3:

И хотя инверсный режим не применяется, как малоэффективный (α >> αi) , он возникает иногда в реальных схемах и полноценная модель должна его воспроизводить.

Следующим очевидным шагом является учёт ёмкости переходов, что обеспечивается добавлением параллельно диодам ёмкостей коллектор-база СВС и база-эмиттер СВЕ, рис. 4. При этом необходимо учитывать, что ёмкость p – n перехода при прямом напряжении – диффузионная, при обратном – барьерная. Та и другая зависят не только от знака приложенного напряжения, но и от его величины. Поэтому графическое представление модели должно сопровождаться математическим описанием её элементов. В данном случае это формулы, определяющие зависимость барьерной ёмкости от обратного напряжения и диффузионной ёмкости от прямого тока.

Наименьшее влияние при этом оказывает Rэ, как сопротивление наиболее сильно легированной области, в связи с чем это сопротивление часто принимается равным нулю. Наибольшее влияние оказывает сопротивление базы Rб, в связи с обязательно слабым легированием этой области.

Поскольку БТ применяется преимущественно в составе интегральных схем, между его коллекторным слоем и подложкой существует p-n переход.

Выполнение:

Вариант №1 (студенческий билет №ЗБСТ21001)

Исходя из данных, указанных на рисунке 1 данный полупроводник является n-p-n биполярным.

Рисунок 1 — Тип полупроводника и тип структуры заданного БТ

На рисунке 2 продемонстрированы выходные характеристики с указанием границ областей отсечки, насыщения, активного режима:

Рисунок 2 — Выходные характеристики

На рисунке 3 показано, какой максимальный коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером и величина тока, при котором он достигается:

Рисунок 3 — Максимальный коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером

На рисунке 4 показано минимальное напряжение насыщенного состояния (Vce Saturation Voltage), величина тока, при котором оно достигается, а также сопротивление БТ в этом состоянии.

Рисунок 4 — Минимальное напряжение насыщенного состояния (Vce Saturation Voltage)

R = U / I = 99,908 В / 1 А = 99,908 Ом

Рисунок 5 демонстрирует, что граничная частота составляет 265,360 ГЦ, а на рисунке 6 представлена предельная частота, которая равна 7,134 ГЦ.

Рисунок 5 — Граничная частота

Рисунок 6 — Предельная частота

Исходя из данных, представленных на рисунке 7, можно определить, что характер использования данного БТ — дискретный элемент (CJS = 0), а судя по значению запрещенной зоны (EG = 1.11), полупроводник — кремниевый.

Рисунок 7 — Характер использования БТ

Контрольный вопрос

1. В чём заключаются отличия n-p-n и p-n-p БТ?

Между областями с разной проводимостью образуются два p-n- перехода. По типу проводимости различают две структуры биполярных транзисторов: С прямой проводимостью, обозначается как p-n-p. С обратной проводимостью, обозначается как n-p-n. В NPN-транзисторах ток течет от эмиттера к базе, а затем к коллектору, а в PNP-транзисторах ток течет от эмиттера к базе, а затем к коллектору в обратном направлении.

Вывод

В ходе выполнения лабораторной работы я ознакомился с методикой работы с программой Microcap и изучил её на практике, мною был рассмотрен один из наиболее распространённых типов биполярных транзисторов — 2N2222.

Были определены: максимум BF и при каком токе он достигается, значения предельной и граничной частот, минимальное напряжение насыщенного состояния и величина тока, при котором оно достигается, а также сопротивление БТ в этом состоянии, и характер использования БТ.