ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет – УПИ"

ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Методические указания и контрольные задания

для выполнения контрольной работы по курсу

Электроника

для студентов всех форм обучения

Екатеринбург 2006

УДК 621.25

ББК 32.844.1

Составители: В.И. Паутов,

В.А. Матвиенко.

Научный редактор доц., канд.техн.наук В.В. Муханов

Электроника. Методические указания и контрольные задания для выполнения контрольной работы по теме "Характеристики и параметры биполярного транзистора"

Методический материал является учебным пособием и предназначен для закрепления знаний студентов при изучении дисциплины "Электроника". В пособие включен теоретический материал, необходимый для более глубокого понимания использования эквивалентных схем биполярного транзистора его характеристик и параметров.

Имеются варианты задач для самостоятельного решения по разделу "Характеристики и параметры биполярного транзистора"

"Электроника". Приведены методические указания по выполнению контрольного задания, а также указана основная и справочная литература.

Библиография: 7 назв., табл. 4, приложений 2.

Подготовлено кафедрой автоматика и управление в технических системах

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРОВ

1.1 Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с тремя областями чередующейся электропроводности, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Эти транзисторы называют биполярными, потому что их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Биполярные транзисторы могут быть типа р-n-р и n-р-n, показанные на рис. 1.

Средний слой транзистора называют базой (Б), один из крайних – эмиттером (Э), другой — коллектором (К).

База — область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда. Эмиттер — область, из которой осуществляется инжекция носителей заряда в базу. Коллектор предназначен для экстракции носителей заряда из базы. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называется эмиттерный переходом, между базой и коллектором — коллекторным переходом.

Э Б К Э Б К

p n p n p n

Рис. 1. Структура биполярного транзистора р-n-р и n-р-n типа

В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК) (рис. 2. а, б, в).

Наиболее часто применяется схема ОЭ, так как позволяет получить наибольший коэффициент усиления по мощности. Она имеет высокий коэффициент усиления по напряжению, по току и относительно высокое входное сопротивление.

Схему ОК называют также эмиттерный повторитель, в нем напряжение на эмиттере по фазе совпадает с напряжением на входе и близко к нему по значению. Эта схема усиливает ток и мощность, но не усиливает напряжение. Она обладает наибольшим из всех трех схем включения входным сопротивлением и наименьшим выходным сопротивлением, поэтому часто используется как буферный усилитель для согласования низкого сопротивления нагрузки с высоким выходным сопротивлением каскада, иначе говоря, применяется как трансформатор сопротивлений.

Схема ОБ обеспечивает усиление напряжения и мощности, но не усиливает ток. Подобно схеме ОЭ, она имеет высокое выходное сопротивление. Входное сопротивление этой схемы очень мало. Схема используется для согласования низкоомного источника сигнала с входным сопротивлением усилителя [2].

3

ОБ ОЭ ОК Iэ

э Iэ Iк к Iк э

I_б I_б U_КЭ

U_ЭБ U_КБ U_КЭ

Вход I_б Выход U_БЭ Iэ U_БК Iк

а) б) в)

Рис. 2. Схемы включения биполярного транзистора

1.2 Схема Эберса – Молла

Для определения аналитических зависимостей между токами и напряжениями транзистор представляют идеализированной схемой Эберса–Молла рис. 3 [3]. Объемные сопротивления слоев, емкости р–n–переходов и эффект модуляции толщины базы не учитываются.

α_II₂ αI₁

э к

I _Э I_К

I₁ I₂

U_ЭБ U_КБ

I_{Б Б}

Рис. 3. Схема Эберса – Молла

Токи эмиттера и коллектора выражаются следующим образом

I_Э = I_ЭБК[exp(U_ЭБ/φ_т) – 1] – α_I I_КБК [exp(U_КБ/φ_т) – 1],

I_К = αI_ЭБК[exp(U_ЭБ/φ_т) – 1] – I_КБК [exp(U_КБ/φ_т) – 1], 1)

где I_ЭБК и I_КБК — тепловые токи эмиттерного и коллекторного переходов при коротком замыкании на входе транзистора (U_КБ = 0 и U_ЭБ = 0 соответственно); α – коэффициент передачи тока эмиттера в активном режиме; α_I – коэффициент передачи тока эмиттера при инверсном включении; U_ЭБ и U_КБ – напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах соответственно; φ_т = kT/e — температурный потенциал.

Можно показать, что

I_КБК = I_КБ0/(1 – α α_I), I_ЭБК = I_ЭБ0/(1 – α α_I), 2), 3)

где I_ЭБК и I_КБК — обратные токи эмиттерного и коллекторного переходов, измеряемые соответственно при отключенном коллекторе и эмиттере.

Подставив выражения 2), 3) в формулы 1), получим зависимость токов I_Э, I_К и I_Б от напряжений U_ЭБ и U_КБ. Эти выражения описывают статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) идеализированного транзистора:

I_Э = [I_ЭБ0/(1 – αα_I)] [exp(U_ЭБ/φ_т) – 1] – [α_I I_КБК/(1 – α α_I)] [exp(U_КБ/φ_т) – 1], 4)

I_К = [αI_ЭБ0/(1 – αα_I)] [exp(U_ЭБ/φ_т) – 1] – [I_КБК/(1 – α α_I)] [exp(U_КБ/φ_т) – 1]. 5)

Учитывая, что I_Б = I_Э – I_К получим

I_Б = [(1 – α)I_ЭБ0/(1 – αα_I)] [exp(U_ЭБ/φ_т) – 1] + →

→+ [(1 – α_I)I_КБ0/(1 – α α_I)] [exp(U_КБ/φ_т) – 1]. 6)

Разрешая уравнение 4) относительно U_ЭБ, получим выражение для

4

идеализированных входных характеристик транзистора U_ЭБ =f(I_э)|U_КБ = const:

U_ЭБ = φ_т ·ln[I_Э/I_ЭБ0 + 1 + α·exp(U_КБ/φ_т) – 1]. 7)

Выражение для выходных характеристик можно получить из уравнения 5)

I_К = α·I_Э – I_КБ0·exp(U_КБ/φ_т – 1). 8)

Для активной области |U_КБ| < 0 и |U_КБ| » φ_т, поэтому

I_К = α·I_Э + I_КБО 9)

Величина

α = (I_К – I_КБО)/I_Э, 10)

называется статическим (интегральным) коэффициентом передачи эмиттерного тока. Для современных транзисторов α составляет величину 0,95 – 0,999.

Так как I_К >> I_КБО, то обычно принимают статический коэффициент α = I_К/I_Э.

Для анализа работы транзистора на переменном токе (с сигналами малых амплитуд) вводят дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока

α_Д = dI_К/dI_Э при U_КБ = const.

В транзисторе, включенном по схеме ОЭ, ток коллектора

I_К = [α/(1 – α)] ·I_Б + I_КБО/(1 – α) 11)

Запишем это выражение в виде

I_К = В·I_Б + I_КЭО, 12)

где В = α/(1 – α) — статический (интегральный) коэффициент передачи тока базы; I_КЭО = I_КБО/(1 – α) = (1 + B) I_КБО – обратный ток коллекторного перехода в схеме ОЭ при I_Б = 0, т. е. при разомкнутом выводе базы.

Статический коэффициент передачи тока базы

В = (I_К – I_КБО)/(I_Б + I_КБО).

Так как I_КБО << I_К и I_КБО << I_Б, то коэффициент передачи тока базы

В = I_К/I_Б. 13)

При работе транзистора на переменном токе при малых амплитудах используют дифференциальный коэффициент передачи тока базы

β = dI_к/dI_б |При U_КЭ = const.

На основании выражений 7) и 8) построены статические ВАХ транзистора для схемы ОЭ рис. 4. б, в.

На рис. 4. а изображена передаточная характеристика I_К = ƒ(I_Б) |Uкэ = const. На рис. 4. б изображены выходные характеристики – I_К = ƒ(Uкэ) |I_Б = const. На рис. 4. в изображены входные характеристики – I_Б = ƒ(Uбэ) |Uкэ = const.