Физические основы работы транзистора

 

Рассмотрим физические основы работы так называемых биполярных транзисторов, т. е. таких, в которых ток обусловлен движением как основных, так и неосновных носителей заряда. Будем рассматривать транзистор p-n-p типа, в работе которого основную роль играют дырки. Физические основы n-p-n транзистора аналогичны основам работы p-n-p транзистора, но в нем основную роль играют электроны.

На рис. 2 изображен биполярный транзистор, включенный по схеме с общей базой (рис. 2а) и его условное обозначение (рис. 2б).

 

Рис. 2 Биполярный транзистор: а – схема включения с общей базой; б – условное обозначение транзистора, p-n-p типа (слева) и n-p-n типа (справа)

 

Левый p-n переход включен в прямом направлении. При этом через него течет большой ток основных носителей – дырок. Говорят, что левая p -область инжектирует дырки в соседнюю n -область. Эта p -область, играющая роль катода в ламповом триоде, называется эмиттером. Попавшие в n -область, называемую базой, дырки с помощью диффузионного механизма перемещаются к правому p-n переходу, включенному в обратном направлении. Часть дырок в базе рекомбинирует с электронами. Оставшаяся часть достигает правого p-n перехода. Так как дырки в

n- области являются неосновными носителями, а правый p-n переход включен в обратном направлении, то под действием ускоряющего поля правого p-n перехода дырки втягиваются в р -область. Эта р -область, собирающая дырки, называется коллектором. База и коллектор играют соответственно роль сетки и анода в ламповом триоде.

Усилительные свойства транзистора возникают в результате взаимодействия токов эмиттера и коллектора. Определим условия, при которых эти взаимодействия имеют место. Предположим, что толщина материала базы велика по сравнению с диффузионной длиной. При этом помним, что носитель заряда в полупроводнике от момента рождения до момента рекомбинации проходит в среднем определенное расстояние, называемое диффузионной длиной. Это означает, что дырка, инжектированная в базу, не доберется до коллектора из-за того, что она рекомбинирует в пути. Таким образом, ток эмиттера не достигнет коллекторного p-n перехода и ни о каком взаимодействии тока эмиттера и коллектора не может быть и речи.

Для того чтобы такое взаимодействие имело место, нужно свести к минимуму рекомбинацию носителей в базе. Это может быть достигнуто в основном двумя путями:

1) толщина базы делается очень малой ~10^{-6 м} , меньше, чем диффузионная длина носителей;

2) степень легирования материала базы делается малой (меньше степени легирования областей эмиттера и коллектора). В результате рекомбинация сводится к минимуму и ток эмиттера почти без потерь достигает коллектора. Таким образом,

 

. (1)

 

Приближенное равенство (1) позволяет объяснить работу транзистора как усилителя.

Коэффициент усиления определяется формулой

 

, (2)

 

где буквой А обозначен какой либо из параметров выходного и входного сигналов: ток (I), напряжение (U), мощность (Р).

Очевидно, коэффициент усиления по току в схеме с общей базой из-за неизбежной, хотя и малой рекомбинации в базе. Обычно лежит в пределах 0,9…0,99. Другая ситуация имеет место с напряжением. Так как эмиттерный переход включен в прямом направлении, его сопротивление мало. Сопротивление коллекторного перехода очень велико (он включен в обратном направлении). Так как ,то небольшое входное напряжение преобразуется в значительное выходное. Энергия для такого преобразования отбирается у источников питания, а сам транзистор выступает в качестве активного элемента (преобразователя).

Поскольку ( – сопротивление нагрузки), а , то:

 

. (3)

 

Это связано с тем, что величину сопротивления нагрузки можно выбрать того же порядка, что и сопротивление коллекторного p-n перехода. В этой схеме коэффициент усиления мощности также много больше единицы

 

(4)

 

Следует отметить, что кроме рассмотренной схемы включения с общей базой, существуют и другие схемы включения (рис. 3).

 

Рис. 3 Включения p-n-p транзистора по схеме с общим эмиттером (а) и общим коллектором (б)

 

В схеме с общим эмиттером (рис. 3а) входной сигнал подается между эмиттером и базой, а снимается с резистора, подключенного к выходам эмиттера и коллектора. Входным током является ток базы. Последнее вызывает инжекцию носителей из эмиттера и большой коллекторный ток . Это обстоятельство объясняет механизм усиления тока по схеме с общим эмиттером. При этом

 

(5)

 

 

Учитывая, что получим Приведем в заключение таблицу, сопоставляющую параметры различных схем включения транзисторов.

 

 

Таблица 1

Параметры маломощных транзисторов в различных схемах включения

Схема	Коэффициент усиления	Сопротивление
по току	по напряжению	по мощности	входное	выходное
С общей базой		10^3	10^3	Единицы Ом	Сотни кОм
С общим эмиттером		10^2	10^4	Сотни Ом	Десятки кОм
С общим коллектором				Десятки кОм	Сотни Ом

 

Работа транзисторов по любой схеме рассчитывается исходя из параметров, связывающих его входные и выходные токи и напряжения.

Для анализа работы биполярных транзисторов наиболее удобными являются так называемые h -параметры. При таком способе описания транзистора в качестве независимых переменных принимаются u_БЭ – напряжение база-эмиттер и i_К – ток коллектора (ток коллектор-эмиттер). В линейном режиме эти величины связаны с током база-эмиттер (i_б) и с напряжением коллектор-эмиттер (u_KЭ) линейной зависимостью

(6)

 

В формулах (6) малыми буквами u и i обозначены напряжение и ток выходного и входного сигнала. Кроме них на электроды транзистора подают постоянное напряжение, задающее режим его работы. Эти постоянные напряжения и соответствующие им токи в систему (6) в явном виде не входят, ими определяются численные значения h -параметров.

Из уравнения (6) виден физический смысл h -параметров:

 

(7)

 

Параметр h_11Э имеет размерность сопротивления (Ом) и является дифференциальным входным сопротивлением. Параметр h_12Э показывает, как изменение напряжения на выходе сказывается на входном напряжении при i_б =const. Этот параметр называется «коэффициент обратной связи по напряжению». Параметр β называется «коэффициент передачи тока базы» и по своему смыслу является коэффициентом усиления тока при коротком замыкании выхода по переменной составляющей. Параметр h_22Э с размерностью (Ом^-1) имеет смысл дифференциальной проводимости коллекторного выхода.

Перечисленные h -параметры являются «внешними параметрами транзистора».

Они зависят от режима работы транзистора и от схемы его включения. Зная эти внешние параметры транзистора, можно вычислить «внутренние параметры транзистора»: r_Э – сопротивление p-n перехода эмиттер-база (переход включен в прямом направлении); r_б – сопротивление базовой области транзистора; r_k – сопротивление p-n перехода коллектор-база (переход включен в обратном направлении).

Графически проиллюстрировать работу каскада с ОЭ можно, используя входные и выходные статические характеристики БТ, путем построения его динамических характеристик (ДХ). Вследствие слабой зависимости входнойпроводимости транзистора от величины нагрузки, входные статические и динамические характеристики практически совпадают.

Статические характеристики транзистора могут задаваться соответствующими аналитическим выражениями, а могут быть представлены графически. Несколько характеристик одного типа, полученные при различных значениях параметра, образуют семейство характеристик. Семейства входных и выходных характеристик транзистора считаются основными и приводятся в справочниках, с их помощью легко могут быть получены два других семейства характеристик (рис. 4). В различных схемах включения транзистора в качестве входных и выходных токов и напряжений выступают токи, протекающие в цепях различных электродов, и напряжения, приложенные между различными электродами. Поэтому конкретный вид статических характеристик зависит от схемы включения транзистора.

В схеме с ОЭ входным током является ток базы I_б, а выходным – ток коллектора, соответственно, входным напряжением является напряжение U_бэ, а выходным – напряжение U_кэ.

Рис. 4 - Вольтамперные характеристики биполярного транзистора КТ215В, включенного по схеме с общим эмиттером: а) входные характеристики; б) выходные характеристики

 

Для съема статических характеристик БТ в PSpice используется DC Sweep анализ – многовариантный анализ по постоянному току. DC – direct current – постоянный ток.

DC Sweep анализ позволяет получать характеристики схемы (токи, напряжения, мощности) при изменении параметров источников напряжения, источников тока, глобальных параметров схемы, параметров модели и температуры элемента. При анализе задаются интервалы изменения перечисленных параметров, характер и шаг их измерения. Возможно также табличное задание изменения перечисленных параметров. Существует возможность одновременного изменения двух параметров.

Подготовка к работе

 

1. Изучить принцип работы биполярного транзистора, его схемы включения и режимы работы.

2. Изучить входные и выходные характеристики и параметры биполярного транзистора.

3. В таблице 2 в соответствии с порядковым номером студента в учебном журнале выбрать биполярный транзистор для исследования его характеристик и определения параметров. Режим измерения выбирается исходя из номера группы (значение тока коллектора (i_к0)) и номера подгруппы (значение напряжения на коллекторном переходе (u_кэ0)).

 

Таблица 2

№ вар.	Модель транзистора	Режим измерения
iк0, мА	iк0, мА	uкэ0, В	uкэ0, В
	ММ3906
	ММ4001
	PN2906
	PN2907
	Q2N1132
	Q2N1420
	Q2N4248
	DH3467CD
	DH3467CN
	DH3468CN
	MPS2907
	MM4258

 

 

Выполнение работы

1. В среде OrCAD собрать схему биполярного транзистора с ОЭ (см. рис. 5).

Рис. 5 Схема для снятия выходных характеристик БТ с ОЭ

2. Получить семейство выходных ВАХ биполярного транзистора в схеме с ОЭ.

- Выбрать тип анализа DC Sweep.

- В Options выбрать Primary Sweep и задать параметры основной

переменной.

В качестве основной переменной (Primary Sweep) выбираем напряжение источника Vce, начальное значение (Start Value) можно задать равным нулю. Конечное значение (End Value) задать равным U кэmax – максимально допустимому напряжению коллектор-эмиттер для данного транзистора (справочный параметр, указан в datasheet на транзистор в разделе Maximum Ratings, параметр –Collector-Emitter Voltage), шаг (Increment) – 10 мВ. Пример показан на рис. 6.

Рис. 6 Настройка параметров Primary Sweep. Выходные характеристики

 

- В Options выбрать Parametric Sweep и задать параметры второстепенной переменной.

В качестве второстепенной или параметрической переменной (Parametric Sweep) выбираем ток источника Ib, начальное значение (Start Value)задать равным нулю. Конечное значение (End Value) задать равным 1 мА,шаг (Increment) – 100 мкА. Пример показан на рис. 7.

Рис. 7. Настройка параметров Parametric Sweep. Выходные характеристики

 

- Построить графики выходных характеристик транзистора. Открыть окно Add Traces. В строку Trace Expression ввести выражение IC(Q1) – ток коллектора транзистора. Если полученный ток отрицательный, для удобства дальнейшей работы, изменить знак перед выражением.

- Отмасштабировать оси, так чтобы граничные отображаемые значения соответствовали Uкэmax и Iк max (справочные параметры, указанные в datasheet на транзистор).

- Поместить графики выходных характеристик в отчете.

3. Зафиксировать с помощью режима трассировки параметры рабочей точки I_к0, U_кэ0, I_б0.

Рабочая точка выбирается в соответствии с лабораторным заданием.

- Включить режим трассировки. Команда Trace>Cursor>Display или щелчок соответствующего значка панели инструментов.После вызова курсора появляется новое окно (Probe Cursor) с текущими координатами положения двух курсоров обозначенных А1 и А2.

- Выбрать трассируемый график и поместить на него курсор. Для выбора или смены трассируемого графика нужно щелкнуть мышкой по соответствующему символу графика в строке легенды, при этом щелчок левой кнопкой мыши закрепляет за графиком курсор А1, а щелчок правой – курсор А2. Переместить курсор с графика на график можно, используя сочетания клавиш Ctrl+← или Ctrl+→ (курсор А1) и Ctrl+Shift+← или Ctrl+Shift+← (курсор А2).

- Навести курсор на рабочую точку, и поставить метку с координатами (параметры рабочей точки – U кэ0 и I к0), команда Plot>Label>Mark или щелчок соответствующей пиктограммы панели инструментов. Зафиксировать в заготовке отчета значения U _кэ0 и I _к0. Для определения тока базы (I_б0) щелкнуть правой кнопкой мыши на выходную характеристику соответствующую выбранной рабочей точки, щелкнуть пункт Information (рис. 8).

3. Определить параметры h_11э и h_12э.

- С помощью курсоров и показаний окна Probe Cursor определить и зафиксировать в заготовке отчета необходимые данные для нахождения h -параметров транзистора (h_21э и h_22э) в окрестности рабочей точки.

- Пример работы по определению приращений для нахождения выходных h-параметров транзистора показан на рис. 9.

 

Рис. 8. Определение значения параметрической переменной

 

а

б

Рис. 9. Определение приращений для нахождения выходных h-параметров

(а – h _21э, б – h _22э)

В нижней строке окна Probe Cursor содержится разница между координатами курсоров по осям X и Y.

 

4. Получить семейство входных ВАХ выбранного биполярного транзистора для схемы с ОЭ.

- Собрать схему для снятия входных характеристик (рис. 10).

Рис. 10. Схема для снятия входных характеристик транзистора (OrCAD)

- Выбрать тип анализа DC Sweep.

- В Options выбрать Primary Sweep и задать параметры основной переменной.

В качестве основной переменной (Primary Sweep) выбираем напряжение источника Vbe, начальное значение (Start Value) можно задать равным 0,5 В. Конечное значение (End Value) задать равным 0,8 В, шаг (Increment) – 1 мВ. Пример показан на рис. 11.

Рис. 11. Настройка параметров Primary Sweep. Входные характеристики

 

- В Options выбрать Parametric Sweep и задать параметры второстепенной переменной. В качестве второстепенной или параметрической переменной (Parametric Sweep) выбираем напряжение Vсe, начальное значение (Start Value) задать на 10 % меньше U_кэ0. Конечное значение (End Value) задать на 10 % больше U_кэ0, шаг – 10 % от U_кэ0. Пример показан на рис. 12.

Рис. 12. Настройка параметров Parametric Sweep. Входные характеристики

(U _кэ0=11,8 В)

- Построить графики входных характеристик транзистора. Открыть окно Add Traces. В строку Trace Expression ввести выражение IB(Q1) – ток базы транзистора. Для удобства дальнейшей работы, при необходимости изменить знак перед выражением.

- Определить и зафиксировать в заготовке отчета напряжение U_бэ0.

Изменяя параметры второстепенной переменной (источник Vbe) и масштабируя графики привести построение к такому виду, чтобы область построения включала окрестность рабочей точки (точки соответствующей току I_б0) примерный вид графиков показан на рис. 13.

 

 

Рис. 13. Входные характеристики транзистора

 

7. Определить параметры h_11э и h_12э. С помощью курсоров и показаний окна Probe Cursor определить и зафиксировать в заготовке отчета необходимые данные для нахождения h-

параметров транзистора (h _11э и h _12э). Пример на рис. 14.Определение параметра h_12э требует большого приближения области рабочей точки, поскольку кривые практически сливаются.

 

 

 

 

Рис. 14. Определение приращений для нахождения входных h-параметров

(а – h _11э, б – h _12э)

 

5. Контрольные вопросы