Определение параметров биполярного транзистора

1. Цель работы:

Вычислить параметры биполярного транзистора по его вольт-амперным характеристикам.

2. Литература:

2.1. Лачин В. И. Электроника: учеб. пособие / В. И. Лачин, Н. С. Савёлов.

- Ростов-на-Дону: изд-во "Феникс" 2007.

2.2 Петухов В. М. Полупроводниковые приборы. Транзисторы. Дополнение первое: Справочник. М.: Рикел, Радио и связь. 1998.

2.3 Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: Справочник / А. А. Зайцев, А. И. Миркин, В. В. Мокряков и др.; Под ред. А. В. Голомедова. М.: Радио и связь. 1996.

3. Задание:

3.1. Изучить приложение к данной работе.

3.2. Произвести расчет параметров биполярного транзистора.

3.3. Изучить эквивалентные схемы замещение транзистора по материалу, представленному в приложении.

3.4. Ответить на контрольные вопросы.

3.5. Составить отчет по работе.

4. Содержание отчета:

4.1. Наименование и номер работы.

4.2. Цель работы.

4.3. Тип выбранного транзистора.

4.4. Справочные данные транзистора таблица 10.

4.5. Исходную коллекторную и построенные входную и проходную характеристики (рис. 14). На осях указывается размерность величины и масштаб.

4.6. На ВАХ указать характеристические треугольники, проекции катетов, приращения токов и напряжений, нагрузочную прямую.

4.7. При расчетах указывается расчетная формула, затем подставляются числовые значения, записывается окончательный результат. Обязательно проставляется размерность величин.

4.8. Привести таблицы 7, 8, 9,.
4.9. Ответы на контрольные вопросы.

5. Контрольные вопросы:

5.1. В чем состоит суть применения транзистора в качестве усилителя тока.

5.2. Какие свойства стабилитрона используются при построении стабилизаторов.

5.3. Какими факторами ограничивается ток через транзистор.

5.4. Какие схемы включения применяется для транзистора.

5.5. Как обозначается на принципиальных схемах транзистор.

6. Приложение:

6.1 Принцип работы биполярного транзистора

Биполярный транзистор представляет собой систему двух взаимодействующих р - n -переходов. В биполярном транзисторе физические процессы определяются носителями зарядов обоих знаков – основными и неосновными. В зависимости от чередования р - и n -областей различают биполярные транзисторы n-p-n структуры и p-n-p структуры.

Одна из крайних областей имеет более высокую степень легирования и меньшую площадь. Её называют эмиттером (Э). Другую крайнюю область называют коллектором (К). Среднюю область транзистора называют базой (Б). Переход, образованный эмиттером и базой, называют эмиттернымпереходом, а переход, образованный коллектором и базой, – коллекторным переходом.

Рассмотрим принцип действия

транзистора n-p-n структуры. Рис. 12. Модель транзистора
Эмиттерный переход транзистора смещён в прямом направлении источником U _ЭБ и открыт. Коллекторный переход включен в обратном направлении (рисунок 11). Поскольку эмиттер легирован намного сильнее базы, то при прямом смещении эмиттерного перехода будет происходить инжекция электронов из эмиттера в базу. Под воздействием градиента концентрации инжектированные электроны будут двигаться по направлению к коллектору. Часть электронов рекомбинирует в базе и образует ток базы I _Б. Но поскольку база тонкая, то основная часть электронов дойдет до коллекторного перехода, будет захвачена ускоряющим полем перехода и переброшена в коллектор, создавая ток коллектора.

Полный ток коллектора I _К складывается из тока электронов, дошедших до коллектора, и обратного тока коллекторного перехода I _КБО, не зависящего от тока эмиттера

 

I _К = α∙ I _Э+ I _КБо,

где α – статический коэффициент передачи тока эмиттера.

Транзистор, имеющий входную и выходную цепи, можно рассматривать как четырехполюсник. Так как у транзистора всего три вывода, то один из выводов неизбежно должен быть общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей,

различают три схемы включения транзистора с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК).

Наибольшее распространение в схемотехнике получила схема ОЭ.

Как любой четырехполюсник транзистор характеризуется следующими формальными параметрами рисунок 13.

Основными статическими вольт-амперными характеристиками биполярного транзистора являются входные и выходные характеристики. Под входными характеристиками понимают зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении, являющимся параметром. Под выходными характеристиками понимают зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе, являющимся параметром. Характеристики, снятые при разных значениях параметра, образуют семейство характеристик.

Рассмотрим статические вольт-амперные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. В этом случае входная характеристика представляет собой зависимость тока базы I _Б от напряжения база-эмиттер U _БЭ при постоянном напряжении коллектор-эмиттер U _КЭ:

I _Б = f (U _БЭ); U _КЭ = const,

а выходная характеристика – зависимость тока коллектора I _К от напряжения коллектор-эмиттер U _КЭ при постоянном токе базы I _Б:

I _К = f (U _КЭ); I _Б = const.

Рассмотрим входные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (рисунок 14. в). Пусть U _КЭ = 0. При этом оба перехода смещены в прямом направлении. Транзистор работает в режиме насыщения. Электроны переходят в базу как из эмиттера, так и из коллектора. В этом режиме при заданном напряжении база-эмиттер ток базы будет максимальным. При U _КЭ > U _БЭ (например, при U _КЭ = 1 В) транзистор переходит в нормальный активный режим.
В этом режиме ток базы резко уменьшается.

Поскольку при U _КЭ > 1 В входные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером слабо зависят от напряжения коллектор-эмиттер, то в справочниках обычно приводят две характеристики: одну при U _КЭ = 0, а вторую – при U _КЭ > 1 В (5 В).
При увеличении температуры входные вольт-амперные характеристики будут смещаться влево с температурным коэффициентом напряжения ТКН ≈ – 2 мВ/⁰С.

В схеме с общим эмиттером выходные характеристики сильно зависят от температуры, смещаясь с ростом температуры вверх, что объясняется увеличением коэффициента В.

Найдем связь тока коллектора с током базы в нормальном активном режиме

I _К = α∙ I _Э+ I _КБО.

Но I _Э = I _К+ I _Б.
Тогда I _К = α∙ I _К+ α∙ I _Б + I _КБо.

Разрешим полученное уравнение относительно тока коллектора

.

 

 

 

⁴

 

 

 

 

 

 

 

 

рт

 

 

 

Величину называют статическим коэффициентом передачи тока базы.

Если α = 0,99, то В = 99.

Таким образом, в схеме с общим эмиттером коэффициент передачи по току
В >> 1, в отличие от схемы с общей базой, в которой коэффициент передачи по току α < 1.

С учетом введенного обозначения получим

I _К = В · I _Б+ (В + 1) I _КБО.

При токе базы I _Б = 0 в цепи коллектора протекает обратный ток коллектор-эмиттер

I _КЭ0 = (В + 1) I _КБО.

Для транзисторов на основе кремния ток I _КЭ0 << I _К.

Поэтомукоэффициент передачи тока базы определяют на основе соотношения

I K.

I Б

В =

 

 

Рассмотрим выходные вольт-амперные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (рисунок 14.б, г).

В активном режиме с ростом напряжения коллектор-эмиттер ток коллектора возрастает, что обусловлено эффектом модуляции толщины базы.

6.2 Схемы замещения и параметры транзистора

Для аналитического расчета цепей с транзисторами широко используют схемы замещения. В основном используются физические и формализованные схемы. В физической схеме параметры связаны с физическими (собственными) параметрами транзистора. На рисунке 15 представлена Т-образная схема для переменных токов и напряжений для схемы включения ОЭ. Она справедлива для линейного режима входных и выходных ВАХ транзистора, на которых параметры транзистора можно считать неизменными.

Здесь г_э — дифференциальное сопротивление перехода эмиттер-база

г_э = d U _Э/d I _Э |При U _КЭ = const.

Значение г_э зависит от постоянной составляющей тока эмиттера

г_э = φ_т/ I _Э =0,026/ I _Э. (4)

Например, при I _Э = 1 мА, г_э = 26 Ом. Числовое значение г_э лежит в пределах от единиц до десятков Ом.
г_б - объемное сопротивление базы. Обычно г_б >> г_э и составляет 100 ÷ 500 Ом.

Сопротивление

г = d U _КЭ/d I _К |При I _Б = const.

– дифференциальное сопротивление коллекторного перехода.
Значения г лежат в пределах 5 ÷ 500 кОм.

– С _Э и емкости эмиттерного и коллекторного переходов.

Входным током в схеме ОЭ является ток базы, в выходную цепь введен источник тока B·I _Б. Дифференциальный коэффициент передачи тока базы

Β = d I _К/d I _Б |При U _КЭ = const.

Формализованные модели основаны на представлении транзистора в виде активного четырехполюсника.

Он может быть охарактеризован системой дифференциальных уравнений, связывающих между собой входные и выходные токи и напряжения. В зависимости от того, какие величины принять за зависимые, а какие за независимые, возможно шесть схем.

 

 

 

 

Рис. 15. Физическая схема замещения транзистора

Наиболее широко используется система h -параметров.

U ₁ = h ₁₁ I ₁ + h ₁₂ U ₂

I ₂ = h ₂₁ I ₁ + h ₂₂ U ₂.

В общем случае токи и напряжения – гармонические и являются комплексными величинами.

h -параметры транзистора имеют следующий физический смысл:
– h ₁₁ = U ₁/ I ₁| U ₂ =0 - входное сопротивление транзистора в режиме короткого замыкания (к. з.) на выходе для переменного тока;
– h ₁₂ = U ₁/ U ₂| I ₁=0 – коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода (х. х.) на входе для переменного тока;
– h ₂₁ = I ₂/ I ₁ | U ₂=0 - коэффициент передачи тока в режиме к.з. на выходе для переменного тока;
– h ₂₂ = I ₂/ I ₁| U ₂=0— выходная проводимость транзистора в режиме х. х. на входе для переменного тока.

Формальная схема транзистора в h -параметрах представлена на рисунке 16.

Параметры h –, как и r – параметры являются дифференциальными. Поэтому, если строго, то следовало бы давать им определение в следующем виде:
h ₁₁ = dU ₁/ dI ₁| U ₂ = 0.

По определению частный дифференциал dU ₁ можно заменить приращением ∆ U ₁. При этом приращение ∆ U ₁ можно рассматривать как изменение напряжения U ₁ – напряжения на входе 4–х полюсника. Под изменением напряжения U ₁ можно

рассматривать изменение напряжения сигнала, но малой амплитуды, в частности, синусоидальной формы. Переход от дифференциала к конечным приращениям позволяет определить h -параметры по ВАХ транзистора.

Значения h -параметров зависят от схемы включения транзистора.
h -параметры транзистора связаны с физическими параметрами, поскольку они отражают свойства одного и того же объекта – транзистора.

 

 

 

 

 

 

Рис. 16. Формализованная модель транзистора

6.3 Классификация и система обозначений биполярного транзистора

Система обозначений современных типов транзисторов установлена соответствующим отраслевым стандартом [3].

Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал. Второй элемент определяет подкласс транзисторов. Третий – функциональные возможности транзистора. Четвертый – порядковый номер разработки технологического типа транзистора. Пятый – обозначает дополнительные параметры транзистора в данной разработке.

Исходный материал обозначают:

Г или 1, – германий или его соединения (Ge);

К или 2, – кремний или его соединения (Si);

А или 3, – соединения галлия (арсенид галлия), (GaAr);

И или 4, – соединения индия (In).

Подкласс прибора: Т – биполярный транзистор, П – полевой транзистор.

Третий элемент отражает допустимую мощность рассеяния и граничную

частоту. 101 - 199, 201-299, 301-399 – транзисторы малой мощности (Р_к.доп не более 0,3 Вт) с граничной частотой не более 3 МГц, не более 30 МГц, и более 30 МГц соответственно. Аналогичная индексация для транзисторов средней мощности (Р_к.доп до 1,5 Вт) 401, 501, 601. Большой мощности (Р_к.доп более 1,5 Вт) – 701, 801, 901.

Порядковый номер разработки обозначается цифрами от 01 до 99 (в последнее время появились разработки с номерами от101 до 999)

Дополнительные параметры обозначают буквами русского алфавита. Например, транзистор КТ301А – кремниевый транзистор биполярный, высокочастотный, малой мощности, разработки 01, разновидности А.

Обозначение транзистора на принципиальных схемах нормировано и приведено на рисунке 16. Представлен биполярный транзистор типа n-p-n.

Направление стрелки эмиттера показывает положительное направление протекания тока эмиттера и коллектора.

Изображение транзистора с выводами можно поворачивать на 90 градусов. Стандарт разрешает не изображать окружность.

6.4 Порядок выполнения работы

6.4.1 Построение характеристик

Номер варианта выбирается согласно списку в групповом журнале.

- Выбрать транзистор согласно варианту из таблицы 12.

Выписать основные параметры транзистора, имеющиеся в данном указании или из справочников [2,3]. На ВАХ транзистора ток базы I _Б указан в микроамперах (10^–6 А), ток коллектора I_К – в мА (10^–3 А). Заполнить таблицу 8.

 

Таблица 8. Параметры транзистора.

Транзистор	В (h21)	IКБО мкА	IЭБО мкА	IК мА	UКЭ В	Pк.доп мВт	rб Ом	Cк пФ	fгр мГц
КТ373А		1,0	0,5

 

Скопировать его выходную коллекторную характеристику рисунок 17.

- Построить характеристику передачи по току транзистора I _К = ƒ(I _Б) |При U _КЭ = const. Для этого на коллекторных характеристиках (рисунок 14. б) провести вертикальную прямую U _КЭ = const = 5 В, отметить точки пересечения прямой с характеристиками I _Б = const. Эти точки спроецировать на ось тока коллектора I _К и отметить величину тока в миллиамперах.
Полученные числовые значения токов занести в строки 1 и 2 таблицы 9.

По полученным значениям токов построить характеристику I _К = ƒ(I _Б)
(рисунок 14. а).

Таблица 9. Токи базы и коллектора транзистора.

	Точки
	I Б, мкА (10^-6 А)
	I К, мА (10^-3 А)
	U бэ, мВ (10^–3 В)

 

- Входная характеристика I _Б = ƒ(U _бэ) | U _кэ = const (рисунок 14.в).

Характеристика строится на основании выражения (7). После преобразований получим U _БЭ = φ_T ln (I _Б/ I _ЭБ0 + 1). В схеме рисунка 14 не учтено объемное сопротивление базы, по которому также протекает ток базы и появляется дополнительное падение напряжения. Поэтому выражение для построения входной характеристики следующее

U _БЭ = φ_T ln (I _Б/ I _ЭБ0 +1) + г_б· I _Б.

Токи I _Б взять из таблицы 8, I _ЭБ0 и г_б взять из справочных данных таблица 7.

Внимание. Параметр φ_т для кремниевых структур равен 0,052 В.

Вычисления значения напряжения U_БЭ производить с точностью три знака после запятой.

Полученные значения напряжения U _БЭ также записать в таблицу 8.

6.4.2 Определение h – параметров транзистора по характеристикам

На входной характеристике (рисунок 14.в) построить характеристический прямоугольный треугольник в районе точки I _Б4. Катеты треугольника спроецировать на соответствующие оси. Определить приращения тока ∆ I _Б и напряжения ∆ U _БЭ.

– Вычислить параметр h ₁₁ = ∆ U _БЭ/∆ I _Б [Ом]. Поместить полученное значение в таблицу 9. Величина параметра h ₁₁ составляет от 100 до 1000 Ом.

– Определить входное сопротивление транзистора постоянному току для точки I _Б4 R _ВХ = U _БЭ/ I _Б4 [Ом]. R _ВХ > h ₁₁.

На характеристике I _К = f (I _Б) (рисунок 14.а) построить характеристический прямоугольный треугольник. Его рекомендуется строить в районе тока базы (400 – 600) мкА. Катеты треугольника спроецировать на оси тока коллектора и тока базы.

– Вычислить В = ∆ I _К/∆ I _Б при U _КЭ = 5 В, где ∆ I _К = I _К5 – I _К4, ∆ I _Б = I _Б5 – I _Б4.

– Параметр h ₂₁ = В для схемы включения ОЭ. Значение параметра h ₂₁ составляет от 50 до 150. Параметр В не имеет размерности.

На коллекторной характеристике также построить характеристический треугольник. Изменение U _КЭ принять между 5 и 10 Вольтами. При этом
∆ U _КЭ = (10 – 5)В = 5 В. Второй катет спроецировать на ось тока коллектора и также определить ∆ I ^*_К.

– Вычислить параметр h ₂₂ = ∆ I ^*_К/∆ U _КЭ [Сим].

Для точки 4 (рисунок 14. б) записать величину тока I _К4 и напряжение
U _КЭ = 5 В.

– Вычислить сопротивление коллекторной цепи транзистора постоянному току (для точки 4)

R _i = U _КЭ/ I _К4 [кОм].

6.4.3 Определение r – параметров

Эти параметры рассчитывают теоретическим путем. Практически их получают через определенные h -параметры. r-параметры вычисляются для режима, в котором определялись h -параметры.

Связь между параметрами следующая.

– г_э = φ_т/ I _Э [Ом], I _Э = I _К + I _Б.

– г_б = h ₁₁ – (В+1)·г_э [Ом].

– г = 1/ h ₂₂ [кОм].

– α = В /(В +1).

По полученным параметрам определяется параметр h ₁₂

Рассчитанные параметры свести в таблицу 10.

 

Таблица 10. Рассчитанные параметры транзистора.

h- параметры	h 11 =	h 12 =	h 21 =	h 22 =	R вх =	Ri =
г - параметры	гэ =	гб =	В =	гкэ =	α =	–

 

6.4.4 Допустимая мощность рассеяния коллектора транзистора

На коллекторных характеристиках построить кривую допустимой мощности Р _к.доп. Р _к = I _К· U _К. Значение Р _к.доп взять из справочных данных. Например,
Р _к.доп = 100 мВт. Задаваясь напряжением U _К (или током I _К) вычислить второй
сомножитель. (I _К = Р _К/ U _К = 100мВт/5В = 20 мА). Должно быть 7-8 значений. Напряжение U _К (для данного примера) увеличивать до значения допустимого напряжения, указанного в справочных данных.

6.4.5 Нагрузочная характеристика транзистора по постоянному току

На коллекторных ВАХ транзистора задать две точки U _КЭ = 15В и точку перегиба характеристики максимального тока базы I _Бmax рисунок 14. г.

 

Выбранные точки соединить прямой линией, которая и будет нагрузочной

прямой. Она пересечет ось тока коллектора в точке I _Кmax.

Выбрать точку пересечения нагрузочной прямой с одной из характеристик тока базы, расположенной в средине ВАХ. Эта точка называется рабочей точкой (РТ) транзистора по постоянному току.

Спроецировать ее на оси тока I _К и напряжения U _КЭ. Получим ток коллектора в рабочей точке I ^о_К и напряжение на коллекторе U ^о_КЭ.

Величину выбранного тока базы в рабочей точке I _Брт отложить на оси тока базы I _Б входной характеристики (рисунок 14. в), провести линию до самой характеристики и отметить на ней рабочую точку. Спроецировать РТ на ось напряжения U _БЭ и определить величину напряжения U _БЭрт .

Вычислить значение нагрузочного сопротивления R _К

R _К = U _КЭ/ I _Кmax [кОм].

Режим транзистора с нагрузкой в рабочей точке свести в таблицу 11.

 

Таблица 11. Режим транзистора в рабочей точке.

Параметр	U БЭрт мВ	U ^оКЭ В	I Брт мкА	I ^оК мА	R К кОм
Значение

 

– Объяснить причину различия сопротивлений R _ВХ и h ₁₁, и сопротивлений

R _i и 1/ h ₂₂.

 

 

Таблица 12.

Электрические параметры транзисторов (варианты на выполнение работы)

№ Вар.	Транзистор	В (h21)	IКБо мкА	IЭБо мкА	IК мА	UКЭ В	Pк.доп мВт	rб Ом	CК пФ
	КТ373А		1,0	0,5
	КТ342Б			0,3
	КТ209Г
	2Т126Б			1,5
	КТ306Б			0,5
	КТ358В			0,6
	2Т312Б			0,1
	КТ349Б			0,7
	КТ347Б
	2Т301Г			0,1
	КТ352А
	2Т363А		0,5
	2Т313Б			0,5					0,5
	КТ361Е
	КТ118Б
	КТ308В			0,09
	КТ358Г			0,7
	КТ342Г								1,5

 

Коллекторные (выходные) вольт-амперные характеристики транзисторов.

Ток базы указан в микроамперах (10^–6 А).

мА I_К 800 мА I_К 800

60 40

600

45 600 30

30 400 20 400

15 10 200 мкА

200

5 10 15 В U_КЭ 5 10 15 В U_КЭ

КТ373А 2Т126Б

мА I_К 1050

мА I_К 1050 50

900

40 900 40

30 750 30 600

20 20 450

450

10 10 300

150 мкА

150

5 10 15 В U_КЭ 5 10 15 В U_КЭ

КТ358В КТ342Б

мА I_К

мА I_К 50 1050

1200

60 40

1000 750

45 30

800 600

30 20

600

15 10 300

 

200 150 мкА

5 10 15 В U_КЭ 5 10 15 В U_КЭ

КТ209Г КТ306Б

 

мА I_К 1200 мА I_К 900

40 1000 40 750

30 800 30 600

 

20 600 20 450

 

10 400 10 300

 

5 10 15 В U_КЭ 5 10 15 В U_КЭ

2Т312Б КТ349Б

 

мА I_К 700 мА I_К 800

40 600 40

 

30 500 30 600

20 300 20 400

 

200 мкА

10 10

100

5 10 15 В U_КЭ 5 10 15 В U_КЭ

2Т363А КТ301Г

 

мА I_К 770

мА I_К 50