Лабораторная работа Исследование транзистора с общим эммитером. Радиоэлектроники и телекоммуникаций
 Скачать 79.59 Kb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ» _______________________________________________________________________________________________ Институт: Радиоэлектроники и телекоммуникаций Кафедра: Конструирования и технологии производства электронных средств СОКОЛОВ В.С. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ «ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРА С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ» Казань, 2019 г Биполярные транзисторы Принцип действия биполярного транзистора К  омбинация двух близко расположенных друг к другу р-n-переходов представляет собой биполярный транзистор. Два р-n-перехода разделяют такую структуру на три области, которые называются: эмиттер, база, коллектор (Рис.1). Соответственно р-n-переходы получили название: база-коллекторный р-n-переход и база-эмиттерный р-n-переход. В зависимости от примесей в этих областях различают транзисторы nрn-типа и рnр-типа. Транзисторы nрn-типа получили наибольшее распространение в силу лучших частотных характеристик. Это объясняется большей подвижностью электронов. Термин биполярный транзистор указывает на то, что работа данного прибора связана с движением как электронов так и дырок.Будем рассматривать транзистор nрn-типа. При работе с транзистором ко всем трем областям подводится напряжение. На база-эмиттерный (БЭ) переход подается небольшое напряжение в прямом направлении (рис.1). Величина напряжения десятые доли вольта и определяется падением напряжения на прямо смещенном переходе (для Si транзистора 0,7 В). На переход база-коллектор (БК) подают постоянное напряжение в обратном направлении. Величина напряжения от единиц вольт до десятков и даже сотен вольт. Подобная схема включения называется схемой с общей базой (ОБ), так как питающие напряжения подаются относительно базы. Возможна другая схема включения транзистора, когда питающие напряжения подаются относительно эмиттера. В эмиттере концентрация донорной примеси Nэ значительно больше, чем концентрация акцепторной примеси NБ в базе, то есть Nэ >> NБ и база-эмиттерный переход является односторонним р-n+-переходом. При прямом смещении эмиттерный ток Jэ через переход определяется в основном электронной компонентой. Происходит преимущественное движение электронов из эмиттера в базу. Поток дырок из базы в эмиттер много меньше. Поэтому говорят, что происходит впрыскивание – инжекция электронов из эмиттера в базу. Попав в базу, электроны становятся в ней неосновными носителями заряда, происходит инжекция неосновных носителей заряда в базу. Попав в базу, электроны движутся через нее к БК переходу за счет диффузии в нейтральной области базы, то есть там где не действуют электрические поля переходов, – диффундируют в базе. Толщину базы w (рис.1) делают значительно меньше диффузионной длины электронов в базе: w < LnБ . Обычно w 0,5 – 5 мкм; LnБ 10 – 20 мкм. Поэтому большая часть электронов, инжектированных из эмиттера в базу, достигает БК перехода и перебрасывается в коллектор. Возникает ток коллектора Jк. Отсюда и название областей транзистора: эмиттер – от латинского emitto – выпускаю, испускаю; коллектор – от латинского kollector – сборщик. Ток базы JБ обусловлен двумя компонентами: Током основных носителей базы – дырок через прямо смещенный эмиттерный переход. Так как концентрация доноров в эмиттере Nэ >> NБ – концентрации акцепторов в базе, то ток дырок из базы в эмиттер очень маленький, много меньше тока электронов из эмиттера в базу. Ток за счет рекомбинации дырок и электронов в базе. Поскольку w < LnБ, то подавляющая часть электронов за время своей жизни успевает достигнуть коллекторного перехода и перейти в коллектор. Лишь очень небольшая часть электронов успеет прорекомбинировать с дырками базы. Концентрация дырок – основных носителей заряда в базе – убывает. Для компенсации убыли дырок в базе возникает эта компонента электрического базового тока. Дырки поступают в базу из электрического вывода базы. В схеме с ОБ возможно усиление сигнала по напряжению и мощности, а в схеме с ОЭ возможно усиление сигнала по току, напряжению и мощности. Модель транзистора Эберса – Мола. Задача моделирования заключается в установлении связи между физическими параметрами и электрическими характеристиками транзистора. Естественно, что чем точнее модель, тем она сложнее. Следовательно, необходим компромисс между точностью и сложностью. О  сновной моделью биполярного транзистора считается модель Эберса-Молла (Рис.2). В самом простом варианте эта модель характеризует только активную область транзистора. Если модель дополнить соответствующими элементами, она станет точнее, но усложнится и потеряет свою наглядность.Эта модель хорошо отображает обратимость транзистора – принципиальную равноправность его переходов. Эта равноправность особенно ярко проявляется в режиме двойной инжекции, когда на обоих переходах действуют прямые напряжения. В таком режиме каждый из переходов одновременно инжектирует электроны в базу и собирает носители заряда в дошедшие от другого перехода. Для коэффициентов усиления по току в модели транзистора Эберса-Молла справедливы соотношения: N = о = =   .Здесь: ХЭ, ХБ, ХК – ширина соответственно: эмиттера, базы, коллектора; DР – коэффициент диффузии дырок в эмиттере и коллекторе; Dn – коэффициент диффузии электронов в базе; NЭ, NБ, NК – концентрации примеси в эмиттере, базе, коллекторе; Ln – диффузионная длина электронов в базе. J’эо и J’ко – токи насыщения или обратные токи БЭ и БК переходов, определяемые соотношениями :  = , = .Здесь: q – заряд электрона; S – площади переходов; ni – собственная концентрация носителей заряда. В зависимости от способа измерения эти токи насыщения или обратные токи получили обозначения JЭО иJКО. Связь между этими токами определяется соотношениями: JЭО = (1- NI)J’ЭО иJКО = (1 - NI)J’КО Статические характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером В  схеме с общим эмиттером (ОЭ) напряжения прикладываются к транзистору относительно эмиттера. (Рисунок 3.) В npn транзисторе, включенном в схеме с ОЭ, VБЭ> 0; БК переход смещен в обратном направлении и VБК < 0. Поэтому можно записать:В данной схеме входным воздействием является заданное значение тока базы JБ. Поэтому входными или базовыми характеристиками является семейство зависимостей JБ =f(VБЭ) с параметром VКЭ. У  равнение для тока базы имеет вид:JБ = (1-N)  +(1-I) . При VКЭ = 0: JБ =  .Т  о есть входная характеристика проходит через начало координат. Если VКЭ > VБЭ, то второе слагаемое JБ стремится к –(1-I)J’КО и входная характеристика сдвигается вправо (Рисунок 4).Выходными или коллекторными характеристиками является семейство зависимостей JК = f(VКЭ) с параметром JБ. Можно получить: JК = NJБ -  ,  . Величина N получила название – коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером при нормальном включении, в литературе она обозначается просто . Выходные характеристики имеют вид, показанный на рисунке 5. Они существенно отличаются от выходных характеристик транзистора в схеме с ОБ. Выходные зависимости в схеме с ОЭ располагаются в первом квадранте. Прямая АВ отделяет два режима: активный режим 2 и режим насыщения или двойной инжекции. Для активного режима БЭ > 0 БК переход смещен в обратном направлении.. При VКЭ > VБЭ, в силу малости φТ ≈.0,025. J  К = NJБ .Видно, что эти зависимости при разных токах базы JБ должны располагаться параллельно оси абсцисс, поскольку вторым слагаемым можно пренебречь в силу его малости. Однако, здесь не учитывается эффект Эрли. Кроме того, в схеме с ОЭ существует положительная обратная связь в транзисторе. Напряжение VКЭ распределяется между БК и БЭ переходами. На рисунке 6 это показано стрелками. Д  ополнительное падение напряжения от VКЭ на БЭ переходе смещает его в прямом направлении, что приводит к увеличению JЭ и дополнительному приращению тока коллектора JК. Поэтому наклон ВАХ в схеме с ОЭ при изменении VКЭ значительно больше, чем в схеме с ОБ.В справочниках, как правило, приводят выходные характеристики в виде подобному рисунку 7 для активной области транзистора, включенному по схеме с ОЭ. Из выше изложенного и приведенной формулы, следует, что в схеме с ОЭ управление током JК осуществляется маленьким током базы JБ: JКNJБ. Это очень большое достоинство схемы с общим ОЭ по сравнению с ОБ, где имели входной ток Jэ Jк: JКN JЭ . В схеме с общим эмиттером при N=(), N = N(1-N) = () и управление током коллектора JК осуществляется примерно в 100 раз меньшим током базы JБ. Режим насыщения характеризуется наличием прямого смещения на БЭ и БК переходах. Для этого должно выполняться условие VКЭ<VБЭ. Поэтому граница, разделяющая активный режим и режим насыщения, соответствует условию VБЭ–VКЭ=0 и эта граница определяется линией АВ на выходных ВАХ транзистора. При этом второй член в уравнении быстро возрастает с уменьшением VКЭ, что приводит к уменьшению тока коллектора JК в силу встречной инжекции электронов из коллектора в базу. П р а к т и ч е с к а я ч а с т ь Описание лабораторной установки В лабораторной установке моделируется работа n-p-n транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Для моделирования транзистора надо открыть соответствующий файл. После запуска файла откроется поле с обозначением исследуемого транзистора и три поля. Одно поле служит для ввода напряжения на БК переходе. Обозначено «Напряжение на переходе». В это поле вводится численное значение напряжения на переходе в вольтах. ОБРАТИТЬ ВНИМАНИЕ: РАЗДЕЛЕНИЕ ЦЕЛОЙ И ДРОБНОЙ ЧАСТИ НАПРЯЖЕНИЯ ПРОИЗВОДИТСЯ ЗАПЯТОЙ В АНГЛИЙСКОЙ РАСКЛАДКЕ КЛАВИАТУРЫ. После ввода напряжения кликнуть по кнопке «ОК». Во втором поле отобразится ток Jk через транзистор в амперах. Третье поле служит для ввода тока эмиттера. ВНИМАНИЕ: ВВЕДИТЕ ЗАДАННОЕ ЗНАЧЕНИЕ ТОКА ЭМИТТЕРА ПЕРЕД ВВОДОМ НАПРЯЖЕНИЯ. Порядок выполнения работы Исследование входной характеристики транзистора при напряжениях Vкэ 0 и 50 В, а также 10 В и 40 В (по заданию преподавателя). Изменять напряжение Vбэ от 0 до 0,7 В, через 0,1 В. Результаты занести в таблицу. Исследование выходной характеристики транзистора при значениях тока базы 5, 10, 15, 20 мкА, а также 3, 8, 13, 18 мкА. Изменять напряжение Vkэ от 5 до 45 В., через 10 В, а также изменять напряжение Vkэ от 3 до 43 В., через 10 В. Результаты занести в таблицу. 3. По результатам измерений построить графики. 4. Рассчитать значение β N = β. Исходные данные для расчета: Nэм = 3*1018 см-3 Nб=1,2*1016см-3, Nк=8*1015 см-3, Xэм=4*10-4 см , Xб=2,33*10-4 см, Xк=5*10-4 см , Dp=2,1*10-4 м2/с , Dn= 6,99*10-4 м2/с, Ln= 1,8*10-3 см. Содержание отчета Цель и задачи исследования. Результаты экспериментов в виде таблиц и графиков. Анализ полученных данных и выводы по работе. |