Вхідні характеристики транзистора зі спільною базою

Біполярний транзистор — напівпровідниковий елемент електронних схем, із трьома електродами, один з яких служить для керування струмом між двома іншими. Термін «біполярний» підкреслює той факт, що принцип роботи приладу полягає у взаємодії з електричним полем частинок, що мають як позитивний, так і негативний електричний заряд.

Виводи біполярного транзистора  називаються емітером, базою і колектором. В залежності від типу носіїв заряду, які використовуються в транзисторі, біполярні транзистори поділяються на транзистори NPN та PNP типу. В транзисторі NPN типу емітер і колектор легуються донорами, а база — акцепторами. В транзисторі PNP типу — навпаки.

        схематичні позначення біполярних транзисторів

 

Історія винаходу

Біполярний транзистор винайшли в 1947 році Джон Бардін і Волтер Браттейн під керівництвом Шоклі із Bell Labs, за що отримали Нобелівську премію з фізики. Вперше його продемонстрували 16 грудня, а 23 грудня відбулось офіційне представлення винаходу і саме ця дата вважається днем відкриття транзистора.

 

Будова

На рисунку 3 схематично показана будова біполярного транзистора NPN типу. Колектором служить напівпровідник n-типу, легованийдонорами до невисокої концентрації 1013-1015 см−3. Перед створенням бази напівпровідник покривають фоторезистом і за допомогою літографіїзвільняють вікно для легування акцепторами. Атоми акцептора дифундують в глибину напівпровідника, створюючи область із доволі високою концентрацією — 1017-1018 см−3. На третьому етапі знову створюється вікно для легування донорами й утворюють емітер із ще вищою концентрацією домішок, необхідною для того, щоб спочатку компенсувати акцептори, а потім створити напівпровідник n-типу. Відношення домішок у емітері й у базі повинно бути якомога більшим для забезпечення гарних характеристик транзистора.

Ще кращих характеристик  можна досягти, якщо перехід між  базою й емітером зробити гетеропереходом, у якому емітер має набагато більшу ширину забороненої зони, хоча це і збільшує собівартість транзистора. В такому випадку на поверхню бази через вікно напилюється інша речовина.

Рис 3.

 

 

Принцип дії

Дія біполярного транзистора  базується на використанні двох p-n переходів між базою та емітером і базою та колектором. В області p-n переходів виникають шари просторового заряду, між якими лежить тонка нейтральна база. Якщо між базою й емітером створити напругу в прямому напрямку, то носії заряду інжектуються в базу й дифундують до колектора. Оскільки вони є неосновними носіями в базі, то легко проникають через p-n перехід між базою й колектором. База виготовляється достатньо тонкою, щоб носії заряду не встигли прорекомбінувати, створивши значний струм бази. Якщо між базою й емітером прикласти запірну напругу, то струм через ділянку колектор-емітер не протікатиме.

 

Класифікація

Транзистори класифікуються за вихідним матеріалом, розсіюваною потужністю, діапазоном робочих частот, принципом дії. В залежності від вихідного матеріалу їх поділяють на дві групи: германієві та кремнієві. За діапазоном робочих частот їх ділять на транзистори низьких, середніх та високих частот, за потужністю — на класи транзисторів малої, середньої та великої потужності. Транзистори малої потужності ділять на шість груп: підсилювачі низьких і високих частот, малошумні підсилювачі, перемикачі насичені, ненасичені та малого струму; транзистори великої потужності — на три групи: підсилювачі, генератори, перемикачі. За технологічними ознаками розрізняють сплавні, сплавно-дифузійні, дифузійно-сплавні, конверсійні, епітаксіальні, планарні, епітаксіально-планарні транзистори.

 

Позначення  типу транзистора

Позначення типу транзистора  встановлено галузевим стандартом ОСТ 11 336.919-81. Перший елемент позначає вихідний матеріал із якого виготовлений транзистор: германій чи його сполуки — Г, кремній або його сполуки — К, сполуки галію — А. Другий елемент — підклас напівпровідникового приладу. Для біполярних транзисторів другим елементом є літера Т.Третій елемент — призначення приладу (таблиця). Четвертий елемент — число від 01 до 99, що позначає порядковий номер розробки типу приладу. Допускається тризначний номер — від 101 до 999, якщо номер розробки перевищує 99. П'ятий елемент позначення — літера російського алфавіту, що визначає класифікацію за параметрами приладів, виготовлених за єдиними технологіями.

 

Режими  роботи

В залежності від того, в  яких станах знаходяться переходи транзистора, розрізняють режими його роботи. Оскільки в транзисторі є 2 переходи (емітерний та колекторний), і кожен із них може знаходитись в двох станах (відкритому та закритому), розрізняють чотири режими роботи транзистора. Основним є активний режим, при якому емітерний перехід знаходиться у відкритому стані, а колекторний — в закритому. Транзистори, які працюють в активному режимі, використовуються в схемах підсилення. Окрім активного виділяють інверсний режим, при якому емітерний перехід закритий, а колекторний — відкритий, режим насичення, при якому обидва переходи відкриті, та режим відсічки, при якому переходи закриті.

 

Активний  режим

Активному режиму роботи транзистора  відповідає відкритий стан емітерного переходу і закритий колекторний перехід. В цьому режимі переходи транзистора мають різну ширину: закритий колекторний перехід значно ширший ніж відкритий емітерний перехід. Окрім наскрізного потоку електронів, в структурі в активному режимі протікає інший потік, а саме, зустрічний потік дірок, що рухаються із бази в емітер. Два зустрічних потоки (дірок та електронів) відображають ефект рекомбінації в базі. Електронний потік створюється електронами, які рухаються із емітера, однак не доходять до колекторного переходу (як електрони, що створюють наскрізний потік), а рекомбінують із дірками в базі. Дірковий потік створюється дірками, що надходять із зовнішнього кола в базу для компенсації втрати дірок внаслідок рекомбінації з електронами. Вказані потоки створюють в зовнішніх колах емітера і бази додаткові складові струмів. На рисунку також показані потоки неосновних носіїв заряду, що створюють власний тепловий струм колекторного переходу (потік електронів, що рухаються із бази в колектор, та потік дірок з колектора в базу).

Наскрізний потік є  єдиним корисним потоком носіїв в  транзисторі, оскільки визначає можливість підсилення електричних сигналів. Всі  інші потоки не беруть участі в підсиленні сигналу, і тому є побічними. Для  того щоб транзистор мав високий коефіцієнт підсилення, необхідно щоб побічні потоки були якомога слабші в порівнянні з корисним наскрізним потоком.

Інверсний режим

Інверсний режим (інверсний активний режим) роботи біполярного транзистора аналогічний активному режиму з відмінністю лише в тому, що в цьому режимі у відкритому стані знаходиться колекторний перехід, а в закритому — емітерний.

 

 

 

Режим насичення

В режимі насичення обидва переходи транзистора знаходяться  у відкритому стані. В цьому режимі електрони і з емітера, і з  колектора рухаються в базу, внаслідок  чого в структурі протікають два  зустрічних наскрізних потоки електронів (нормальний та інверсний). Від співвідношення цих потоків залежить напрям струмів, що протікають в колах емітера  та колектора. Внаслідок подвійного насичення бази, в ній накопичуються  надлишкові електрони, внаслідок чого посилюється їх рекомбінація з дірками  і рекомбінований струм бази є  набагато вищим, ніж в активному  чи інверсному режимах. У зв'язку із насиченням бази транзистора і його переходів, надлишковими носіями зарядів, опір останніх стає дуже маленьким. Тому електричні кола, що містять транзистор в режимі насичення можна вважати  короткозамкненими.

 

 

Режим відсічки

В режимі відсічки обидва переходи транзистора знаходяться у закритому  стані. Наскрізні потоки електронів в цьому режимі відсутні. Через  переходи транзистора протікають потоки неосновних носіїв заряду, що створюють  малі некеровані теплові струми переходів. База і переходи транзистора в  режимі відсічки збіднені рухомими носіями  заряду, внаслідок чого їх опір є  дуже високим. Тому вважають, що транзистор в режимі відсічки розриває електричне коло. Режим насичення та відсічки використовуються при роботі транзистора  в імпульсних схемах.

 

Характеристики

Характеристики біполярних транзисторів можна розділити на вхідні, перехідні, вихідні і характеристики керування.

 

Використання

Біполярні транзистори використовуються в підсилювачах, генераторах, перетворювачах сигналу, логічних схемах.

 

Схеми включення

Існує три основні схеми  включення транзисторів. При цьому один з електродів транзистора є загальною точкою входу і виходу каскаду. Треба пам’ятати, що під входом (виходом) розуміють точки, між якими діє вхідна (вихідна) змінна напруга. Основні схеми включення називаються схемами зі спільним емітером (СЕ), спільною базою (СБ) і спільним колектором(CК).

 

Схеми підключення

Будь-яка схема підключення  транзистора характеризується двома  основними показниками:

коофіцієнт підсилення по струму n=Iвих/Iвх

вхідний опір Rвх=Uвх/Iвх

Схема зі спільною базою

 

Підсилювальний  каскад за схемою зі спільною базою  на основі npn-транзистора

Коефіцієнт  підсилення по струму: Iвих/Iвх=Iк/Iе=α [α<1]

Вхідний опір Rвх=Uвх/Iвх=Uбе/Iе.

Вхідний опір для схеми зі спільною базой малий і не перевищує 100 Ом для малопотужних транзисторів, оскільки вхідний ланцюг транзистора при цьому є відкритим емітерним переходом транзистора.

 

Переваги:

-Гарні температурні та частотні властивості

-Висока допустима напруга

 

Недоліки

-Мале підсилення по струму, оскільки α < 1

-Малий вхідний опір

-Два різні джерела напруги для живлення

 

 

 

 

 

 

Схема зі спільним емітером

Підсилювальний  каскад за схемою підключення транзистора  зі спільним емітером на основі npn-транзистора (Схема з заземленим емітером)

Вихідні дані

Коефіцієнт підсилення по струму: Iвих/Iвх=Iк/Iб=Iк/(Iе-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1]

Вхідий опір: Rвх=Uвх/Iвх=Uбе/Iб

 

Переваги:

-Великий коефіцієнт підсилення по струму

-Великий коефіцієнт підсилення по напрузі

-Найбільше підсилення потужності

-Можна обійтись одним джерелом живлення

-Вихідна напруга інвертується відносно вхідної

 

Недоліки

-Гірші температурні та частотні властивості в порівнянні зі схемою зі спільною базою

-Схема зі спільним колектором (емітерний повторювач)

 

Емітерний повторювач на основі npn-транзистора

Вихідні дані

• Коефіцінт підсилення по струму: Iвих/Iвх=Iе/Iб=Iе/(Iе-Iк) = 1/(1-α) = β [β>>1]

Вхідний опір: Rвх=Uвх/Iвх=(Uбе+Uке)/Iб

Переваги

-Великий вхідний опір

-Малий вихідний опір

 

Недоліки

-Коефіцієнт підсилення по напрузі менше 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. За даними таблиць лабораторних робіт № 3,4 «Вхідні характеристики транзистора зі спільною базою» «Вихідні характеристики транзистора зі спільною базою» побудувати на міліметрівці вхідні та вихідні статичні характеристики транзистора 2N2218.

2. Знайти робочу точку Т₀ з графоаналітичного розрахунку робочого режиму транзистора за вхідними та вихідними характеристиками транзистора 2N2218.

3. Визначити напругу U_ке0 та напругу на опорі колектора (U_Rк).

4. Знайти потужність, яка виділяється на транзисторі:

Р_к0 = І_к0 * U_ке0

 

№ варіанту	EЖ, В	Rн, Ом
15	8	1,6

 

Опираючись на схеми та вимірювання  з лабораторних робіт №№3,4 маємо:

 

 

 

 

 

 

 

Змінюючи змінним резистором вхідну напругу (Uеб) від 0 до 0,9 В, знімали вхідну характеристику транзистора Iе=f(Uеб) при напрузі колектора (Uкб) 0; 5; 10 В (Uкб=0, при відключеному тумблері.

 

 

 Змінюючи резистором напругу Uкб від 0,8 до 0В, знімали негативну гілку вихідної характеристики транзистора Iк=f(Uкб) при установці емітерного струму 10, 20, 30 мА.

 

• Дані отримано при Uкб = 0 В

 

Uбэ, В	Іэ,А
0	0
0,247	0
0,443	0,22
0,635	1,88
0,851	81
0,982	402,6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• Дані отримано при Uкб = 5 В

 

Uбэ, В	Іэ,А
0	0
0,24	0
0,453	0,257
0,611	1,49
0,788	70,49
0,98	398,4

 

 

 

• Дані отримано при  Uкб = 10 В

 

Uбэ, В	Іэ,А
0	0
0,2	0
0,44	0,233
0,586	1,331
0,788	62,11
0,976	305,1

 

 

 

Вихідні характеристики транзистора

 

• Дані отримано при Iе=10мА

 

Uкб, В	Ік,А
0	0
0,17	359
0,401	412,9
0,581	419,9
0,75	431,6