Рис. 1. Структуры биполярных транзисторов

При работе в активном режиме через эмиттерный переход транзистора происхо­дит инжекция носителей заряда в базу (для п-р-п транзистора — электронов). Инжектированные носители частично рекомбинируют в объеме базы и на поверхно­сти. Основная часть инжектированных носителей доходит до коллекторного перехода и, проходя его, увеличивает свою энергию. Наряду с инжекцией носителей из эмиттера в базу идет встречная инжекция носителей из базы в эмиттер.

Для уменьшения инжекции носителей из базы концентрацию примесей в базе делают значительно меньше, чем в эмиттере. Это приводит к появлению распреде­ленного сопротивления базы r_Б.

Ток коллектора I_к транзистора в активном режиме примерно равен току эмиттера I_Э:

I_k ≈ I_э, (1.1)

а ток базы I_Б, значительно меньше как эмиттера, так и тока коллектора:

I_Б = I_Э - I_K. (1.2)

В режиме насыщенияколлекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении и происходит встречная инжекция носителей заряда из эмиттера и коллектора в базу. В режиме насыщения соотношение (1.1) не выполняется, ток базы может оказаться сравнимым с током эмиттера.

В режиме отсечкичерез переходы проходят незначительные обратные токи, обу­словленные процессами тепловой генерации носителей заряда.

Различают три схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и с общим коллектором (ОК) (рис. 2). Общим является электрод, потенциал которого принимается за нуль. В схеме ОБ усилительные свойства проявляются, если в качестве входной цепи использовать эмиттерную, а в качестве выходной — коллекторную цепи. В схеме ОЭ входной является цепь базы, а выход­ной — цепь коллектора. Для схемы ОК входной является цепь базы, а выходной — цепь эмиттера.

Рис. 2. Схемы включения n-p-n транзистора: а – с общей базой; б – с общим эмиттером; в – с общим коллектором

Для каждой схемы включения вводятся свои семейства характеристик, которые позволяют правильно выбрать рабочий режим транзистора и обеспечить наиболее эффективное использование его возможностей. Основными статическимихаракте­ристиками являются входные, связывающие ток и напряжение на входе, и выходные, связывающие ток и напряжение на выходе. Из основных статических характеристик можно получить два семейства дополнительных характеристик: характеристики передачи и обратной связи.

Для схемы с общей базой входной статической характеристикой является зави­симость I_э = f(U_ЭБ) при U_KБ= const, а выходной I_к = f(U_KБ) при I_э = const(рис. 3).

Общий характер входных характеристик определяется р-п переходом, включен­ным в прямом направлении. Поэтому по внешнему виду входные характеристики похожи на прямые ветви ВАХ диода и имеют экспоненциальный характер. С увели­чением напряжения на коллекторе характеристики смещаются влево. В области обратных напряжений во входной цепи протекает незначительный обратный ток.

Рис. 3.Входная (а) и выходная (б) статические характеристики транзистора, включенного в схеме ОБ

Выходные характеристики по своему виду аналогичны обратной ветви ВАХ диода, так как коллекторный переход включен в обратном направлении.

При построении этих характеристик вправо принято откладывать обратное напряжение коллектора (отрицательное напряжение для р-п-р транзистора и поло­жительное для п-р-п транзистора).

Участки характеристик, соответствующие рабочим режимам, проходят прак­тически параллельно оси абсцисс. В этой области зависимость между коллекторным и эмиттерным токами определяется соотношением

I_К= I_КБО+ h_21Б I_Э.

Здесь I_КБО — обратный ток коллектора транзистора в схеме ОБ при токе эмитте­ра, равном нулю; h_21Б =(I_K - I_КБО)/I_Э - статический коэффициент передачи тока эмит­тера. Абсолютное значение h_21Б, как правило, близко к единице.

В схеме ОБ ток во входной цепи I_э практически равен току в выходной цепи I_к. Поэтому усиление по току в данной схеме отсутствует. В ней происходит усиление по мощности, поскольку источник питания в цепи коллектора имеет большее напряжение, чем в цепи эмиттера.

При включении транзистора по схеме с общим эмиттером входной характеристи­кой является зависимость I_Б = f (U_БЭ) при U_КЭ = const, а выходной I_к = f (U_KЭ) при I_Б = const(рис. 4).

Рис. 4. Входная (а) и выходная (б) статические характеристики транзистора, включенного в схеме ОЭ

Входные характеристики также имеют экспоненциальный характер и при наличии прямого напряжения идут круто вверх, смещаясь вправо при увеличении кол­лекторного напряжения. При обратном напряжении во входной цепи протекает незначительный обратный ток.

Выходные характеристики имеют заметный угол наклона β по отношению к оси абсцисс, что свидетельствует о большей зависимости I_К от U_KЭ no сравнению со схе­мой ОБ. Следует отметить, что на начальном восходящем участке характеристики практически сливаются в одну.

Общий характер приведенных зависимостей свидетельствует о том, что между коллекторным и базовым токами имеется следующая зависимость:

I_К = I_КЭО + h_21ЭI_Б. (1.3)

Здесь I_кэо — обратный ток коллектора, определяемый при токе базы, равном нулю; h_21Э = (I_K- I_КЭО) / (I_Б+ I_КЭО) - статический коэффициент передачи тока базы. Обычно значение h_21Э составляет несколько десятков.

В транзисторе, включенном по схеме ОЭ, ток I_КЭО превосходит ток I_КБОдля схемы ОБ:

Связь между h_21Э и h_21Б определяется соотношением

Коэффициент передачи тока базы h_21Э в схеме ОЭ не является постоянной величиной, а зависит от режима работы транзистора. Поэтому расстояние между выходными характеристиками по оси токов различное при одинаковом приращении тока базы. Это обстоятельство приводит к тому, что в схеме ОЭ имеются большие нелинейные искажения по сравнению со схемой ОБ. В схеме ОЭ входной ток I_Б значительно меньше выходного тока I_К, поэтому в такой схеме осуществляется усиление как по току, так и по мощности.

Входные и выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОК, практически совпадают с аналогичными характеристиками в схеме ОЭ.

Для реализации усилительных свойств транзистора в его выходную цепь включают источник питания U_П и нагрузку (нагрузочный резистор R_к), а во входную — источник усиливаемого сигнала U_BX и источник U_Б, обеспечивающий исходное поло­жение рабочей точки на нагрузочной характеристике (рис. 5).

Рис. 5. Схема включения транзистора (а), входная (б) и выходная (в) характеристики

В этом случае коллекторный ток I_к, коллекторное напряжение U_кэ определяются положением рабочей точки на нагрузочной характеристике. Положение нагрузочной характеристики определяется напряжением коллекторного источника питания U_П и углом наклона α, который связан с сопротивлением нагрузочного резистора соот­ношением

a = arctg 1/R_k.

В режиме отсечки рабочей является точка А. Этот режим характеризуется проте­канием в коллекторной цепи тока I_кэо. Режим насыщения определяется положением рабочей точки в точке В. При этом в коллекторной цепи протекает ток насыщения I_К.НАС, а коллекторное напряжение равно U_KЭ.HAC. В цепи базы протекает ток насыще­ния I_Б.НАС напряжение на базе равно U_БЭ.HAC.

Если транзистор работает в активном режиме (режим усиления), то при подаче входного сигнала изменяется ток базы I_Б, рабочая точка перемещается по нагрузоч­ной характеристике, что приводит к изменению I_к и соответствующему изменению выходного напряжения u_кэ.

Классификация и система обозначений

Система обозначений современных типов транзисторов установлена отрасле­вым стандартом ОСТ 11336.919—81. В основу системы обозначений положен буквенноцифровой код.

Первый элемент(цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен транзистор, второй элемент(буква) определяет подкласс (или группу) транзисторов, третий элемент (цифра) — основ­ные функциональные возможности транзистора, четвертый элемент(число) обо­значает порядковый номер разработки технологического типа транзистора,пятый элемент (буква) условно определяет классификацию по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии.

Для обозначения исходного материала используются следующие символы:

Г или 1 — германий или его соединения;

К или 2 — кремний или его соединения;

А или 3 — соединения галлия (арсенид галлия);

И или 4 — соединения индия.

Для обозначения подклассов используется одна из двух букв: Т — биполярные и П — полевые транзисторы.

Для обозначения наиболее характерных эксплуатационных признаков транзи­сторов применяются цифры.

Для транзисторов малой мощности (максимальная мощность, рассеиваемая тран­зистором, не более 0,3 Вт):

1 — с граничной частотой коэффициента передачи тока или максимальной рабо­чей частотой (далее граничной частотой) не более 3 МГц;

2 — с граничной частотой 3...30 МГц;

3 — с граничной частотой более 30 МГц.

Для транзисторов средней мощности (0,3... 1,5 Вт);

4 — с граничной частотой не более 3 МГц;

5 — с граничной частотой 3...30 МГц;

6 — с граничной частотой более 30 МГц.

Для транзисторов большой мощности (более 1,5 Вт):

7 — с граничной частотой не более 3 МГц;

8 — с граничной частотой 3...30 МГц;

9 — с граничной частотой более 30 МГц.

Для обозначения порядкового номера разработки используют двухзначное число от 01 до 99. Если порядковый номер разработки превышает число 99, то применя­ется трехзначное число от 101 до 999.

В качестве классификационной литеры применяются буквы русского алфавита (за исключением 3, О, Ч, Ы, Ш, Щ, Ю, Ь, Ъ, Э). Стандарт предусматривает также вве­дение в обозначение ряда дополнительных знаков.

В качестве дополнительных элементов обозначения используют следующие сим­волы:

цифры от 1 до 9 — для обозначения модернизаций транзистора, приводящих к изменению его конструкции или электрических параметров;

буква С — для обозначения наборов в общем корпусе (транзисторные сборки);

цифра, написанная через дефис, для бескорпусных транзисторов:

1 — с гибкими выводами без кристаллодержателя;

2 — с гибкими выводами на кристаллодержателе;

3 — с жесткими выводами без кристаллодержателя;

4 — с жесткими выводами на кристаллодержателе;

5 — с контактными площадками без кристаллодержателя и без выводов;

6 — с контактными площадками на кристаллодержателе, но без выводов.

Примеры обозначения приборов:

КТ937А-2 — кремниевый биполярный, большой мощности, высокочастотный, номер разработки 37, группа А, бескорпусный, с гибкими выводами на кристал­лодержателе.

Биполярные транзисторы, разработанные до 1964 г. и выпускаемые по настоя­щее время, имеют систему обозначений, включающую в себя два или три элемента.

Первый элемент обозначения — буква П, характеризующая класс биполярных транзисторов, или две буквы МП — для транзисторов в корпусе, герметизируемом способом холодной сварки.

Второй элемент — одно-, двух- или трехзначное число, которое определяет порядковый номер разработки и указывает на подкласс транзистора по роду исход­ного полупроводникового материала, значениям допустимой рассеиваемой мощно­сти и граничной частоты:

от 1 до 99 — германиевые маломощные низкочастотные транзисторы;

от 101 до 199 — кремниевые маломощные низкочастотные транзисторы;

от 201 до 299 — германиевые мощные низкочастотные транзисторы;

от 301 до 399 — кремниевые мощные низкочастотные транзисторы;

от 401 до 499 — германиевые высокочастотные и СВЧ маломощные транзисторы;

от 501 до 599 — кремниевые высокочастотные и СВЧ маломощные транзисторы;

от 601 до 699 — германиевые высокочастотные и СВЧ мощные транзисторы;

от 701 до 799 — кремниевые высокочастотные и СВЧ мощные транзисторы.

Третий элемент обозначения (у некоторых типов он может отсутствовать) — буква, условно определяющая классификацию по параметрам транзисторов, изго­товленных по единой технологии.

Условные обозначения биполярных транзисторов приведены в табл. 1.

Особенности применения, параметры и эксплуатационные данные

Высокая надежность радиоэлектронной аппаратуры может быть обеспечена только при учете таких факторов, как разброс параметров транзисторов, их тем­пературная нестабильность и зависимость параметров от режима работы, а также изменение параметров транзисторов в процессе эксплуатации.

В аппаратуре транзистор может быть использован в широком диапазоне напря­жений и токов. Ограничением служат значения предельно допустимых режимов, превышение которых в условиях эксплуатации не допускается независимо от дли­тельности импульсов напряжения или тока. Поэтому при применении транзисторов необходимо обеспечить их защиту от мгновенных изменений токов и напряжений, возникающих при переходных процессах, а также при изменении питающих напря­жений.

Для повышения надежности транзисторов при эксплуатации рекомендуется ис­пользовать их в режимах, по напряжению, току и рассеиваемой мощности на 15...20% меньших предельно допустимых значений. Однако следует иметь в виду, что применение транзисторов при малых рабочих токах приводит к снижению устой­чивости их работы в диапазоне температур и нестабильности усиления во времени. Использование более высокочастотных типов транзисторов в низкочастотных цепях нежелательно, так как они дороги, склонны к самовозбуждению и обладают мень­шими эксплуатационными запасами.

Диапазон рабочих температур транзисторов ограничен. Верхний предел связан с ростом концентрации неосновных носителей в полупроводнике, увеличением вероят­ности теплового пробоя и для германиевых транзисторов составляет 70... 100 °С, а для кремниевых 125...200 °С Минимальная рабочая температура составляет -60...- 70 °С

При применении мощных транзисторов необходимо обеспечить правильный теп­ловой режим работы, чтобы температура корпуса транзистора была минимальной и не превышала допустимую.

Для эффективного теплоотвода в мощных транзисторах могут использоваться специально сконструированные радиаторы или конструктивные элементы узлов и блоков. Место теплового контакта транзистора с теплоотводящим элементом пришлифовывается, а сам тёплоотвод рекомендуется покрывать черной краской. При необходимости электрической изоляции корпуса (коллектора) транзистора лучше изолировать теплоотводящий элемент от корпуса аппаратуры, чем транзи­стор оттеплоотвода (радиатора).

Для линейного режима работы можно использовать простейшую модель транзистора, приведенную на рис. 6, а.

Уточненнаясхема замещения биполярного транзистораприведена на рисунке 6, б.

Рис. 6, а.Простейшая схема Рис 6, б. Схема замещения биполярного замещения биполярного транзистора в Н – параметрах. транзистора.

Этой схеме замещения соответствуют уравнения, которые называются уравнениями транзистора в Н – параметрах:

u_бэ = Н₁₁i_б + Н₁₂u_кэ (1.4)

i_к = Н₂₁i_б + Н₂₂u_кэ

Физический смысл параметров, приведенных в системе уравнений (1.4.), можно легко установить, если воспользоваться режимами холостого хода на входе схемы и короткого замыкания на ее выходе. При холостом ходе на входе i_б = 0, откуда находим два параметра:

Н₁₂ = u_бэ / u_кэ Н₁₂= i_к / u_кэ (1.5)

Аналогично при коротком замыкании на выходе (u_кэ = 0) находим два других параметра

Н₂₁ = u_бэ / i_б и Н₂₂ = i_к / i_б (1.6.)

Параметры холостого хода в соответствии с (1.5) обозначаются как Н₁₂ – обратная передача по напряжению и Н₂₂– выходная проводимость. Параметры короткого замыкания определяются из (1.6) и имеют значения: Н₁₁ – входное сопротивление, Н₂₁ – прямая передача по току. Полученная система параметров транзистора не противоречит простейшей схеме замещения, приведенной на рисунке 6, а. Так, при Н₁₁ = Н₁₂ = Н₂₂= 0 получаем вместо схемы рис. 6, б схему рис. 6, а, если положить, что В = Н₂₁.

Отметим, что в справочниках по транзисторам обычно приводятся не все четыре Н – параметра, а только некоторые из них. Обязательно приводится параметр Н₂₁ = В – коэффициент передачи по току, а остальные, если они не приводятся, иногда можно рассчитать по уравнениям (1.5) и (1.6).

Порядок выполнения работы

1. Исследование зависимости тока коллектора от тока базы и напряжения база-эмиттер.

2. Анализ зависимости коэффициента усиления по постоянному току от тока коллектора.

3. Исследование работы биполярного транзистора в отсечки.

4. Получение входных и выходных характеристик транзистора.

5. Определение коэффициента передачи по переменному току.

6. Исследование динамического входного сопротивления транзистора.

Приборы и элементы

Биполярный транзистор 2N3904; источники постоянной ЭДС; источники переменной ЭДС; амперметры; вольтметры; осциллограф; диод; резисторы.

Исследуемая схема показана на рис. 7. Статический коэффициент передачи тока определяется как отношение тока коллектора I_К к току базы I_Б: .

Коэффициент передачи тока b_АС определяется отношением приращения DI_К коллекторного тока к вызывающему его приращению DI_Б базового тока:

.

Дифференциальное входное сопротивление r_ВХ транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ) определяется при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер. Оно может быть найдено как отношение приращения напряжения база-эмиттер к вызванному им приращению ∆I_Б тока базы:

.

Дифференциальное входное сопротивление r_ВХ транзистора в схеме с ОЭ через параметры транзистора определяется следующим выражением:

,

где r_Б – распределенное сопротивление базовой области полупроводника,

r_Э - дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер, определяемое из выражения:

r_Э = 25/I_э, где – постоянный ток эмиттера в миллиамперах.

Первое слагаемое r_Б в выражении много меньше второго, поэтому их можно пренебречь:

.

Дифференциальное сопротивление r_Э перехода база-эмиттер для биполярного транзистора сравнимо с дифференциальным входным сопротивлением r_ВХОБ транзистора в схеме с общей базой, которое определяется при фиксированном значении напряжения база-коллектор. Оно может быть найдено как отношение приращения ∆U_БЭ к вызванному им приращению ∆I_Э тока эмиттера:

.

Через параметры транзистора это сопротивление определяется выражением:

.

Первым слагаемым в выражении можно пренебречь, поэтому можно считать, что дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер приблизительно равно:

.

Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Определение статического коэффициента передачи тока транзистора.

а) Включаем схему изображенную на рис.7. Записываем результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер в раздел "Результаты экспериментов”. По полученным результатам подсчитываем статический коэффициент передачи транзистора β_DC . Результат записать в раздел "Результаты экспериментов”.

б) Изменяем номинал источника ЭДС Е_Б до 2.68 В. Включаем схему. Записываем результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер в раздел "Результаты экспериментов”. По полученным результатам подсчитываем коэффициент β_DC. Ответ записываем в раздел "Результаты экспериментов”.

в) Изменяем номинал источника ЭДС Е_К до 5В. Запускаем схему. Записываем результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер в раздел "Результаты экспериментов”. По полученным результатам подсчитываем статический коэффициент передачи транзистора β_DC. Результат записываем в раздел "Результаты экспериментов”. Затем устанавливаем номинал Е_К равным 10В.

Рис.7

Эксперимент 2. Измерение обратного тока коллектора.

На схеме рис. 7 изменяем номинал источника ЭДС Е_Б до 0В. Включаем схему. Записываем результаты измерения тока коллектора для данных значений тока базы и напряжения коллектор-эмиттер в раздел "Результаты экспериментов”.

Эксперимент 3. Получение выходной характеристики транзистора в схеме с ОЭ.

а) В схеме проводим измерения тока коллектора I_К для каждого значения Е_Ки Е_Б и заполняем таблицу 1 в разделе "Результаты экспериментов”. По данным таблицы построим график зависимости I_К от Е_К.

Рис.8

б)Собираем схему, изображенную на рис. 8. Включаем схему. Зарисовываем осциллограмму выходной характеристики, соблюдая масштаб, в разделе "Результаты экспериментов”. Повторяем измерения для каждого значения Е_Б из таблицы 1. Осциллограммы выходных характеристик для разных токов базы зарисовываем в разделе "Результаты экспериментов” на одном графике.

в) По выходной характеристике найдем коэффициент тока β_АC при изменении базового тока с 10mА до 30mА, Е_к=10В. Результат записываем в раздел "Результаты экспериментов”.

Эксперимент 4. Получение входной характеристики транзистора в схеме с ОЭ.

а).На схеме по рис. 7, устанавливаем значения напряжения источника Е_к равным 10 В и проводим измерения тока базы I_Б, напряжения база – эмиттер U_БЭ, тока эмиттера I_Э для различных значений напряжения источника Е_Б в соответствии с таблицей 2 в разделе "Результаты экспериментов”. Обратить внимание, что коллекторный ток примерно равен току в цепи эмиттера.

б). В разделе "Результаты экспериментов” по данным таблицы 2. Построим график зависимости тока базы от напряжения база-эмиттер.

в).Включаем схему рис.9. Зарисовываем входную характеристику транзистора, соблюдая масштаб, в разделе "Результаты экспериментов”.

г). По входной характеристике найдем сопротивление r_ВХ при изменении базового тока с 10mА до 30mА. Результат записываем в раздел "Результаты экспериментов”.

Результаты экспериментов

Эксперимент 1. Определение коэффициента передачи транзистора по постоянному току.

Напряжение источника ЭДС Е_Б5.7 В

Ток базы транзистора I_Б Измерение______49,19 мА_______

Ток коллектора транзистора I_К Измерение______10,69 мкА______

Напряжение коллектор-эмиттер U_КЭИзмерение______10 В _

Статический коэффициент передачи b_DC Расчет________________________

Напряжение источника ЭДС Е_Б 2.68 В

Ток базы транзистора I_Б Измерение______19,24 мА_______

Ток коллектора транзистора I_К Измерение______4,089 мкА______

Напряжение коллектор-эмиттер U_КЭ Измерение______10 В ___

Статический коэффициент передачи b_DC Расчет________________________

Напряжение источника ЭДС Е_к 5 В

Ток базы транзистора I_Б Измерение________19,24 мА_____

Ток коллектора транзистора I_К Измерение________3,917 мкА____

Напряжение коллектор-эмиттер U_КЭ Измерение________5 В 756 мкВ__

Статический коэффициент передачи b_DC Расчет________________________

Эксперимент 2. Измерение обратного тока коллектора.

Обратный ток коллектора I_КО Измерение_______10 мА________

Ток базы транзистора I_Б Измерение________0___________

Напряжение коллектор – эмиттер U_КЭ Измерение_______10 В _

Эксперимент 3. Получение выходной характеристики транзистора в схеме с ОЭ.

Таблица 1

График выходной характеристик транзистора

Осциллограммы входных характеристик транзистора для разных токов базы

Коэффициент передачи тока β_АС

Расчет по результатам измерений_______________________

Эксперимент 4. Получение входной характеристики транзистора в схеме с ОЭ.

Таблица 2.

График зависимости тока базы от

напряжения база – эмиттер

Осциллограмма входной характеристики транзистора

Сопротивление r_ВХ Расчет по результатам измерений_________________