Загрузил Александра Петруленкова

теория биполярный транзистор

реклама
2.
Физические процессы, протекающие в биполярном транзисторе.
Модель Эберса-Молла.
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие
физические процессы:
 инжекция
 диффузия
 рекомбинация

экстракция
Рассмотрим работу транзистора типа n-p-n в режиме без нагрузки (включены
только источники постоянных питающих напряжений E1 и E2). Схема
движения электронов и дырок в транзисторе типа n-p-n представлена на
рисунке 1.
Рисунок 1 – Движение электронов и дырок в транзисторе типа n-p-n
Обозначение транзистора типа n-p-n показано на рисунке 2.
Рисунок 2 – Обозначение транзистора типа n-p-n на схеме.
Эмиттер – область транзистора, назначением которой является инжекция
носителей заряда в базу.
Коллектор – область транзистора, назначением которой является экстракция
носителей заряда из базы.
База – область транзистора, в которую инжектируются эмиттером
неосновные для этой области носители заряда.
У напряжений E1 и E2 такая полярность, что на эмиттерном переходе
напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Поэтому сопротивление
эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом
переходе достаточно напряжения E1 в десятые доли вольта. У коллекторного
перехода сопротивление велико, напряжение E2 обычно составляет единицы
или десятки вольт. Из рисунка 1 видим, что напряжения между электродами
транзистора связаны простой зависимостью:
u к  э  u к  б  uб  э ,
(1)
где uк э , uк б , uб э – напряжения между коллектором и эмиттером, коллектором
и базой, базой и эмиттером соответственно.
Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение
эмиттерного перехода, т.е. участка база-эмиттер uб  э , существенно влияет на
токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи
эмиттера и коллектора. Таким образом, напряжение, т.е. входное напряжение
uб  э , управляет током коллектора.
Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При
увеличении прямого входного напряжения uб  э понижается потенциальный
барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот
переход – ток эмиттера iэ . Электроны этого тока инжектируются из эмиттера
в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный
переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает
при обратно напряжении, то в этом переходе возникают объёмные заряды,
показанные на рисунке 1 кружками со знаками «+» и «–». Между ними
возникает
электрическое
поле.
Оно
способствует
экстракции
через
коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера (втягивают
в область коллекторного перехода).
Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика,
лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками,
вследствие чего возникает ток базы, а также каждую секунду сколько-то
дырок исчезает, но такое же количество дырок возникает из-за ухода такого
же числа электронов из базы к полюсу источника E1. Т.е. в базе не может
накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в
базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остаётся в базе,
рекомбинируя с дырками, то точно такое е число электронов должно уходить
из эмиттера в виде тока iб (составляет малую долю % тока эмиттера). По
первому закону Кирхгофа:
iэ  iк  iб .
Учитывая, что iб
(2)
iэ , получаем iк  iэ .
Ток базы является бесполезным и даже вредным, поэтому базу делают очень
тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет
концентрацию
дырок.
Тогда
меньшее
число
электронов
будет
рекомбинировать в базе с дырками.
Когда к эмиттерному переходу не приложено напряжение, можно считать,
что в этом переходе нет тока. В таком случае у области коллекторного
перехода большое сопротивление постоянному току. Через коллекторный
переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный
перемещением электронов из p- области в n-область.
Но если возник незначительный ток эмиттера под действием входного
напряжения, то в область базы инжектируются электроны (неосновные
носители) со стороны эмиттера и, не успевая рекомбинировать с дырками
при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода. С
увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных
носителей, инжектированных их эмиттера, а чем больше этих носителей, тем
больше ток коллектора iк .
Поскольку в транзисторе ток эмиттера всегда равен сумме токов коллектора
и базы, то приращение тока эмиттера также всегда равно сумме приращений
коллекторного и базового тока:
iэ  iк  iб .
(3)
Важное свойство транзистора:
Все три тока транзистора изменяются почти пропорционально друг другу.
Подобные процессы происходят и в транзисторе типа p-n-p, но в нём
меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются полярности
напряжений и направления токов.
Схема движения электронов и дырок в транзисторе типа p-n-p представлена
на рисунке 3.
Рисунок 3 – Движение электронов и дырок в транзисторе типа p-n-p.
Обозначение транзистора типа p-n-p показано на рисунке 4.
Рисунок 4 – Обозначение транзистора типа p-n-p на схеме.
Работу транзистора можно наглядно представить с помощью потенциальной
диаграммы для транзистора типа n-p-n (рис. 5).
Рисунок 5 – Потенциальная диаграмма транзистора.
Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется
небольшой потенциальный барьер. Чем больше напряжение uб  э , тем ниже
этот
барьер.
Коллекторный
переход
имеет
значительную
разность
потенциалов, ускоряющую электроны.
МОДЕЛЬ ЭБЕРСА-МОЛЛА
– основная модель биполярного транзистора: два диода и два источника тока
включены навстречу друг другу (рис.6).
Рисунок 6 – Эквивалентные схемы Эберса – Молла
Источники тока управляются токами диодов, сами диоды считаются
идеальными, если их характеристики имеют вид
I F  I FO (eqVEB / kT  1)
,
(4)
I R  I RO (eqVCB / kT  1)
,
(5)
где I FO и I RO – соответственно токи насыщения диодов, смещённых
нормально в прямом и обратном направлениях. Внешние токи транзистора:
I E  I F  1I R
(6)
IC  I R   N I F
(7)
I B  (1   N ) I F  (1  1 ) I R
(8)
где 1 ,  2 – соответственно прямой и инверсный коэффициенты усиления
транзистора в схеме с общей базой. Формулы (4)-(8) устанавливают
соотношения между внешними токами I E и I C и приложенными к переходам
напряжениями VEB и VCB . Простейшая модель содержит 4 параметра:
I RO , I FO ,  N ,  I .
Для эмиттерного и коллекторного токов можно записать выражения:
I E  a11 (eqVEB / kT  1)  a12 (eqVEB / kT  1)
IC  a21 (eqVEB/ kT  1)  a22 (eqVEB / kT  1)
Отсюда:
a11  I FO , a12  1I RO
a21   N I FO , a22  I RO
=> a1I RO   N I FO .
Следовательно, для основной модели требуются только три параметра.
5. Экспериментальная установка. Схемы для снятия статистических
характеристик и измерения коэффициента усиления по напряжению.
Лабораторная установка предназначена для экспериментального снятия
основных характеристик транзистора. В состав лабораторной установки
входят стабилизированные регулируемые источники питания, измерители
напряжения тока, панель с исследуемым транзистором и ограничительными
резисторами.
На рисунке 7 показана схема для снятия статистических характеристик
биполярного транзистора с общим эмиттером.
Рисунок 7 – Схема для снятия статистических характеристик.
На рисунке 8 приведена схема для измерения коэффициента усиления
низкочастотного сигнала, в состав которой входят: 1 – генератор низкой
частоты, 2 – n-p-n транзистор, 3 – двухканальный осциллограф.
Рисунок 8 – Схема для измерения коэффициента усиления низкочастотного
сигнала.
Скачать