Измерения параметров транзисторов

Журнал Радио 12 номер 1971 год.

Транзистор является трехэлектродным полупроводниковым прибором. В нем два р-n перехода: эмиттерный — между эмиттером и базой, и коллекторный — между коллектором и базой. Упрощенная схема транзистора, структуры р-n-р изображена на рис. 1. Эмиттерный переход включен в прямом направлении — к эмиттеру подключен положительный, а к базе отрицательный полюса батареи Б1. Ток эмиттера Iэ, текущий через этот р-n переход, быстро растет с увеличением напряжения Uэб. Напряжение Uэб для маломощного транзистора не должно превышать нескольких долей вольта, иначе эмиттерный переход, будет разрушен.

Коллекторный р-n переход включают, наоборот, в обратном направлении — к коллектору подключают минус, а к базе — плюс питающей батареи. Через переход идет небольшой обратный ток коллектора Iк0. У исправных маломощных транзисторов Iк0 не превышает нескольких микроампер, а у мощных транзисторов — сотен микроампер. Обратный ток коллектора практически не зависит от величины напряжения Uкб.

При одновременном включении обоих р-n переходов транзистора, как это показано на рис. 1, ток цепи коллектора Iк значительно возрастет и будет слагаться из двух его составляющих: обратного тока коллектора Iк0 и части тока эмиттера, проходящей через эмиттерный и коллекторный переходы. Из рис. 1 видно, что не весь ток эмиттера Iэ превращается в ток коллектора, а часть его ответвляется в базу. Таким образом ток базы Iб=Iэ- Iк.

Отношение величины тока коллектора к току эмиттера принято обозначать буквой α («альфа») и называть коэффициентом передачи тока:

Так как ток коллектора Iк меньше тока эмиттера Iэ, то коэффициент α всегда меньше единицы. У хороших транзисторов коэффициент α весьма близок к единице (0,95—0,99).

Вторая составляющая коллекторного тока равна αIэ, то есть ток коллектора Iк=αIэ+Iко.

Ток эмиттера Iэ можно легко менять в больших пределах, изменяя напряжение Uэб. При этом будет изменяться и ток коллектора, так как его составляющая αIэ зависит от тока эмиттера. Но изменение тока коллектора происходит в цепи с большим, чем в цепи эмиттер-база, напряжением, и если сопротивление его нагрузочного резистора Rн достаточно большое (килоомы и более), на нем возникает значительное по величине падение напряжения. Следовательно, если амплитуда изменения напряжения в цепи эмиттерного перехода измеряется сотыми долями вольта, то в цепи коллекторного перехода она будет измеряться уже десятыми долями вольта, то есть произойдет усиление сигнала по напряжению и мощности.

Поскольку коэффициент α всегда меньше единицы, поэтому транзистор, казалось бы, не дает усиления по току. Но это только в том случае, если общим электродом входной и выходной цепей транзистора является база, то есть транзистор включен по схеме с общей базой (см. рис. 1). Но транзистор можно включить по схеме с общим эмиттером (рис. 2), когда общим электродом входной и выходной цепей служит эмиттер. В этом случае входным током является ток базы Iб, и коэффициентом усиления транзистора, обозначаемым буквой β («бета»), будет отношением выходного тока коллектора Iк к току базы то есть

Если в эту формулу подставить выражения для Iк и Iб, уже приведенные здесь, и пренебречь током Iк0, поскольку он очень мал по сравнению с составляющей коллекторного тока αIэ, коэффициент β можно подсчитать по формуле:

Подставьте в эту формулу любое значение α, и вы убедитесь, что коэффициент β всегда больше единицы. Например, при α=0,9 коэффициент β=9. Таким образом, если при включении транзистора по схеме с общей базой происходит усиление по напряжению, то при включении его по схеме с общим эмиттером происходит усиление и по току, то есть входной ток базы Iб всегда меньше выходного тока коллектора Iк. Чем больше коэффициент β, тем, естественно, больше усиление входного сигнала.

Итак, ток цепи коллектора слагается из составляющей αIэ, управляемой током базы Iб, и неуправляемой составляющей Iк0. Обратный ток коллектора Iк0 так мал, что говорить о том, что он снижает максимальную мощность транзистора и понапрасну растрачивает энергию, питания, можно лишь теоретически. Но беда в том, что ток Iк0 сильно зависит от температуры — такова его физическая природа. Этим он и наносит транзисторной аппаратуре большой вред.

Если базу транзистора соединить с эмиттером через резистор небольшого сопротивления (500—1000 ом для маломощных транзисторов), то в коллекторной цепи установится начальный ток коллектора Iкн=Iк0x(β + 1). Это неуправляемая составляющая коллекторного тока транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Ток Iкн, как видите, зависит от тока Iк0 германиевых транзисторов. Ток Iк0 примерно удваивается на каждые 10°С повышения температуры. И хотя сам ток Iк0 невелик, но при его изменении увеличивается начальный ток коллектора Iкн, который больше его в β + 1 раз. Например, если ток Iк0 при температуре 20 °С составлял 5 мка, то при увеличении температуры транзистора до 40 °С ток Iк0 возрастет до 20 мка. Возрастание тока Iк0 на 15 мка — это еще не так много. Но если транзистор имеет коэффициент усиления β =25, то начальный ток коллектора изменится с Iкн1=5 (25+l) = 130 мка до Iкн2= 20 (25+1)=520 мка, то есть на 390 мка!

При нормальной работе транзистора к неуправляемой составляющей тока коллектора добавляется управляемая составляющая Iб•β, в связи с чем общая формула коллекторного тока принимает такой вид: IК=IКН+ Iб•β. Таким образом изменение тока Iкн почти на 0,4 ма при увеличении температуры на 20 °С вызовет такое же изменение тока коллектора, а значит и изменение режима работы транзистора и всех параметров транзисторного каскада.

Для борьбы с этим неприятным явлением в транзисторные каскады вводят специальные цепи, компенсирующие изменения токов, вызываемые колебаниями температуры окружающей среды и самого транзистора. Тем не менее транзистор стараются подобрать с возможно малым обратным током коллектора Iко, чтобы возможно меньшими были температурные изменения коллекторного тока. Что же касается начального тока коллектора Iкн, то он зависит как от величины обратного тока Iк0, так и от коэффициента β. Чем больше Iк0 и β , тем больше ток Iкн.

Выбирая транзистор, надо особое внимание обратить на устойчивость токов Iк0 и IКн - они не должны изменяться самопроизвольно. Транзистор с нестабильными токами Iк0 и Iкн работает неустойчиво.

Схема для измерения тока Iк0 показана на рис. 3. На коллектор подается обратное напряжение UK= 2÷5 в. Резистор R0, ограничивающий ток, служит защитой измерительных приборов на случай, если транзистор окажется с пробитым коллекторным переходом. Сопротивление R0 выбирают из условия R0=0,1 Uкб/Iк0. Прибор mА должен показывать единицы микроампер.

Измеренный ток Iк0 позволяет оценить качество только коллекторного перехода транзистора. А вот по начальному току коллектора Iкн, измеренному по схеме на рис. 4, можно судить о работоспособности уже всего транзистора, так как в этом случае включены оба его р-n перехода. Резистор Rб (для маломощных транзисторов — 500 — 1000 ом, для мощных — 1 — 2 ома) обязательно должен быть включен между базой и эмиттером, иначе результаты измерений будут искажены.

Такие измерения можно производить вольтметром с очень высоким входным сопротивлением.

С измерением коэффициента усиления транзистора дело обстоит сложнее. Объясняется это тем, что для более точного определения коэффициентов α и β надо измерять не постоянные токи, как говорилось ранее, Iб, Iэ и Iк, а очень малые приращения этих токов, то есть производить измерения на переменном токе и при малом сигнале:

при неизменном напряжении Uкб

неизменном напряжении U кэ

Эти коэффициенты зависят, кроме того, от тока эмиттера, поэтому для каждого типа транзистора рекомендуют определенный ток эмиттера, при котором значение коэффициента усиления близко к максимальному. Правда, коэффициенты усиления зависят и от напряжения на коллекторе, но слабо. Эта зависимость сказывается только при очень малых коллекторных напряжениях, при которых транзистор обычно не эксплуатируют, либо при очень больших напряжениях, близких к максимально допустимым. И хотя при повышенных напряжениях коэффициенты усиления резко увеличиваются, такой режим работы транзистора практически не используется, так как очень возрастает опасность пробоя коллекторного перехода.

Итак, чтобы измерить коэффициент усиления транзистора, надо, во-первых, поставить транзистор в определенный режим работы по постоянному току, то есть установить необходимые UK3 и Iэ, а, во-вторых, вести измерение на переменном токе, измеряя малые приращения токов его электродов. Все это усложняет измерения и требует чувствительных и точных приборов, ибо измерять малые приращения токов не так-то просто.

Радиолюбители обычно пользуются более простыми методами измерения коэффициента усиления транзистора. Чаще всего этот параметр измеряют на постоянном токе, то есть измеряют не α или β , а статический коэффициент усиления ВСТ, представляющий собой отношение ВСТ = IК/Iб но при условии, что ток коллектора и ток базы много больше тока Iко.

Коэффициент Вст обычно не равен коэффициенту β при малых токах коллектора он меньше β при больших — больше. Ошибка не столь велика (не более 30—40%) и в любительской практике ею можно пренебречь.

Радиолюбители часто коэффициент Вст измеряют при фиксированном токе базы Iб (рис. 5). В этом случае электроизмерительный прибор, включенный в коллекторную цепь транзистора, показывает ток коллектора Iк, который в Вст раз больше тока Iб. Шкалу прибора можно проградуировать непосредственно в значениях Вст. Казалось бы, просто, но за эту простоту приходится расплачиваться погрешностями измерения.

Дело в том, что при таких измерениях не учитывается влияние начального тока коллектора Iкн=Iко (β+1), а ведь IH=IKH+Iбβ. Ток Iкн зависит от тока Iк0 и коэффициента β, следовательно, у разных транзисторов он будет неодинаков и внесет различную погрешность в измерения. Далее: предполагается, что ток базы всегда один и тот же, поскольку сопротивление Rб велико (ток базы определяют по формуле Iб= Uб/Rб и для маломощных транзисторов устанавливают равным 50—100 мка). Фактически же ток базы определяетЧтобы уменьшить искажения, надо измерять и ток базы, для чего прибор придется несколько усложнить (рис. 6). Пользуясь таким прибором, можно, во-первых, устанавливать два значения тока базы, например, 50 и 100 мка, а во-вторых, производить измерения таким образом, что будет уменьшена погрешность, связанная с влиянием тока Iко. Для этого сначала измеряют ток коллектора Iк1 при положении переключателя В на контакте -1 (ток базы Iб1), затем переключатель переводят в положение 2 и измеряют новые значения токов Iк2 и Iб2. Коэффициент Вст вычисляют по формуле:

Кстати, коэффициент Вст можно измерять при фиксированном токе коллектора, как это показано на рис. 7. Переменным резистором R1 устанавливают ток Iк, равным, например, 1 ма, а шкалу этого резистора градуируют непосредственно в значениях Вст (исходя из предположения, что Вст=Iк/Iб). Резистор R2 ограничивает ток базы.

Подобными простыми приборами вполне можно пользоваться, так как в подавляющем большинстве случаев радиолюбителя транзистор интересует прежде всего с точки зрения его работоспособности. Конечно, при их помощи нельзя определить, что транзистор, например, имеет коэффициент β именно 30, а не 25 и не 35. Но ведь такой точности радиолюбителю и не нужно, она необходима только для инженерных расчетов, когда сначала за письменным столом или на макете определяются допустимые отклонения коэффициентов усиления транзисторов для конкретного устройства, а затем в цехе проводится соответствующий подбор транзисторов. Радиолюбитель же обычно подбирает другие детали устройства под имеющиеся транзисторы, а не наоборот, как это бывает в промышленности.

В заключение скажем, что по новой терминологии коэффициент α, измеренный на переменном токе в схеме с общей базой, обозначают h21б и называют коэффициентом передачи тока; коэффициент β, измеренный на переменном токе в схеме с общим эмиттером, обозначают h21э и называют коэффициентом передачи тока на малом сигнале, а коэффициент Вст обозначают h21э — то же, что h21э, но на большом сигнале.

1. 
   В. П. Морозов. Радиолюбительские приборы дня проверки транзисторов. Изд-во ДОСААФ, 1965.
   
2. 
   В. А. Васильев. Радиолюбителю о транзисторах. Изд-во ДОСААФ, 1967.
   
3. 
   И. П. Жеребцов. Основы электроники. «Энергия», 1967.
   
4. 
   Транзисторы (справочник) под ред. И. Ф. Николаевского. «Связь», 1969.
   
5. 
   Справочник по полупроводниковым диодам и транзисторам под ред. Н. Н. Горюнова. «Энергия», 1968
   

Испытатель Транзисторов

В испытателе всего два переключателя, которыми выключают питание и переключают его полярность в зависимости от структуры проверяемого транзистора. Кроме того, помимо определения статического коэффициента передачи h21э, обратного тока коллектора Iкбо, обратного тока эмиттера Iэбо транзистора, прибором можно проверять диоды и оксидные конденсаторы. При этом по стрелочному индикатору испытателя нетрудно определить обратный ток диода или ток утечки конденсатора.    Для проверки транзистора его выводы вставляют в гнезда XS1-XS3 и нажимают кнопку SB1 или SB2 в зависимости от структуры транзистора. Батарея GB1 подключается к деталям испытателя в той или иной полярности. Вступает в действие стабилизатор напряжения, составленный из стабилитрона VD1 и одного из балластных резисторов - R1 или R2. На базе соответствующего транзистора относительно подвижного контакта переключателя SB2.1 появляется стабилизированное напряжение. Оно необходимо для получения стабильного тока эмиттера испытываемого транзистора, при котором измеряется коэффициент передачи. В данном приборе этот ток выбран равным 3 мА (он зависит от сопротивления резистора R3).    В зависимости от коэффициента передачи тока испытываемого транзистора, в его базовой цепи, в значит, и через стрелочный индикатор РА1, будет протекать соответствующий ток. По отклонению стрелки индикатора и определяют коэффициент передачи.

Рис.1 Принципиальная схема

Кроме указанных на схеме, в приборе можно использовать другие кремниевые транзисторы соответствующей структуры и со статическим коэффициентом передачи тока не менее 30, а также другие кремниевые диоды (например, Д104А серий Д223, Д220) с прямым напряжением около 1 В. Постоянные резисторы - МЛТ-0,125, подстроенный - любой конструкции. Источник питания - батарея "Крона", переключатели - П2К с самовозвратом. Стрелочный индикатор - типа М906 с током отклонения стрелки на конечное деление шкалы 100 мкА и сопротивлением рамки 850 Ом. Подойдет и другой микроамперметр с аналогичными или близкими (по сопротивлению) параметрами.    Чтобы не заниматься градуировкой шкалы стрелочного индикатора (она сравнительно трудоемка), можно перенести на нее показания, приведенные на рис.2, либо составить градуировочную таблицу, в которой каждому значению тока индикатора будет указано соответствующее значение коэффициента передачи. Если шкала используемого микроамперметра других размеров, можно перенести на нее приведенные на рисунке значения известными способами (например, с помощью транспортира). Градуировку шкалы лучше всего проверить, подключая к гнездам прибора транзисторы с известным коэффициентом передачи.    После изготовления прибора соединяют проволочной перемычкой гнезда XS1 и XS2, а затем нажимают кнопку одного из переключателей. Подстроечным резистором R5 устанавливают стрелку индикатора на конечное деление шкалы - условный нуль отсчета коэффициента передачи. Если подстроечным резистором этого добиться не удается, подбирают резистор R4.    Чтобы измерить обратный ток коллектора транзистора структуры p-n-p, к прибору подключают только выводы базы и коллектора: первый - и гнезду XS2, второй - к гнезду XS1. Нажимают кнопку переключателя SB1. Для определения же обратного тока эмиттера вывод базы оставляют подключенным к гнезду XS2, а к гнезду XS1 вместо вывода коллектора подключают вывод эмиттера. При этой проверке нажимают кнопку переключателя SB2. Если же будет нажата кнопка переключателя SB1, стрелка индикатора отклонится до конечного деления шкалы.    Аналогично измеряют эти параметры у транзисторов структуры n-p-n, но нажимают в первом случае кнопку переключателя SB2, а во втором - SB1.    Проверяя диоды, подключают их выводы к гнездам XS1 и XS2. Тогда при нажатии одной кнопки стрелка индикатора отклонится до конечной отметки шкалы, а другой кнопки - на какой-то угол, соответствующий обратному току диода.    При проверке конденсаторов их выводы подключают к гнездам XS1 и XS2. Если плюсовой вывод конденсатора подключен к гнезду XS1, нажимают кнопку переключателя SB1. Ток утечки измеряют при установившемся положении стрелки индикатора.   Рис.2

Источник: Радио №5, 1987 г., стр.34