Контрольные вопросы

1. Какое явление называется термоэлектронной эмиссией?

2. Как изменяется внутреннее сопротивление лампы постоянному току при изменении напряжения на управляющей сетке?

3. Почему в тетродах напряжение на экранирующей сетке должно быть меньше, чем на аноде?

4. Чем конструктивно отличаются пентоды с короткой и удлиненной характеристиками?

5. Как объяснить уменьшение проходной емкости, увеличение внутреннего сопротивления и коэффициента усиления у многосеточных ламп по сравнению с триодом?

6. Как по статическим характеристикам ламп определить R_i,S,μ?

7. Почему в пентоде при изменении анодного напряжения в больших пределах, начиная с некоторого значения, анодный ток изменяется очень мало?

8. Что такое «динамический режим работы ламп» и чем он отличается от статического режима?

9. Укажите, какими элементами определяется рабочий режим лампы.

10. Приведите условные буквенно-цифровые обозначения электронных ламп.

11. Что такое геттер, для чего он нужен?

Содержание отчета

1. Наименование работы.

2. Цель работы.

3. Таблицы наблюдений.

4. Необходимые расчеты, графики характеристик.

5. Краткие ответы на контрольные вопросы.

6. Выводы.

Лабораторная работа 3 Исследование биполярного транзистора

Цель работы: Исследование статических характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером и определение его основных параметров.

Оборудование: 1. Лабораторный макет.

2. Вольтметр постоянного тока Щ1516.

3. Соединительные провода.

Рекомендательный библиографический список: [1], Гл.3; Гл.4: §§ 4.1, 4.1, 4.3–4.7; [2], Гл.2: §2.2; [4], Гл.4: §§ 4.8–4.12, 4.17, 4.18; [5], Гл. 3: §§ 3.1, 3.2, 3.4.

Б

э

э

б

б

иполярные транзисторы являются наиболее универсальными и распространенными полупроводниковыми приборами, предназначенными для усиления и генерирования электрических колебаний. Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности (типаp-n-pилиn-p-n). Эти области разделяются электронно-дырочными переходами. Особенность транзистора состоит в том, что между его электронно-дырочными переходами существует взаимодействие: ток одного из переходов может управлять током другого. Такое управление возможно потому, что носители заряда, инжектированные через один из электронно-дырочных переходов, находящийся под прямым напряжением, могут дойти до другого перехода, находящегося под обратным напряжением, и изменить его ток.

Область транзистора, расположенную между электронно-дырочными переходами, называют базой. Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из областей изготавливают так, чтобы из неё наиболее эффективно происходила инжекция носителей в базу, а другую так, чтобы соответствующий электронно-дырочный переход наилучшим образом осуществлял экстракцию инжектированных носителей из базы.

Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называется эмиттером; соответствующий электронно-дырочный переход между базой и эмиттером – эмиттерным.

Область транзистора, основным назначением которой является экстракция носителей из базы, называется коллектором; соответствующий электронно-дырочный переход – коллекторным.

Основные характеристики транзистора определяются в основном процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может существовать или отсутствовать электрическое поле. Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей заряда эмиттера к коллектору, то транзистор называют дрейфовым, если поле в базе отсутствует – бездрейфовым.

Различают три схемы включения транзистора: с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором. Общим называют электрод, относительно которого задают и измеряют напряжения. В данной работе исследуется лишь включение транзистора с общим эмиттером, поскольку такое включение используется наиболее часто. Входной цепью в данном случае является цепь база-эмиттер, выходной – коллектор-эмиттер.

В зависимости от выполняемых в схеме функций транзистор может работать в следующих режимах: активном, насыщения и отсечки. В данной лабораторной работе транзистор исследуется только в активном режиме, в котором транзистор усиливает электрический сигнал с минимальными искажениями его формы. При этом на эмиттерный переход подают напряжение в прямом направлении, а на коллекторный – в обратном. В активном режиме транзистор управляется в любой момент процесса усиления. Каждому изменению входного сигнала соответствует изменение выходного.

Основные свойства транзистора определяются соотношениями токов и напряжений в различных цепях и их влиянием друг на друга. Свойства транзистора при работе на постоянном токе описываются семействами статических характеристик и статическими параметрами.

В качестве основных удобно выбирать два семейства характеристик. Семейства характеристик, связывающих ток и напряжение во входной цепи транзистора, называются семействами входных характеристик. Семейства характеристик, связывающих ток и напряжение в выходной цепи транзистора, называются семействами выходных характеристик. Применительно к схеме с общим эмиттером входными характеристиками являются зависимости тока базы от напряжения между базой и эмиттером при фиксированном напряжении на коллекторе:

I_б=f(U_бэ), при U_кэ = const.

Выходными характеристиками являются зависимости тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированном токе базы:

I_к=f(U_кэ), при I_б = const.

Часто для описания свойств транзисторов используют переходные характеристики, которые связывают токи (напряжения) на входе транзистора с токами (напряжениями) на выходе. Для схемы с общим эмиттером такими характеристиками являются зависимости:

I_к=f(I_б) при U_кэ=const.

Для расчета электронных схем удобно рассмотрение транзистора в виде активного линейного четырехполюсника. Свойства транзистора в этом случае описывают с помощью эквивалентных схем, под которыми понимают электрическую схему, составленную из линейных элементов электрических цепей (сопротивлений, емкостей, индуктивностей, генераторов тока и напряжения). Эта схема по своим свойствам не отличается от свойств реального транзистора. По способу построения различают формальные и физические эквивалентные схемы. На рис. 3.1 показана формальная эквивалентная схема транзистора в схеме с общим эмиттером.

Формальные эквивалентные схемы строят на основе описания транзистора с помощью уравнений четырехполюсника, которые связывают малые переменные входные и выходные токи и напряжения с помощью параметров четырехполюсника. Из шести известных систем параметров четырехполюсника (Y, Z, A, f, b и h) для описания транзистора чаще всего используется система h-параметров.

Уравнения, составленные в соответствии с системой h-параметров для схемы с общим эмиттером, выглядят следующим образом:

U_бэ= h_11эI_б + h_12эU_кэ,

I

U_кэ

_к = h_21эI_б + h_22эU_кэ.

Физический смысл h-параметров:

• h_11э=U_бэ/I_б, при U_кэ=0 – входное сопротивление при коротком замыкании выходной цепи (h_11э=r_вх);

• h_12э=U_бэ/U_кэ, при I_б=0 – коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе во входной цепи. Характеризует внутреннюю обратную связь между входной и выходной цепями транзистора;

• h_21э=I_к/I_б, приU_кэ=0 – коэффициент передачи тока при коротком замыкании выходной цепи – один из важнейших параметров транзистора;

• h_22э=I_к/U_кэ, при I_б=0 – выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи (r_вых=1/h_22э).

Величину h-параметров можно найти экспериментально, осуществляя режимы холостого хода и короткого замыкания в соответствующих цепях. Режимы устанавливаются по переменному току.

Величину h-параметров можно найти приближенно и из статических характеристик транзистора (см. Приложение 2). Для этого выбирают положение рабочей точки на статических характеристиках транзистора, а приведенные выше уравнения четырехполюсника записывают через малые приращения напряжений и токов.

С помощью семейства выходных характеристик находят параметры h_21э и h_22э. Для этого необходимо выбрать положение рабочей точки и взять приращение ΔI_к и ΔI_б при U_кэ = const:

h_21э= ΔI_к/ ΔI_б.

Отношение приращений ΔI_к и ΔU_кэ при постоянном токе базы I_б= =const:

h_22э=ΔI_к/ΔU_кэ.

Параметры h_11э и h_12э определяются из семейства входных характеристик. На семействе устанавливается рабочая точка для того же режима, что и на выходных характеристиках. По приращению ΔU_бэ и ΔI_б при U_кэ= const находят:

h_11э= ΔU_бэ/ΔI_б.

Для определения h_12э требуется не менее двух входных характеристик. Из них находят ΔU_бэ при I_б = const, а также ΔU_кэ:

h_12э= ΔU_бэ/ΔU_кэ.

Порядок величин h-параметров для схемы с общим эмиттером представлен в следующей таблице:

Параметр	Величина
h11э	сотни Ом – единицы кОм
h12э	10^^3 – 10^^4
h21э	10-100…1000
1/h22э	единицы – десятки кОм

Используя систему h-параметров, можно определить физические параметры транзистора, которые используются для расчета электронных схем. К их числу относятся сопротивления эмиттера (r_э), коллектора (r_к)и базы (r_б), а также безразмерный коэффициент усиления по токуh_21бдля схемы с общей базой.

Сопротивление эмиттера (r_э) представляет собой сопротивление эмиттерного перехода и небольшое сопротивление эмиттерной области. Аналогично сопротивление коллектора (r_к) – сопротивления коллекторного перехода и объема коллекторной области. Сопротивление базы (r_б) – диффузионное сопротивление базы.

Основные соотношения для вычисления физических параметров по h-параметрам приведены в Упражнении 3.

Статические характеристики, h-параметры и физические параметры биполярного транзистора для схем с общей базой и общим коллектором определяются аналогично.