МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
"МАТИ" - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. К.Э. ЦИОЛКОВСКОГО
_____________________________________________________________
Кафедра "Электроника и информатика"
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
Методические указания к лабораторной работе по курсу "Электротехника и электроника"
Составители:
А.И. Высоцкий, А. В. Позднев, А.А. Пяткин, М.Н. Румянцева
Москва 2005г.
Введение
Методические указания к лабораторной работе по исследованию статических характеристик и параметров биполярных транзисторов написаны применительно к учебной программе «Электротехника и электроника» для студентов всех специальностей.
Продолжительность лабораторных работ 4 часа.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучить свойства. конструкцию, принцип работы, схемы включения и режимы работы биполярного транзистора;
экспериментально и теоретически исследовать входную и выходную характеристики биполярного транзистора, определить по характеристикам "h" параметры.
2. Методика выполнения работы
2.1. Принцип работы биполярного транзистора
Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, предназначенный для преобразования или генерации электрических сигналов, а представляющий собой трехслойную структуру с двумя встречно включенными p-n переходами.
Термин "биполярный" подчеркивает роль обоих носителей заряда - электронов и дырок - в создании тока через прибор. Различают транзисторы двух типов: p-n-p (рис.2.la) и n-p-n (рис.2.1б).
,
Сдан из крайних слоев (рис.2.1). например левый, называется эмиттером (сильно легированный одой о меньшей площадью). Эмиттер (Э) служит источником носителей заряда (электронов или дырок). Прилегающий к эмиттеру переход П1 называют эмиттерным. Правый слой называется коллектором (слабо легированный слой о больней площадью). Коллектор (К) принимает носители заряда, поступающие от эмиттера через базу. Переход П2 прилегающий к коллектору, называют коллекторным. Центральный слой - база (Б) - имеет значительно меньшую по сравнению о эмиттером и коллектором концентрацию примесных атомов.
На эмиттерный переход П1 подается прямое напряжение, поэтому даже при небольших напряжениях через П1 проходят большие токи. На коллекторный переход П2 подается обратное напряжение. Оно обычно в несколько раз выше напряжения на П1.
На рис. 2.2а и 2.2б показано графическое изображение транзисторов на схемах, соответственно типов p-n-p и n-p-n.
Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на примере p-n-p транзистора (рис. 2.3а,б).
На рис. 2.3а эмиттерный ток Iэ = 0, так как приложено только обратное напряжение к коллекторному переходу П2, я в транзисторе создается только начальный коллекторный ток Iкo через переход П2, обусловленный неосновными носителями.
,
Ток Iko(10 - 100)мкА для германиевых транзисторов а Iko (0,1 - 10)мкА для кремниевых транзисторов. При повышения температуры число неосновных носителей заряда возрастает, и Iko увеличивается.
При подключении эмиттера к положительному зажиму источника питания Еэ (рис.2.30) возникает эмиттерный ток Iэ. Тазе как внешнее напряжение приложено к переходу П1 - в прямом напряжении, дырки преодолевают его и попадают в область базы, где частично рекомбинируют с ее электронами, образуя базовый ток Iб.
Поскольку базу выполняют из полупроводника с малой концентрацией примеси, лишь небольшое число дырок, попавших в область базы, рекомбинируют с ее электронами, а в основном, дырки вследствие теплового движения (диффузии) и под действием поля коллектора (дрейф) достигают коллектора, образуя в коллекторной цепи ток Iк.
Связь между коллекторным и эмиттерным токами характеризуется коэффициентом передачи тока
Так как , коэффициент передача тока всегда меньше единицы. Дня современных биполярных транзисторов
Токи в транзисторе связаны соотношениями:
(2.2)
(2.3)
где - неуправляемый тепловой ток.
2.2. Схемы включения биполярных транзисторов
При использовании транзистора в усилительных устройствах один из его электродов является входным, а другой - выходным. Третий электрод является общим относительно входа и выхода. В цепь входного электрода включается источник входного переменного сигнала, а в цепь выходного - нагрузка.
В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) (рис. 2.4-2.6).
Для анализе работы этих схем пользуются следующими показателями:
- коэффициент усиления (передачи) по току:
(2.4)
- коэффициент усиления по напряжению:
(2.5)
- входное сопротивление:
(2.6)
Схема с общей базой
где ,,,- приращения входного и выходного токов и напряжений.
(2.7)
(2.8)
где -входное сопротивление транзистора для схемы с общей базой.
Схема имеет малое входное сопротивление
(2.9)
и большое выходное сопротивление
. (2.10)
Схема с общей базой не дает усиления по току, но обладает наибольшей термостабильностью.
Схема с общим эмиттером
(2.11)
(2.12)
т.к.(2.13)
значительно больше, чем для схемы с общей базой. Малая величина управляющего (входного) тока и наибольшие значения коэффициента усиления по мощности обусловили широкое применение этой схемы.
(2.14)
Недостатком этой схемы является ее низкая термостабильность.
На практике используют схему, эквивалентную схеме с общим коллектором. Схема с общим коллектором
(2.15)
(2.16)
где .
Эта схема обладает малым выходным и большим входным сопротивлением, не дает усиления по напряжению и используется для согласования отдельных ступеней усиления.
Режимы работы транзисторов
Каждая из схем включения транзистора характеризуется тремя режимами, зависящими от полярности напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах.
Режим отсечки (закрытое состояние) .
Нормальный активный режим (режим усиления) .
Режим насыщения (открытое состояние) .
3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ И ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
Перед работой студент должен ознакомиться с инструкцией по технике безопасности и расписаться в журнале по технике безопасности. Работа выполняется под руководством преподавателя или лаборанта. Категорически запрещается производить включение приборов или осуществлять какую-либо коммутацию при включенном источнике питания.
Исследуемый транзистор смонтирован на панели №1 I универсального лабораторного стенда ЭВЧ.
Питание входной и выходной цепей транзистора осуществляется через делители от источника постоянного напряжения 12В путем подключения зажимов "-12B", "0'" транзистора (на панели № 1) к аналогичным зажимам на стенде (на горизонтальной панели). Измерение напряжений входной и выходной цепей производится с помощью цифровых вольтметров В7-22А.
Для измерения входного и выходного токов на панели № 1 предусмотрен миллиамперметр. Для регулировки напряжений и токов транзистора используются потенциометры. Включение стенда и подача напряжения осуществляется кнопками на стенде.
Монтажная электрическая схема для снятия характеристик транзистора показана на рис. 3.1.
В данной работе исследуется транзистор типа p-n-p по схеме включения с общим эмиттером. В этом случае входными и выходными токами и напряжениями являются соответственно: токи и, напряженияи.