Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Лабораторная работа

"Исследование биполярного транзистора"

 

Цель работы: Изучение устройства и принцип действия биполярных транзисторов. Снятие статических характеристик и определение по ним параметров транзисторов.

 

Теоретическое обоснование работы

 

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n - переходами и тремя или более выводами. Он представляет собой полупроводниковый кристалл, в котором две крайние области с однотипной электропроводимостью разделены областью противоположной электропроводности. В зависимости от электропроводности этих трех областей различают транзисторы n-p-n и p-n-p типа (рис.1,а). Термин "биполярный" подчеркивает, что в работе таких транзисторов играют роль оба типа носителей зарядов - электроны и дырки. В настоящее время более распространены n-p-n транзисторы, которые и будем рассматривать ниже.

Реальные биполярные транзисторы являются ассиметричными прибораим. Их p-n - переходы существенно различаются (рис.1,б) - один из них (n1-p) имеет гораздо меньшую площадь, чем другой (n2-p). Асимметрия наблюдается и в концентрации примесей слой n1 (см. рис.1,б) имеет большую концентрацию примесей, чем слой n2. Средний слой транзистора называют базой, крайний сильно легированный слой меньшей площади (n1) - эмиттером, а слой с большей площадью (n2) - коллектором. Соответственно, n1-p - переход называют эмиттерным, а n2-p - переход коллекторным.

Конструктивно транзистор представляет собой полупроводниковый кристалл, часть поверхностей которого (базы, эмиттера и коллектора) покрывается металлической пленкой. К этим пленкам привариваются или припаиваются внешние выводы всех электродов транзистора. Сам кристалл укрепляют на кристаллодержателе и помещают в герметизированный корпус (рис.1,в), а выводы через изоляторы в дне корпуса выводят наружу. В мощных транзисторах коллектор часто непосредственно соединяют с основанием, что увеличивает рассеиваемую на нем мощность. В этом случае коллекторным выводом служит основание корпуса транзистора.

Взаимодействие между p-n переходами обеспечивается малой шириной базы w, которая у современных транзисторов не превышает 1 мкм. Основные свойства транзистора определяются процессами в его базе.

 
 

 
 

а) б)

 
 

в)

 

Рис.1. Биполярный транзистор

 

На каждый p-n переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. Соответтственно различают четыре режима работы транзистора:

режим отсечки - на оба перехода подано обратное напряжение;

режим насыщения - на оба перехода подано прямое напряжение;

активный - на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный переходобратное;

инверсный - на эмиттерный переход подано обратное

напряжение, а на коллекторный переход - прямое.

Рассмотрим работу n-p-n транзистора в активном режиме. В этом случае источник питания подключается к эмиттерному переходу в прямом направлении ("-" на эмиттере), и через эмиттерный переход проходит прямой ток. При этом из эмиттера в базу будут инжектроваться электроны, а из базы в эмиттер - дырки. Однако, так как эмиттер легирован значительно сильнее, чем база, поток электронов будет много больше и именно он будет определять процессы, происходящие в транзисторе. Инжектированные из эмиттера электроны в базе оказываются неосновными носителями зарядов и будут двигатся, главным образом, за счет диффузии, стремясь равномерно распределяться по всему объему базы.

Так как толщина базы мала, большинство электронов не успевает рекомбинировать в ней и достигает коллекторного перехода. Вдлизи коллекторного перехода поток электронов попадает под действие электрического поля этого обратно смещенного перехода. Это вызывает быстрый дрейф электронов через коллекторный переход в область коллектора, где он становятся основными носителями зарядов и легко доходят до коллекторного вывода, создавая ток во внешней цепи транзистора.

Дрейф электронов через коллекторный переход снижает их концентрацию в области базы, что создает направленную диффузию инжектируемого эмиттером потока электронов. Однако, небольшая часть электронов, инжектированных эмиттером, все же успевает рекомбинировать в область базы. Поэтому не все электроны, прошедшие через эмиттерный переход, доходят до коллекторного перехода. Вследствие этого ток коллектора Iк всегда оказываетсяменьше тока эмиттра Iэ. Рекомбинация электронов в базе вызывает соответствующий ток во внешней для базы цепи - ток базы Iб. Между токами эмиттера, коллектора и базы существует очевидное соотношение:

 

Iк = Iэ – Iб (1)

 

Для характеристики биполярного транзистора вводят два параметра: коэффициент передачи тока базы и тока эмиттера. Коэффициент передачи тока эмиттера называют отношение Iк/Iэ, которое определяет долю носителей зарядов, инжектированных в базу и достигших вследствие диффузии коллектора. Для современных транзисторов этот коэффициент близок к единице (0.900...0.997). Коэффициентом передачи тока базы называют отношение Iк/Iб, его типичное значение 100-150.

Свойства биполярного транзистора полностью определяются его вольт-амперных характеристик, которые выражают взаимосвязь между четырьмя величинами: входными и выходными токами и напряжениями. Всего таких семейств шесть, в качестве основных выбирают два - семейство входных характеристик Iвх(Uвх) и семейство выходных характеристик Iвых(Uвых). При этом вид этих характеристик транзистора зависит от схемы его включения. Различают такие схемы включения: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Очевидно, что при любой схеме включения физические процессы, происходящие в транзисторе, не меняются, но существенно меняются входные и выходные величины.

В усилительных каскадах с общим коллектором Ки = 0,9¸ 0,99. Из схемы этого каскада видно, что выходное напряжение практически совпадает по фазе с входным. Поскольку выходное напряжение усилительных каскадов с общим коллектором мало отличается от входного численно и по фазе, их часто называют эмиттерными повторителями. Так как значение КU близко к единице, входное сопротивление эмиттерного повторителя много больше входного сопротивления h11 транзистора и достигает нескольких сотен килоом.

Таким образом, эмиттерный повторитель обладает большим входным и малым выходным сопро­тивлениями. Следовательно, его коэффициент усиления по току может быть очень высоким. Эмиттерный повторитель обычно применяют для согласования высокоомного источника усиливаемого напряжения с низкоомным нагрузочным устройством.

Усилительный каскад с общей базой имеет примерно такой же коэффициент усиления по напряжению, как и в каскаде с общим эмиттером, но коэффициент усиления по току у него меньше единицы, так как выходным является коллекторный ток, а входным — эмиттерный ток, который несколько больше коллекторного тока. Таким образом, коэффициент усиления по мощности Кр = KuKI каскадов с общей базой значительно меньше, чем каскадов с общим эмиттером. Другие недостатки усилительных каскадов с общей базой — малое входное и сравнительно большое выходное сопротивления. Вследствие этого усилительный каскад с общей базой применяют очень редко.

В схеме с ОЭ (рис.2,а) входными характеристиками является семейство Iб=f(UБЭ) при UКЭ=const (рис.2,б). Выходными характеристиками транзистора в схеме с ОЭ является семейство Iк=(Uкэ) при Iб=const (рис.2,в). Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ проходят через начало координат и при Uкэ>0 не заходят в область прямого напряжения на коллекторном переходе. При небольшом положительном напряжение Uкэ зависимость Iк=(Uкэ) имеет значительную крутизну, а пологие участки практически параллельны оси абсцисс.

а)

 

 
 

б) в)

Рис.2. а) схема включения транзистора с общим эмиттером;

б) входные характеристики биполярного транзистора;

в) выходные характеристики биполярного транзистора.

 

Семейство входных и выходных характеристик биполярного транзистора содержат подробную информацию, которая при анализе транзисторных схем в ряде случаев оказывается излишней. При рассмотрении транзистора как элемента схемы при малом переменном сигнале удобнее представить его в виде четырехполюсника (рис.3,а) и описать параметрами четырехполюника.

 

 

 
 

а)

 
 

б)

в)

 

Рис.3. а) схема включения транзистора с общим эмиттером;

б) входные характеристики биполярного транзистора;

в) выходные характеристики биполярного транзистора.

 

Наиболее удобный для описания биполярного транзистора является система h - параметров:

 

Uбэ = h11 Iб + h12 Uкэ (2)

 

Iк = h21 Iб + h22 Uкэ (3)
   
h11э = DUбэ/DIб при Uкэ = const (4)

 

- параметр, имеющий размерность сопротивления, характеризующий входное сопротивление и представляющий собой отношение изменения напряжения на входе и вызвавшему его изменению входного тока в режиме короткого замыкания по паременному току на выходе транзистора; значение h11 определяется наклоном входной характеристики транзистора в режиме короткого замыкания по переменному току на выходе:

 

h12э = DUбэ/DUкэ при Iб =const (5)

 

- безразмерный параметр, характеризующий внутреннюю обратную связь между входной и выходной цепями и представляющий собой отношение изменения напряженя на выходе в режиме холостого хода во входной цепи по переменному току:

 

h21э = DIк/DIб при Uкэ = const (6)

 

- безразмерный параметр, характеризующий прямую связь по току между выходной цепями и представляющий собой отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению входного тока в режиме короткого замыкания входной цепи по переменному току;

Где параметр h21 является одним из важнейших параметров транзистора:

 

h22э = DIк/DUкэ при Iб = const (7)

 

- параметр, имеющий размерность проводимости, характеризующий выходную проводимость и представляющий собой отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению выходного напряжения в режиме холостого хода входной цепи по переменному току: значение h22 определяется наклоном выходной характеристики транзистора.

Конкретные значения h - параметров различны для различных схем включения транзистора, поэтому в схеме с ОБ и ОЭ добавляются индекс "б" и "э" соответственно.

h - параметры позволяют построить удобные для анализа эквивалентные схемы включения транзистора (с ОЭ) согласно (2) и (3) эквивалентная схема транзистора имеет вид рис.3,б, где h11э, h12э, h21э и h22э - h - параметры в схеме с ОЭ. Эту эквивалентную схему можно использовать для исследований транзисторных схем при малом переменном сигнале в широком частотном диапазоне. Для более узкого диапазона частот с учетом того, что значение h21э мало (10-3), эквивалентная схема биполярного транзистора упрощается (рис.3,в). Последней эквивалентной схемой мы и будем пользоваться при анализе усилителей.

В настоящее время транзисторы являются весьма распостраненными полупроводниковыми приборами, с помощью которых успешно осуществляются как усилительные, так и переключающие функции.

 

Порядок проведения работ

 

Для проведения лабораторной работы необходимы:

ГТ - генератор тока, ГН2 - генератор напряжения, АВМ1 - ампервольтметр, АВМ2 - расположенные на лицевой панели стенда, а также осцилограф, транзистор германиевый МП-40.

1. Собирается схема согласно лицевой панели №6 (см. рис.4).

2. Ручки регулирования ГТ установить в крайние левые положения.

Тумблер "АВМ1 - АВО" в положение "АВ0"

Тумблер "АВМ2 - МВ" в положение "АВМ2"

На осциллографе: чувствительность 0,1 В/дел

вход – открытый.

Ручки регулятора ГН2 в крайнее левое положение.

Предел измерения АВМ1 - "10 мА"

АВО - "100 мкА"

АВМ2 - "10 В"

На передней панели включить тумблер "АВО".

После проверки правильности монтажа схемы преподавателем, включить тумблер "Сеть".

 
 

Рис.4. Схема для измерения параметров биполярного транзистора.

 

3. Изменяя ток базы Iб замеряют напряжение Uбэ на переходе база-эмиттер при Uкэ = const. Данные заносят в таблицу 1.

 

4. После снятия входной характеристики ручки регулировок ГТ и ГН2 привести в исходное состояние.

5. Изменяя напряжение ГН2 от ОВ до IОВ при токах базы 0, 20, 50, 80 (мкА) замеряют ток коллектора Iк. Данные заносят в таблицу 2.

6. Ручки управления установить в исходное состояние выключить стенд, осциллограф. Отсоединить провода.

По табл. 1 и 2 построить входную и выходную характеристики транзистора МП40.

7. По входным и выходным вольт-амперным характеристикам транзистора МП40 рассчитать h - параметры: h11э; h12э; h21э; h22э.

8. Ответить на контрольные вопросы.

 

Таблица 1

 

Iб мкА
Uбэ при Uкэ = -5В              
Uбэ при Uкэ = 0В              

Таблица 2

 

Uкэ, В 1.0 2.0 3.0 4.0 6.0 8.0
Iк, мА, Iб = 0 мкА              
Iк, мА, Iб = 20 мкА              
Iк, мА, Iб = 20 мкА              
Iк, мА, Iб = 50 мкА              
Iк, мА, Iб = 80 мкА              

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое транзистор и для чего он используется?

2. Чем отличаются транзисторы типа p-n-p от транзисторов типа n-p-n?

3. Какие схемы включения транзисторов используют и их особенности?

4. Каковы соотношения между токами коллектора, эмиттера и базы?

5. Что такое h - параметры транзистора?

6. Как определить по характеристикам коэффициент усиления транзистора по току h21 в схеме с общим эмиттером?

 

 




Поиск по сайту:







©2015-2020 mykonspekts.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.