Экспериментальная часть

Экспериментальная часть лабораторной работы предусматривает определение ВАХ и основных параметров стабилитронов. Исследуется два разных полупроводниковых стабилитрона.

В работе используются специальный лабораторный стенд, который содержит измерительные приборы и реостат.

При экспериментальном определении основных характеристик стабилитронов необходимо следить, чтобы величины токов и напряжений не превышали предельных значений.

1. Собрать схему, используя лабораторный стенд (рис. 3) для определения ВАХ стабилитрона. На вход схемы подается постоянное напряжение от внешнего источника питания. К клеммам 1 и 2 подключается исследуемый прибор.

Рис. 3. Схема для определения параметров стабилитрона:

где V - вольтметр с пределами измерения 50 В; mА - миллиамперметр с пределом измерения 500 мА; R_р – реостат.

2. Определить зависимость между током и напряжением при прямом и обратном включении стабилитрона. Измерения для каждого включения проводить не менее 10 раз. На участке стабилизации необходимо измерить не менее 5 точек. Результаты занести в таблицу 1.

Таблица 1.

Uпр, В
Iпр, тА
Uобр, В
Iобр, тА

3. Построить вольтамперную характеристику стабилитрона.

4. Определить минимальный ток и напряжение стабилизации.

5. Определить дифференциальное сопротивление стабилитрона на участке стабилизации.

Контрольные вопросы

1. Объяснить принцип работы стабилитрона.

2. Назвать основные параметры стабилитрона.

3. Какая полярность подключения к источнику питания стабилитрона?

4. Для чего нужен резистор в схеме параметрического стабилизатора?

Лабораторная работа №4 биполярный транзистор

Цель работы: изучение устройства, принципа действия, основных характеристик и параметров биполярных транзисторов. Измерение входных и выходных характеристик биполярных транзисторов.

Теоретическая часть

Б иполярный транзистор является полупроводниковым прибором, предназначенным для усиления мощности электрических сигналов. Он состоит из трех чередующихся слоев полупроводника с электропроводностью разного типа. На границе раздела слоев образуется два р-n - перехода. В зависимости от характера электропроводности внешних слоев различают транзисторы типа р-n-р (рис.1) и n-р-n (рис.2). На рисунках также приведены условные обозначения транзисторов этих типов.

Внутреннюю область транзистора, разделяющую р‑n - переходы, называют базой. Внешний слой транзистора, предназначенный для инжекции (добавления) носителей заряда в базу, называют эмиттером, а р-n - переход П1, примыкающей к эмиттеру - эмиттерным. Другой внешний слой, предназначенный для экстракции (вытягивания) носителей заряда из базы, называют коллектором, а переход П2 - коллекторным.

Основные процессы, протекающие в биполярном транзисторе, рассмотрим на примере транзистора типа р-n-р (рис.3).

Рис. 3. Включение и структура транзистора р-п-р – типа.

Если на эмиттерный р-n - переход подается напряжение в прямом направлении, то создаются условия для инжекции основных носителей заряда (введение дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер). Так как в транзисторах концентрация акцепторных примесей в эмиттере во много раз больше концентрации донорных примесей в базе, поток дырок из эмиттера в базу значительно больше потока электронов из базы в эмиттер. Следовательно, при встречном перемещении основных носителей заряда (дырок и электронов) произойдет только их частичная рекомбинация и в базе появится избыток дырок, который образует ток эмиттера I_Э.

В результате инжекции дырок из эмиттера в базе возникает градиент (перепад) концентрации дырок, что приводит к их диффузионному перемещению во всех направлениях, в том числе и к коллекторному р-n -переходу. Дырки в базе являются неосновными носителями заряда. Дрейф дырок по базе к коллектору играет второстепенную роль. При перемещении через базу неосновных носителей заряда (дырок) их концентрация частично уменьшается за счет рекомбинации с электронами, поступающими в базовую цепь от источника Е_Э. Поток этих электронов образует базовый ток I_Б. Так как толщина базы W_Б транзисторов составляет единицы микрон, то большая часть дырок вследствие диффузии достигает коллекторного р-n - перехода, захватывается его полем и перебрасываются в коллектор, где они рекомбинируют с электронами поступающими от источника питания Е_К. При этом в коллекторной цепи проходит ток I_К замыкая общую цепь тока. Для токов транзистора справедливо соотношение:

I_Э=I_Б+I_К. (1)

Перенос тока из эмиттерной цепи в коллекторную характеризуется коэффициентом передачи тока  (или статическим коэффициентом усиления по току). Это отношение приращения выходного тока к входному:

, при U_КБ = const. (2)

Коэффициент передачи определяется при R_К = 0, т.е. при постоянном напряжении коллектор база. Он у современных транзисторов достигает 0,95-0,99 и более. Поэтому I_Б = (0,05 - 0,01) I_К и I_К =(0,95-0,99)I_Э.

С учетом уравнений (1) и (2) связь между входным и выходным токами транзистора определяется соотношением:

I_К=I_Э . (3)

Изменение тока входной цепи (эмиттерного) вызывает соответствующее изменение тока в выходной цепи (колектороного). Поскольку эмиттерный р-n - переход включен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном, входное напряжение влияет на коллекторный ток значительно сильнее чем выходное. На этом свойстве и основано усилительное действие транзистора.

Коэффициент передачи тока  для рассмотренного включения меньше единицы, а коэффициенты усиления по напряжению K_U и по мощности К_Р могут достигать больших значений. При прямом включении эмиттерного перехода его сопротивление переменному току R_ВХ составляет несколько десятков Ом, а сопротивление коллекторного перехода при обратном включении достигает сотен кОм. Поэтому в выходную цепь транзистора можно включать большое сопротивление нагрузки R_К >> R_ВХ. Коэффициент усиления по напряжению определяется по формуле:

. (4)

Коэффициент усиления мощности определяется:

. (5)

Следует отметить, что при разомкнутой цепи эмиттера (I_Э = 0) в цепи коллектор - база проходит тепловой неуправляемый ток насыщения коллекторного р-n - перехода, смещенного в обратном направлении. Его называют обратным током коллектора I_КБо. Поэтому полное выражение для тока коллектора с учетом уравнения (3) имеет вид

I_К =· I_Э +I_КБо. (6)

Принцип работы транзистора типа n-р-n отличается от принципа работы транзистора типа р-n-р тем, что напряжения, приложенные для его нормального включения, имеют противоположную полярность, а неосновными носителями зарядов в базе являются свободные электроны.

К ак элемент электрической цепи, транзистор обычно используется такими образом, что 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 - сопротивление нагрузки. 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. 4).

Рис. 4. Схемы включения транзистора:

а - с общей базой; б - с общим эмиттером; в - с общим коллектором.

Для схемы с ОБ, общим электродом которой для входной и выходной цепей является база транзистора, характерно усиление по напряжению и мощности. Однако эта схема не усиливает тока, поскольку входным током является ток эмиттера I_Э, а выходным - ток коллектора I_К, в соответствии с (1) I_К = I_Э - I_Б < I_Э.

В схеме с ОЭ входным является ток базы I_Б, выходным - ток коллектора I_К, а эмиттер является общим электродом для входной цепей транзистора. Как и для схемы с ОБ, коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ (коэффициент передачи тока эмиттера) определяется отношением выходного тока к входному:

, при U_КЭ = const, (7)

где  – коэффициент передачи по току для схемы с ОЭ.

Подстановка в формулу (7) значения тока базы I_Б = I_Э - I_К и деление числителя и знаменателя на I_Э, позволяет получить выражение

. (8)

При изменении  от 0,95 до 0,99 коэффициент  изменяется в диапазоне от 20 до 100. Схема обладает также усилением по напряжению и по мощности значительно большим, чем схема с ОБ.

Схема включения транзисторов с общим коллектором на практике широкого распространения не нашла.

Основные свойства транзисторов для различных схем включения можно определить с помощью статических вольтамперных характеристик (ВАХ), которые подразделяются на входные и выходные.

Зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора при постоянном напряжении между коллектором и базой U_КБ называется входной характеристикой транзистора I_Э = f (U_БЭ) в схеме с ОБ (рис. 5а). Входная характеристика слабо зависит от напряжения между коллектором и базой U_КБ, так как электрическое поле, вызванное наличием этого напряжения почти не захватывает область р-n - перехода.

Рис. 5. Характеристики биполярного транзистора для включения с ОБ:

а - входные характеристики; б – выходные характеристики.

Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и базой транзистора при постоянном токе эмиттера называется семейством его выходных характеристик I_К =f (U_БК) при I_Э = const. Выходные характеристики выражают зависимость тока коллекторного р-n - перехода от приложенного напряжения в обратном направлении (рис. 5б). Ток коллектора при I_Э = 0 называю начальным или нулевым. Его небольшая порядка десятков мкА величина определяется концентрацией неосновных носителей тока в базе и коллекторе. При появлении тока эмиттера I_Э > 0 и изменении U_КБ («-» для р-n-р и «+» для n-р-n транзисторов) выходная характеристика смешается вверх. Увеличение тока коллектора объясняется диффузией носителей, проникающих от эмиттера через базу к коллектору. Величина тока коллектора I_К почти не зависит U_КБ, так как перемещение носителей тока, проникающих через базу к коллектору происходит за счет диффузии. Влияние ускоряющего поля коллектора на движение этих носителей практически не сказывается.

Вольтамперные характеристики схемы с ОЭ несколько отличаются от вида характеристик в схеме с ОБ. Входная характеристика как и в предыдущем случае имеет вид вольтамперной характеристики р-n -перехода включенного в прямом направлении (рис. 6). При подаче на коллектор напряжения (U_КЭ < 0 для р-n-р и U_КЭ > 0 для р-n-р) эта характеристика смещается вниз и вправо. Это значит, что уменьшение (увеличение) потенциала коллектора в зависимости от типа полярности соответствует уменьшению тока базы I_Б при постоянном значении напряжения U_БЭ. Такое явление объясняется действием обратной связи в транзисторе. Часть напряжения U_КЭ оказывается приложенной к переходу база-эмиттер. Во внешней цепи это напряжение действует навстречу напряжению источника питания, подключенного к этому переходу и приводит к уменьшению тока базы.

а б

Рис. 6. Характеристики биполярного транзистора для включения с ОЭ:

а - входные характеристики; б – выходные характеристики.

На выходных характеристиках в схеме с ОЭ начальный участок, расположенный в области небольших коллекторных напряжений, проходит круто, затем при возрастании величины напряжения U_КЭ. характеристики приобретают вид кривых, наклон которых больше, чем для схемы с ОБ.

С помощью вольтамперных характеристик определяются входные и выходные сопротивления, коэффициенты усиления транзисторов. Характеристики используются также для задания режимов работы транзисторных каскадов и графического анализа их работы.

Входное сопротивление биполярного транзистора определяется по входной характеристике

R_BX= ΔU₁ /ΔI₁, при U₂ = const.

где U₁ - напряжение на входе транзистора; I₁ - ток во входной цепи транзистора.

В схеме с ОБ U₁ = U_ЭБ, I₁ = I_Э, U₂ = U_КБ.

В схеме с ОЭ U₁ = U_БЭ, I₁ = I_Б, U₂ = U_КЭ.

Параметры транзисторов, полученные из характеристик, могут быть использованы для расчетов только в диапазоне низких частот, где их можно считать чисто активными и не зависящими от частоты.