«Исследование основных характеристик биполярного транзистора

»

1.Цель работы

Ознакомится с устройством, принципом действия и основными характеристиками биполярных транзисторов.

2.ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

Лабораторный стенд для снятия входных и выходных характери­стик транзисторов.

3.Теоретическая часть

Биполярным транзистором (или просто транзистором) называется полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися токами проводимости: или (рис. 1).

Рис.1 Структура и условное обозначение транзистора

Эти области разделены электронно-дырочными переходами. В биполярных транзисторах перенос тока осуществляется носителями зарядов двух типов – электронами и дырками. В униполярных (полевых) транзисторах в переносе тока принимают участие носители одного типа – электроны или дырки.

Основное назначение транзистора – выполнение функции активного элемента электронной цепи – усиление, генерирование, переключение и т.д.

В биполярных транзисторах выполнение этих функций возможно потому, что между переходами существует взаимодействие – ток одного из переходов может управлять током другого. Область транзистора, расположенная между переходами, называется базой. Область транзистора, основным назначением который является инжекция носителей в базу, называется эмиттером (от латинского слова emitto – выпускать). Область транзистора основным назначением, которой является экстракция носителей из базы, называется коллектором. Для того, чтобы транзистор мог выполнять свои задачи, к переходам должны быть подключены определённые напряжения. Эмиттерный переход транзистора ( переход между эмиттером и базой) должен быть включен в прямом направлении; коллекторный переход ( переход между базой и коллектором) – в обратном.

К роме того, усилительные свойства транзистора зависят от способа включения транзистора в электрическую схему. На рис.2 приведено включение транзистора с общей базой.

Рис.2 Включение с общей базой

Для получения усиления сигнала входная цепь, должна содержать эмиттерный переход, выходная цепь, на которой появляется усиленный сигнал, выделенный на нагрузке , должна содержать коллекторный переход. База является общей для обеих цепей.

Схема с общей базой приведена на рис2а.

Рис.2а Схема с общей базой

На рис.3а приведена схема с общим эмиттером.

Рис.3а Схема с общим эмиттером

В качестве входной цепи используется цепь базы; в качестве выходной – цепь коллектора. Эмиттер является общим для обеих цепей.

На рис.3б приведена схема с общим коллектором. Входной цепью является цепь базы, выходной – цепь эмиттера. Коллектор является общим для обеих цепей.

Рис.3б Схема с общим коллектором

Основными параметрами транзистора в любой схеме включения являются:

- коэффициент усиления по току;

- коэффициент усиления по напряжению;

- коэффициент усиления по мощности;

– входное сопротивление, оно должно быть большим, что бы падение напряжения от входного сигнала полностью происходило на входном сопротивлении транзистора.

– выходное сопротивление; оно должно быть малым, чтобы усиленный выходной сигнал полностью выделялся на нагрузке.

– максимальная частота усиления (генерации).

Сравнительные величины параметров транзисторов в трёх схемах включения приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Параметр	Схема включения
	Общая база	Общий эмиттер	Общий коллектор
	<1
			<1
	Ом	Ом	КОм
	MOм	КОм	Ом
	В β раз выше ОЭ,ОК

По усилению наилучшими параметрами обладает транзистор в схеме сообщим эмиттером, однако схема с общей базой широко применяется на повышенных частотах, при которых схема с общим эмиттером не работает. Схема с общим коллектором также обладает существенным достоинством – большим входным и малым выходным сопротивлением. Схемотехник выбирает конкретную схему в соответствии с решаемой задачей.

4.ПРИНЦИП РАБОТЫ

Принцип работы поясним на схеме включения транзистора в схеме с общей базой. На рис.4 показана вольтамперная характеристика эмиттерного перехода при отключённом коллекторе.

Рис.4 Вольтамперная характеристика эмиттерного перехода

Эта характеристика прямо смещённого перехода. Ток обусловлен встречным движением (диффузией) основных носителей. Эмиттерный переход делают резко несимметричным. Эмиттер гораздо сильнее легирован, концентрация носителей в нем больше, и он способен инжектировать в слаболегированную базу большое число носителей (которые в базе становятся неосновными). Эта способность очень важна для работы транзистора. Но в данном случае одного эмиттерного перехода количество электронов, вводимых в базу от источника, «провоцирует» поступление из эмиттера равного количества дырок, которые все рекомбинируют в области базы.

На рис.5 показана вольтамперная характеристика коллекторного перехода при отключённом эмиттере.

Рис.5 Вольтамперная характеристика коллекторного перехода

Эта характеристика обратно смещенного перехода. Ток обусловлен встречным движением (диффузией) неосновных носителей. Любая дырка, появившаяся в базе на расстоянии от перехода меньшем диффузионной длины, подхватывается сильным полем обратно смещённого перехода и выносится из базы в коллектор. Но их в базе мало, обратный ток не велик и быстро насыщается .

Н

=25мА

а рис.6 показана вольтамперная характеристика коллекторного перехода при совместном включении обоих переходов.

Рис.6 Выходные характеристики

Электроны, поступающие в базу от источника, попрежнему «провоцируют» поступление дырок из эмиттера. База транзистора делается очень тонкой; её толщина гораздо меньше диффузионной длины дырок, и основная часть дырок, не успев прорекомбинировать с электронами базы, попадают в область коллекторного перехода и сильным полем выбрасываются в коллектор.

Коллекторный ток складывается из обратного тока перехода (тока насыщения ) и тока дырок, поступивших в коллектор из эмиттера. Вторая составляющая во много раз больше. Тогда (1)

Где – коэффициент переноса,определяющий долю дырок, которые переносятся (благодаря процессу диффузии) через базу от эмиттера к коллектору.

С другой стороны (2) – дырки вышедшие из эмиттера, или рекомбинируют в базе ( ), или уходят в коллектор ( ).

Из (1) и (2) следует:

(3),

Где - коэффициент усиления транзистора по току.

При , ;

При (что вполне достижимо), ;

Итак, ток, поступивший в базу транзистора, вызывает появление в эмиттерной и коллекторной цепях тока, в десятки, сотни и даже тысячи раз большего.

КРАТКИЕ ИТОГИ

Токи, протекающие через электроды транзистора, связаны между собой. Ток одного перехода может управлять током другого.

Для того чтобы ток транзистора был значительным, эмиттер сильно легирован (относительно базы) и может инжектировать в базу большое количество носителей (для базы они неосновные).

Толщину базы делают небольшой по сравнению с диффузионной длиной неосновных носителей заряда, что снижает потери на рекомбинацию в объеме базы (и увеличивает - коэффициент перехода).

Размеры коллектора делают такими, чтобы он мог перехватить весь поток носителей, идущих от эмиттера, т.е. площадь коллекторного перехода больше площади эмиттерного перехода.

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА

Усиление тока.

- коэффициент усиления по току;

Для схемы ОБ: .

Для схемы ОЭ: .

Для схемы ОК: .

Усиление мощности, напряжения

- коэффициент усиления по мощности;

Мощность выражается через квадрат тока или квадрат напряжения:

В первом случае

_,

Следовательно

Во втором случае:

, .

Следовательно

.

Где - коэффициент усиления по напряжению

Т.к. величина мощности не зависит от способа её вычисления, то

, откуда .

Выходное сопротивление

Для примера вычислим схемы с общей базой (Рис.2).

Второе правило Кирхгофа для замкнутой входной цепи:

так как .

Основные параметры транзисторов в трёх схемах включения приведены в таблице 1.

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5.1 ОПИСАНИЕ ЭСПЕРИМЕНТА

В данной работе снимается семейство входных характеристик (рис.7) и семейство выходных характеристик (рис.8) транзистора в схеме с общей базой.

В этом случае входной вольт-амперной характеристикой является зависимость тока эмиттера от напряжения эмиттер-база . Характеристика снимается при постоянном напряжении коллекторного перехода . Снятые при различных значениях характеристики рисуются на одном графике, образуя семейство входных характеристик.

Рис.7 Входные характеристики

Выходной вольт-амперной характеристикой является зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-база . Характеристика снимается при постоянном токе эмиттера . Снятые при различных значениях характеристики рисуются на одном графике, образуя семейство выходных характеристик.

Рис.8 Семейство выходных характеристик

Для проведения измерений используется устройство в виде одного блока, лицевая панель которого представлена на рис. 9

Рис.9 Лицевая панель

На лицевой панели блока находятся: вольтметр (3), измеряющий напряжения на эмиттером переходе транзистора; амперметр (2), измеряющий ток эмиттера; вольтметр (5), измеряющий напряжение на коллекторном переходе; амперметр (6), измеряющий ток коллектора. Ниже перечисленных измерительных приборов находится регулятор напряжения эмиттерного перехода (1) и регулятор напряжения коллекторного перехода (7).

Принципиальная схема блока представлена на рис.10

Рис.10 Принципиальная схема блока

В качестве транзисторов используются германиевые или кремневые транзисторы средней мощности.

5.2 ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ ВХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

1.Включить сетевой тумблер (4).

2.Регулятор напряжений вывести в крайнее левое положение.

3.Установить напряжение коллекторного перехода, являющегося параметром семейства входных характеристик, .

4.Вращая ручку регулятора напряжений эмиттерного перехода , снять зависимость тока от напряжения .

5.Полученные данные записать в таблицу 2.

Таблица 2.

(А)
(В)

6.Повторить пункты 2÷4 при напряжение

7.Полученные данные записать в таблицу 2(а), аналогичную

таблице 2.

5.3 ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

1.Регулятор напряжений вывести в крайнее левое положение.

2.Регулятором установить ток эмиттера, являющийся параметром семейства выходных характеристик, .

3.Вращая ручку регулятора напряжения коллекторного перехода , снять зависимость тока коллектора от напряжения .

Полученные данные занести в таблицу 3.

Таблица 3.

(А)
(В)

Повторить пункты 1÷3 ещё 3 раза, выставив, , , .

Полученные данные занести в таблицы 3(а), 3(б),3(в), аналогичные таблице 3.

6 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

По результатам измерений (таблицы 2, 2(а)) построить семейство входных характеристик. По характеристике снятой при , оценить сопротивление эмиттера .

По результатам измерений (таблицы 3,3(а),3(б),3(в)) построить семейство выходных характеристик. По одной из средних характеристик оценить сопротивление коллектора .

7 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Структура биполярного транзистора. Назначение эмиттера, коллектора.

2.Напряжения эмиттерного и коллекторного переходов.

3.Схемы включения транзисторов в электрической цепи.

4.Основные параметры транзистора.

5.В результате чего получаются усилительные свойства транзистора.

6.Почему база транзистора делается тонкой.

7.Что такое коэффициент переноса , коэффициент усиления транзистора по току .

Список литературы:

1.Савельев И.В. Курс общей физики, т.3 М: «Науке» 2002.

2.Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А.Д. Полупроводниковые приборы. М: « Высшая школа» 1981.

3.Колонтаевский Ю.Ф. Радиоэлектроника. М: «Высшая школа» 1988.