МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Методичні вказівки до виконання

лабораторної роботи № 4

Дослідження характеристик біполярного транзистора

ВНТУ Вінниця 2008

1. Мета роботи:

• визначення коефіцієнта передачі транзистора по постійному струмі;

• одержання вхідної характеристики транзистора в схемі з загальним емітером;

• одержання сімейства вихідних характеристик транзистора в схемі з загальним емітером;

• установка робочої точки транзисторного каскаду з загальним емітером.

2. Відомості, необхідні для виконання роботи

Перед початком роботи корисно ознайомитися з наступними питаннями:

• пристрій і принцип роботи біполярного транзистора [1, с. 42-48];

• основні характеристики біполярного транзистора [1, с. 44-51, 73-82];

• схеми включення біполярного транзистора і режими його роботи [1, с. 182-190];

• особливості роботи транзистора в режимі малого сигналу [1, с. 188-190].

Напівпровідниковий прилад, що має три електроди і два взаємодіючих p-n-переходи, називається біполярним транзистором. У залежності від послідовності чергування областей з різним типом провідності розрізняють p-n-p-транзистори і n-p-n-транзистори. Їхні умовні позначення приведені на рис. 4.1.

Біполярні транзистори, як правило, виготовляються з кремнію, германія чи арсеніду галію. За технологією виготовлення біполярні транзистори поділяються на сплавні, дифузійні і епітаксіальні.

Рис. 4.1. Умовні позначення і будова транзисторів р-п-р (а, б) і п-р-п (в. г) типів (показано зміщення переходів транзисторів при роботі в лінійному режимі)

В основному біполярні транзистори застосовуються для побудови схем підсилювачів, генераторів і перетворювачів електричних сигналів у широкому діапазоні частот (від постійного струму до десяти гігагерц) і потужності (від десятків міліватів до сотень ватів). Відповідно до цього біполярні транзистори поділяються на групи по частоті (низькочастотні – не більше 3 МГц; середні частоти – від 3 МГц до 30 МГц; високочастотні – від 30 МГц до 300 МГц, надвисокочастотні – більше 300 МГц) і по потужності (малопотужні – не більше 0,3 Вт; середньої потужності – від 0,3 Вт до 1,5 Вт; великої потужності – більше 1,5 Вт).

Різновидом біполярних транзисторів є лавинні транзистори, призначені для формування потужних імпульсів наносекундного діапазону.

Інший різновид біполярних транзисторів представляють двоемітерні модуляторні транзистори, у яких конструктивно об'єднані дві транзисторні структури.

Широке поширення в останні роки одержали складені біполярні транзистори (транзистори Дарлингтона), що мають дуже високим коефіцієнтом передачі струму.

У залежності від полярності напруг, прикладених до електродів транзистора, розрізняють наступні режими його роботи: лінійний (підсилювальний), насичення, відсічка й інверсний.

У лінійному режимі роботи біполярного транзистора емітерний перехід прямозміщений, а колекторний – під зворотнім зміщенням. У режимі насичення обидва переходи прямозміщені, а в режимі відсічки – обидва переходи під зворотнім зміщенням. І нарешті, в інверсному режимі колекторний перехід прямозміщений, а емітерний — під зворотнім зміщенням. Крім розглянутих режимів, можливий ще один режим, що є неробочим, а аварійним, — це режим пробою.

Принцип роботи біполярного транзистора заснований на можливості керування струмами електродів шляхом зміни напруг, прикладених до електронно-діркових переходів. У лінійному режимі, коли перехід база-емітер відкритий завдяки прикладеній до нього напруги U_бе через нього протікає струм бази І_б. Протікання струму бази приводить до інжекції зарядів з області колектора в область бази, причому струм колектора визначається виразом:

(4.1) де – статичний коефіцієнт передачі струму бази.

Прямий спад напруги U_бе на емітерному переході зв'язаний зі струмом колектора рівнянням Еберса-Молла:

(4.2) де – зворотний струм колекторного переходу, а – температурний потенціал, що при температурі Т = 300 К складає для кремнію приблизно 25 мВ.

З виразу (4.2) випливає, що при прямому зміщені емітерного переходу і за умови U_бе > , струм колектора зростає з ростом напруги U_бе по експонентному законі:

(4.3) де U_бе < – контактна різниця потенціалів.

Найважливішими характеристиками транзистора є його вхідна і вихідні вольт-амперні характеристики. Типові ВАХ біполярного транзистора приведені на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Вхідна (а) і вихідні (б) ВАХ біполярного ранзистора

Крім ВАХ, розглядають статичний коефіцієнт передачі струму, коефіцієнт передачі струму, диференціальний вхідний опір. Значення цих характеристик залежать від схеми включення транзистора. На рис. 4.3 приведена схема включення біполярного транзистора зі зворотною провідністю (n-p-n типу) за схемою з загальним емітером. Для такої схеми справедливо наступне співвідношення між струмами:

(4.4)

Розглянемо основні характеристики біполярного транзистора.

Рис. 4.3. Включення біполярного транзистора за схемою з загальним емітером

Статичний коефіцієнт передачі струму β_DC визначається як відношення струму колектора І_К до струму бази І_Б:

(4.5)

Коефіцієнт передачі струму β_АC визначається збільшенням ΔІ_К колекторного струму до його збільшення ΔІ_Б базового струму:

(4.6)

Диференціальний вхідний опір r_і транзистора в схемі з загальним емітером визначається при фіксованому значенні напруги колектор-емітер. Вона може бути знайдена як відношення збільшення напруги база-емітер до викликаного ним збільшення струму бази:

(4.7)

Використовуючи отримані раніше параметри транзистора, диференціальний вхідний опір r_ВХ можна визначити по формулі:

(4.8)

де r_Б – розподілений опір базової області напівпровідника;

r_Е – диференціальний опір переходу база-емітер, обумовлений з виразу: r_Е = 25/І_Е, а І_Е – постійний струм емітера в міліамперах.

Перший доданок у виразі (4.8) багато менше другого, тому ним можна знехтувати. Тоді:

(4.9)

Рис. 4.4. Установка робочої точки за допомогою стабільного базового струму

Біполярні транзистори найчастіше використовуються в підсилювальних каскадах. На рис. 4.4 зображений типовий транзисторний каскад із загальним емітером. Режим роботи біполярного транзистора в такому каскаді визначається силою базового струму. Для того щоб базовий струм був стабільний, база з'єднується з джерелом напруги E_Б через високоомний опір R_Б.

Для визначення режиму роботи транзисторного каскаду зручно побудувати лінію навантаження на вихідній характеристиці транзистора. Даний спосіб дозволяє описати поводження транзистора у всіх основних режимах роботи, а саме: насичення, підсилення і відсічка.

Режим насичення має місце у випадку, коли струм колектора не керується струмом бази. Ця ситуація виникає за умови β_DC ·І_Б > І_КН, де І_КН – струм насичення колектора. Значення цього струму визначається опором R_К у ланці колектора і напругою джерела живлення Е_К:

(4.10)

Режим насичення характеризується низьким спадом напруги колектор-емітер (біля 0,1 В). Для переводу транзистора в цей режим необхідно, щоб через базу транзистора протікав струм, більший, ніж струм насичення бази І_БН:

(4.11)

Для того щоб базовий струм став рівним струму насичення, опір резистора R_Б варто вибрати рівним:

(4.12)

У режимі підсилення струм колектора менше струму насичення, і для його обчислення можна скористатися рівнянням лінії навантаження ланки колектора:

(4.13)

Робоча точка транзисторного каскаду

Робоча точка транзисторного каскаду в статичному режимі задається струмом бази і напругою на колекторі.

Базовий струм транзистора в схемі (рис. 4.4) визначається як струм через опір у ланці бази R_Б:

(4.14)

Він може бути також визначений як точка перетинання вхідний ВАХ транзистора і лінії навантаження ланки бази (точка 1 на рис. 4.5а).

Струм колектора визначається точкою перетинання лінії навантаження ланки колектора і вихідної характеристики транзистора (точка 1 на рис. 4.5б.)

Рис. 4.5. Визначення робочої точки транзистора по вхідній (а) і вихідній (б) характеристиках

Значення струму колектора можна обчислити по формулі:

(4.15)

Напруга колектор-емітер визначається з рівняння лінії навантаження ланки колектора:

(4.16)

У режимі відсічки струм колектора дорівнює нулю і не створює на резисторі R_К спаду напруги. Отже, напруга U_КЕ максимальна і дорівнює напрузі джерела живлення Е_К. Даний режим відповідає точці 2 на рис. 4.5б.