Л.Р.№3 иссл. БТ

Лабораторная работа № 3

«Исследование биполярного транзистора».

Цель работы — снятие и анализ входных и выходных характеристик биполярного транзистора БТ, используя включения с общей базой ОБ (рис. 1,а) и с общим эмиттером ОЭ (рис. 1,б). Определение по построенным характеристикам графоаналитическим способом h-параметров.

Пояснения. Биполярные транзисторы являются наиболее универсальными и распространёнными полупроводниковыми приборами, предназначенными для усиления и генерирования электрических колебаний, и имеют трехслойную p – n – p или n – p – n структуру (рис. 2. а, 6). Каждый слой имеет вывод, название которого совпадает c названием слоя или области транзистора. Среднюю область транзистора называют базой, а крайние — эмиттером и коллектором. Эти транзисторы получили название биполярных потому, что перенос тока в них осуществляется носителями заряда двух типов: электронами и дырками.

Биполярный транзистор имеет два p-n-перехода — эмиттерный П1 и коллекторный П2 и два запирающих слоя с контактными разностями потенциалов Uп1 и Uп2, обусловливающих напряженности Еп1 и Еп2 электрических полей в них. Ширина переходов l₀₁ и l₀₂, ширина базовой области l_б.

В зависимости от выполняемых функций тран­зистор может работать в трех режимах:

а) активный режим (режим усиления);

б) режим отсечки (запертое состояние БТ);

в) режим насыщения (полностью открытое состояние БТ).

а) БТ структуры p – n – p, включение ОБ

б) БТ структуры p – n – p, включение ОЭ

Рис. 1

Рис. 2

а)

б) в) г)

Рис. 3

а) б) в)

Рис. 4

а) б)

Рис. 5

В активном режиме транзистор работает в уси­лителях, когда требуется усиление электрических сигна­лов с минимальным искажением их формы. Данный режим соответствует режиму включения, который называется “нормальный”. При нормальном режиме включения на эмиттерный переход транзистора подают внешнее напряжение в пря­мом направлении, а на коллекторный — в обратном (рис. 3,а, включение ОБ). Основные носители эмиттера под действием напряжения Uэб преодолевают эмиттерный переход, а им навстречу движутся основные носители базы, которых значительно меньше, поскольку концентрация примеси в базе мала.

Для биполярного транзистора прямой проводимости (структуры p – n – p), в котором основными носителями заряда являются дырки, при “нормальном” его включении в схему часть дырок эмиттера рекомбинируют с элек­тронами базы вблизи перехода П1, а остальные инжек­тируются (впрыскиваются) в базовую область. На пути к коллекторному переходу часть дырок эмиттера рекомбинируют с электронами базы (в реальных транзисторах от 0,1 до 0,001 количества носителей заря­да, покинувших эмиттер). Остальные дырки достигают коллекторного перехода, на который подано обратное напряжение Uбк и с ускорением перебрасываются в кол­лектор полем перехода П2. Таким образом, ток Iэ основных носителей, покидаю­щих эмиттер, частично теряется в переходе П1 и базе на рекомбинацию, эти потери составляют ток базы Iб. Остальная его часть достигает коллектора, где рекомби­нирует с электронами, поступающими в него из внешней цепи в виде тока Iк. Уход дырок из эмиттера восполняет­ся генерацией пар электрон-дырка в эмиттерной области и отводом электронов во внешнюю цепь в виде тока Iэ. Расход электронов базы на рекомбинацию компенси­руется их притоком в виде тока Iб.

Для биполярного транзистора обратной проводимости (структуры n – p – n) при “нормальном” включении внутренние физические процессы протекают аналогично, но основными носителями заряда в БТ являются не дырки, а электроны.

Токи транзистора, работающего в активном режиме, связаны уравнением

Iэ = Iк + Iб, которое можно перепи­сать в приращениях: ∆Iэ = ∆Iк + ∆Iб. Таким образом, при появлении переменной составляющей входного тока транзистора (в рассматриваемом случае это ток эмитте­ра) появляется переменная составляющая выходного (коллекторного) тока. Если в цепь коллектора включить резистор, то падение напряжения Uвых на нем окажется значительно больше переменного напряжения Uвх вход­ного сигнала, т. е. транзистор усиливает входной сигнал (рис. 3,б).

В активном режиме транзистор управляется в любой момент времени процесса усиления, т. е. каждому изменению входного сигнала соответствует изменение выходного.

В режиме насыщения (рис. 3,в) на оба пере­хода транзистора подается прямое напряжение. При этом в базу инжектируются потоки основных носителей эмит­тера и коллектора и сопротивление промежутка коллек­тор — эмиттер транзистора резко уменьшается. В этом режиме транзистор не управляется. Режим насыщения используют в тех случаях, когда необходимо уменьшить почти до нуля сопротивление цепи, в которую включен транзистор.

В режиме отсечки (рис. 3,г) оба перехода транзистора закрыты, так как на них подаются обратные напряжения. В этом режиме транзистор обладает боль­шим сопротивлением. Обратные токи эмиттерного Iэб₀ и коллекторного Iкб₀ переходов малы (особенно у крем­ниевых транзисторов).

При включении биполярного транзистора в электри­ческую схему образуется две цепи: управляющая и уп­равляемая. Учитывая, что биполярный транзистор имеет только три электрода, то рассматривая его как 4-х полюсник всегда один электрод будет входным, один выходным, а один будет общим для входного и выходного сигналов. По тому, какой электрод является общим для входной и выходной цепи, различают три схемы включения тран­зисторов: с общей базой ОБ (рис. 4,а), общим эмиттером ОЭ (рис. 4,б) и общим коллектором ОК (рис. 4,в). В управляющей цепи действует входной сиг­нал, который подают на эмиттер (при включении ОБ) или базу (при включении ОЭ или ОК). В уп­равляемой коллекторной цепи (при включении ОБ или ОЭ) или в эмиттерной (при включении ОК) форми­руется выходной сигнал, поступающий затем на вход следующего каскада или в нагрузку. Для ра­счета транзисторных схем используют два семейст­ва вольт-амперных характеристик: входные и выход­ные.

Входные характеристики транзистора (в виде семейства) показывают за­висимости тока входного электрода от напряжения меж­ду ним и общим электродом при различных постоянных напряже­ниях на выходном электроде:

Iвх = f(Uвх) при Uвых = const.

Для схемы с ОБ это зависи­мость тока эмиттера от напряжения между ним и базой при постоянном напряжении на коллекторе относительно базы (рис. 5,а). При включении с общим эмиттером ОЭ входными характеристиками будут зависимости тока базы от напряжения на базе относительно эмиттера при постоянных напряжениях на коллекторе относительно эмиттера. Для БТ структуры p – n – p аналитическая зависимость входной характеристики при включении ОБ будет иметь вид:

Iэ = f(Uэб) при Uбк = const.

При включении ОЭ для БТ той же проводимости аналитическая запись входных характеристик примет следующий вид:

Iб = f(Uэб) при Uэк = const.

При использовании БТ обратной проводимости (структуры n – p – n) аналитическая запись входных характеристик вид не изменит, но полярности источников питания на переходах необходимо изменить на противоположные.

Выходные характеристики транзистора (в виде семейства) показывают зависимость тока выходного электрода от напряжения между ним и общим электродом для ряда значений постоянных токов входного электрода:

Iвых = f(Uвых) при Iвх = const

Для схемы с ОБ это зависимости тока кол­лектора от напряжения между ним и базой при постоянных значениях тока эмиттера (рис. 5,б). Применительно к транзистору структуры p – n – p:

Iк = f(Uбк) при Iэ = const.

Примечание: При указании напряжения (к примеру Uаб), приложенного к двум точкам, обязательно необходимо учитывать полярность этого напряжения. Запись Uав указывает, что “а” соответствует положительной полярности напряжения U, а “в” соответствует отрицательной полярности того же U.

Соответственно: Uав = −Uва.

В режиме усиления малых сигналов, когда нелиней­ностью ВАХ можно пренебречь, транзистор структуры p – n – p, включенный с ОБ, эквивалентно представляют в виде линейного четырехполюсника (рис. 6), входные и выходные пара­метры которого связаны следующими уравнениями:

∆Uэб = h_11б ∙∆Iэ + h_12б∙∆Uбк;

∆Iк = h_21б ∙ ∆Iэ + h_22б∙∆Uбк.

Рис. 6 а) б)

в) г)

Рис. 7

Физический смысл h-параметров транзистора состоит в следующем:

h_11б — входное сопротивление в режиме короткого замыкания на выходе;

h_12б — коэффициент внутренней обратной связи в ре­жиме холостого хода на входе:

h_21б — коэффициент передачи тока в режиме корот­кого замыкания на выходе;

h_22б — выходная проводимость транзистора в режиме холостого хода на входе.

Рассчитывают h-параметры для схемы с ОБ по фор­мулам:

h_11б = ∆Uэб /∆Iэ при Uбк = const; (1)

h_12б =∆Uэб /∆Uбк при Iэ = const; (2)

h_21б = ∆Iк /∆Iэ при Uбк = const; (3)

h_22б = ∆Iк /∆Uбк при Iэ =const. (4)

Аналитический расчет h-параметров сложен и неточен. Намного проще их получают измерением или по ВАХ.

Для определения h_11б на входной характеристике, соответствующей среднему значению коллекторного напряжения, обозначают рабочую точку А (р.т) транзис­тора (рис. 7, а), которая задается средними значениями входного тока Iэ_р.т и входного напряжения Uэб_р.т. Через рабочую точку А (р. т) проводят касательную и строят треугольник BCD. Затем, используя формулу (1), находят

h_11б = BD/CD = ∆Uэб /∆Iэ.

Для определения h_12б необходимо построить две вход­ные характеристики для двух значений напряжения на выходном электроде (рис. 7,б). Через рабочую точку А (р. т) проводят линию Iэ = const, что соответствует холостому ходу на входе транзистора по переменному току. Точки пересечения характеристик и этой линии проецируют на ось Uэб и определяют ∆Uэб. Затем, ис­пользуя формулу (2), находят h_12б, приняв ∆Uбк = ∆Uбк2 - ∆Uбк1.

Для определения h_21б семейство выходных характе­ристик в области рабочей точки пересекают линией Uбк = const, что соответствует короткому замыканию по переменному току на выходе транзистора (рис. 7,в). Затем по формуле (3) находят h_21б, графически опреде­лив ∆Iк и вычислив ∆Iэ = Iэ2 - Iэ1.

Для определения h_22б (рис. 7, г) снимают выходную характеристику для тока эмиттера Iэ_р.т в рабочей точке, а затем находят ∆Iк и ∆Uбк и по формуле (4) рассчитывают h_22б.

Расчёт h- параметров биполярного транзистора при его включении по схеме ОЭ аналогичен расчёту для включения с ОБ, но исходная система уравнений, описывающая БТ как 4-х полюсник, из-за смены зависимых и независимых параметро примет другой вид. Для примера на рис. 8 представлены характеристики и особенности графоаналитического расчёта h- параметров для БТ структуры n – p – n:

∆Uбэ = h₁₁∆Iб + h₁₂∆Uкэ

∆Iк = h21∆Iб + h22∆Uкэ

Физический смысл h – параметров БТ при включении ОЭ аналогичен включению ОБ. Расчёт h – параметров БТ обратной проводимости для включения ОЭ выполняют по следующим формулам:

h_11э = ∆Uбэ /∆Iб при Uкэ = const; (5)

h_12э =∆Uбэ /∆Uкэ при Iб = const; (6)

h_21э = ∆Iк /∆Iб при Uкэ = const; (7)

h_22э = ∆Iк /∆Uкэ при Iб =const. (8)

а) б)

в) г)

Рис. 8

Для определения h_11э проводят через рабочую точку А (р. т), касательную к входной характеристике и строят треугольник BCD (рис. 8, а). Тогда, согласно формуле (5),

h_11э = BD/CD = ∆Uбэ /∆Iб.

Для определения h_12э выбирают две входные характеристики, снятые при двух значениях напряжений между коллектором и эмиттером (рис. 8,б), и проводят через точку А (р.т) линию Iб = const, соответствующую холостому ходу на входе транзистора. Затем точки пересечения этой линии с характеристиками проецируют на ось Uбэ, определяют ∆Uкэ = ∆Uкэ₂ - ∆Uкэ₁, находят ∆Uбэ и рассчитывают h_12э по формуле (6).

Для определения h_21э, семейство выходных характеристик вблизи точки А (р.т.) пересекают линией Uкэ = const (рис. 8, в), что соответствует короткому замыканию на выходе транзистора. Затем по формуле (7) рассчитывают h_21э определив графически ∆Iк и ∆Iб как разность Iб₂ – Iб₁.

Для определения h_22э выбирают из семейства выход­ную характеристику, снятую при Iб_р.т.. Находят приращение тока коллектора ∆Iк, вызванное приращением напряжения ∆Uкэ на нём при постоянном токе базы (рис. 8, г) и по формуле 8 рассчитывают h_22э.

Рабочая точка транзистора в схеме с ОЭ характеризуется следующими параметрами: Iб _р.т., Uбэ _р.т., Iк _р.т. и Uкэ _р.т.

Порядок выполнения работы

1. Получить от преподавателя указание на тип испытуемого транзистора (прямой проводимости p-n-p, или обратной проводимости n-p-n)

2. На наборном поле стенда собрать схему для снятия входных характеристик для заданного типа БТ при включении его с общей базой ОБ, используя требуемые функциональные модули и измерительные приборы, согласно Рис. 9

Рис. 9

3. Начертить схему электрическую принципиальную для снятия входных характеристик биполярного транзистора заданной структуры при включении его с ОБ, указав на ней требуемые полярности источников на входе и выходе. Транзистор VT1 изобразить по ГОСТу. Вычертить табл. 1 для снятия входных характеристик транзистора при включении его по схеме ОБ, обратив внимание на правильное обозначение аргумента (Uэб или Uбэ) и постоянного параметра (Uкб или Uбк).

Таблица 1

Значение элементов схемы R1÷R4 и устанавливаемые пределы измерительных приборов PA1, PV1, PV2		R1=100 кOм, R2=50 кОм, R3=0 Ом, R4=100 Oм; PA1 – 2 mA, PV1 – 2 B, PV2 – 2 B					R1=10 кOм, R2=50 кОм, R3=0 Ом, R4=100 Oм; PA1 – 2 mA, PV1 – 2 B, PV2 – 20 B			R1=1 кOм, R2=1 кОм, R3= 0 Ом, R4=100 Oм; PA1 – 20 mA, PV1 – 2 B, PV2 – 20 B
Uкб = 0 В	Iэ, мА	0	0,01	0,05	0,1	0,5		1,0	5,0		10,0
	Uэб, В
Uкб = 2 В (требуемой полярности)	Iэ, мА	0	0,01	0,05	0,1	0,5		1,0	5,0		10,0
	Uэб, В
Uкб = 10 В (требуемой полярности)	Iэ, мА	0	0,01	0,05	0,1	0,5		1,0	5,0		10,0
	Uэб, В

4. Регулируя потенциометром R2 напряжение на входе транзистора и поддерживая регулятором источника (-15 В…0…15 В) неизменным напряжение на выходе, снять (согласно табл. 1) входные характеристики для заданного транзистора:

Iвх = f(Uвх) при Uвых = const.

Вычертить координатные оси для построения входных характеристик транзисто­ра (масштаб по осям: Iэ - в 1 см 1 мА, Uэб (или Uбэ) - в 1 см 0,1 В) и построить характеристики по данным табл. 1 в единой системе координат.

5. На наборном поле стенда собрать схему для снятия выходных характеристик для заданного типа БТ при включении его с общей базой ОБ, используя требуемые функциональные модули и измерительные приборы, согласно Рис. 10

Рис. 10

6. Начертить схему электрическую принципиальную для снятия выходных характеристик биполярного транзистора заданной структуры при включении ОБ, указав на ней требуемые полярности источников на входе и выходе. Транзистор VT1 изобразить по ГОСТу. Вычертить табл. 2 для снятия выходных характеристик заданного транзистора при включении ОБ, обратив внимание на правильное обозначение аргумента (Uкб или Uбк) .

Таблица 2

Значение элементов схемы R3, R4 и устанавливаемые пределы измерительных приборов PA2, PV1			R3=0 Ом, R4=100 Oм
			Прямая полярность на коллекторном переходе (П2)									*		Обратная полярность на переходе (П2)
			Ток инжекции			*		Ток экстракции
			PA2 - 20 mА PV1 – 2 B					PV1 – 2 B								PV1 – 20 B
								Предел измерений для PA2 соответствует пределу для PA1
Iэ = 0,1 мА, R1=100 кОм, R2=50 кОм, PA1 – 2 mA	Uкб, В	0,77		0,7	?		0,5		0,3	0,1	0		-1		-3		-5	-10	-14
	Iк, мА				0
Iэ = 0,5 мА, R1=10 кОм, R2=50 кОм, PA1 – 2 mA	Uкб, В	0,77		0,7	?		0,5		0,3	0,1	0		-1		-3		-5	-10	-14
	Iк, мА				0
Iэ = 1 мА, R1=10 кОм, R2=50 кОм, PA1 – 2 mA	Uкб, В	0,77		0,7	?		0,5		0,3	0,1	0		-1		-3		-5	-10	-14
	Iк, мА				0
Iэ = 5 мА, R1=1 кОм, R2=10 кОм, PA1 – 20 mA	Uкб, В	0,77		0,7	?		0,5		0,3	0,1	0		-1		-3		-5	-10	-14
	Iк, мА				0
Iэ = 10 мА, R1=1 кОм, R2=1 кОм, PA1 – 20 mA	Uкб, В	0,77		0,7	?		0,5		0,3	0,1	0		-1		-3		-5	-10	-14
	Iк, мА				0

7. Изменяя регулятором источника (-15 В…0…15 В) напряжение на выходе схемы и поддерживая потенциометром R2 постоянным ток входа (согласно табл. 2) снять выходные характеристики для заданного транзистора:

Iвых = f(Uвых) при Iвх = const.

Вычертить координатные оси для построения выходных характеристик транзисто­ра при включении БТ по схеме ОБ, используя масштабы по осям: Iк - в 1 см 1 мА, Uкб (или Uбк) - в 1 см 1 В и построить характеристики по данным табл. 2 в единой системе координат.

8. На наборном поле стенда собрать схему для снятия входных характеристик для заданного типа БТ при включении его с общим эмиттером ОЭ, используя требуемые функциональные модули и измерительные приборы, согласно Рис. 11

Рис. 11

9. Начертить схему электрическую принципиальную для снятия входных характеристик биполярного транзистора заданной структуры при его включении по схеме ОЭ, указав на ней требуемые полярности источников на входе и выходе. Транзистор VT1 изобразить по ГОСТу. Вычертить табл. 3 для снятия входных характеристик транзистора при включении его по схеме ОЭ, обратив внимание на правильное обозначение аргумента (Uэб или Uбэ) и постоянного параметра (Uкэ или Uэк).