42

Лабораторная работа № 55

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Цель работы:

1. Изучить устройство и принцип действия биполярного транзистора.

2. Снять и построить графики семейств входных и выходных вольт-амперных характеристик транзистора на постоянном токе.

Теоретическое введение

Биполярный транзистор  (или просто транзистор) представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности и служащий для усиления мощности электрического сигнала. Также транзистор широко используется в качестве электронного ключа. Структуры и условные графические изображения транзисторов представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структуры биполярных транзисторов и их условные графические изображения:

а) p-n-p транзистор,

б) n-p-n транзистор.

Обозначения: Э - эмиттер,

Б - база, К - коллектор

Центральная область транзистора, расположенная между электронно-дырочными (р-n) переходами, называется базой (рисунок 1). Крайние области одноименного типа проводимости делают неодинаковыми. Одну из областей изготовляют так, чтобы из неё наиболее эффективно происходила инжекция (впрыскивание) носителей в базу (эмиттерная область и соответственно эмиттерно-базовый переход), а другую - так, чтобы она наилучшим образом осуществляла экстракцию (вытягивание) инжектированных носителей из базы (коллекторная область и соответственно коллекторно-базовый переход). Это достигается введением соответствующего количества примесей в области эмиттера (сильно легированная область, n_э  ≈  10²⁰ см^-3) и коллектора (слабо легированная область, n_к ≈ 10¹⁴÷10¹⁵ см^-3). Взаимосвязь между эмиттерным и коллекторным переходами обеспечивается малой толщиной базовой области (у современных транзисторов она составляет единицы и даже доли микрон).

Каждый из р-n переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

1) режим отсечки - оба перехода закрыты, при этом ток через транзистор практически отсутствует;

2) режим насыщения - оба перехода открыты, через транзистор течет максимальный ток;

3) активный режим - один из переходов (обычно эмиттерный) открыт, другой (коллекторный) закрыт.

В режиме отсечки и в режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. Эти два режима используются в цифровых схемах (транзистор открыт - логический "ноль", транзистор закрыт - логическая "единица"). В активном режиме осуществляется эффективное управление выходным током транзистора путем подачи соответствующего потенциала на базовую область. При этом транзистор выполняет функции активного элемента электрической схемы, осуществляя усиление либо генерирование колебаний, различные преобразования сигнала и т.д.

Различают три схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК) (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схемы включения транзистора:

а) с общей базой;

б) с общим эмиттером;

в) с общим коллектором.

Общим называют электрод, относительно которого измеряют и задают напряжение на других электродах; он включен как во входную, так и в выходную цепи транзистора.

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ), представленная на рисунке 3, позволяет раскрыть физику работы транзистора.

Рисунок 3 - Схема включения транзистора с общей базой, иллюстрирующая физику работы транзистора.

Через эмиттерный переход, смещенный с помощью источника Е_э в пропускном направлении, происходит инжекция носителей в базу. Часть инжектированных носителей рекомбинирует в базе с основными носителями заряда базы. Большинство же инжектированных носителей (95 ÷ 99)% пересекает базу, доходит до коллекторного перехода, смещенного источником Е_к в обратном направлении и создаёт ток коллектора. Таким образом, I_к = (0,95÷ 0,99)∙I_э, а ток базы значительно меньше как тока эмиттера, так и тока коллектора: I_б = I_э - I_к = (0,05÷0,01)∙I_э.

Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение U_~вх, получим в цепи коллектора переменный ток, а на нагрузочном сопротивлении R_к - переменное напряжение U_~вых. Величина усиления сигнала k = U_~вых / U_~вх  достигает значительной величины (до 1000), т. к. выходное сопротивление R_вых закрытого коллекторного перехода много больше входного сопротивления R_вх открытого эмиттерного перехода, а I_вых ≈ I_вх. Соответственно мощность сигнала, получаемого на выходе, много больше мощности подводимого сигнала: U_вых ∙I_вых >> U_вх ∙I_вх. Это усиление достигается за счёт энергии источника питания, включённого в цепь коллектора (Е_к >>Е_э).

На практике схема с общей базой применяется довольно редко в силу присущих ей недостатков (отсутствие усиления по току, малое входное сопротивление). Главную роль в транзисторной технике играет схема с ОЭ (рисунок 2б).

Для описания свойств транзистора используют два семейства статических входных и выходных вольт-амперных характеристик. В схеме ОЭ семейством входных характеристик будут зависимости I_б = f(U_бэ ) при U_кэ = const, (рис. 4а) семейством выходных - I_к = f(U_кэ ) при I_б = const (рис.4б).

Рисунок 4 - Семейства статических характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ):

а) входные х-ки;

б) выходные х-ки.

При U_кэ = 0 входная характеристика проходит через начало координат, при U_кэ ≠ 0 - смещается вниз, то есть происходит уменьшение тока базы при одинаковых значениях входного напряжения U_бэ. Это связано с существованием небольшого по величине обратного тока перехода коллектор-база, направление которого противоположно направлению тока перехода эмиттер-база. При этом ток базы становится равным нулю при некотором значении напряжения U'_бэ , отличном от нуля, а при U_бэ < U'_бэ входные статические характеристики заходят в четвертый квадрант (рисунок 4а).

Выходной ток коллектора I_к в широком диапазоне напряжений изменяется мало, его величина определяется током базы I_б (рисунок 4б). При малых напряжениях U_кэ коллекторный ток изменяется очень резко. Это связано с тем, что при U_кэ < U_бэ‌ напряжение, приложенное к переходу коллектор-база U_кб = U_кэ - U_бэ становится отрицательным; при этом переход оказывается включенным в прямом направлении, и коллектор перестает выполнять свою функцию собирания инжектированных из эмиттера носителей.

Важной характеристикой транзистора является его коэффициент усиления по току К_I =ΔI_вых/ΔI_вх. В схеме ОЭ К_I  = ΔI_к /ΔI_б при U_кэ = const. Эту величину можно определить из рисунка 4б для некоторого напряжения U'_кэ. Для этого проведем линию, параллельную оси ординат и возьмем на ней две точки, принадлежащие разным характеристикам. Изменение выходного тока ΔI_к  = I_к3 - I_к2 равно разности ординат в соответствующем масштабе, изменение входного тока  ΔI_б = I_б3 - I_б2; численные значения I_б3, I_б2 обычно указываются на соответствующих характеристиках.

Описание установки и методики исследований

Установка (рисунок 5) содержит исследуемый транзистор VT типа МП41 (р-n-р), включенный по схеме с общим эмиттером. Входная (база-эмиттер) и выходная (коллектор-эмиттер) цепи питаются соответственно от источников ИП1 и ИП2 и подключаются к ним ключами S1 и S2. Регулирование напряжения в цепи базы и коллектора осуществляется потенциометрами R1 и R3; измерение токов и напряжений осуществляется приборами РА1 и РV1 для входной цепи; РА2 и РV2 – для выходной цепи.

Рисунок 5 – Схема установки для исследования транзистора

Входные характеристики при U_к = const снимаются при различных значения U_к (0; -5; -10 В). Выходные характеристики при I_б = const снимаются при различных значениях I_б (25, 50, 75, 100 мкА).

Порядок выполнения работы

Ознакомиться со схемой установки и определить цену деления и пределы измерения приборов РА1 и РV1.

ЗАДАНИЕ 1. Снятие входных характеристик

1. Проверить положение тумблеров S1, S2, S3 и регуляторов напряжения R1, R2. Тумблеры должны быть выключены, регуляторы находиться в левом крайнем положении.

2. Включить стенд тумблером S3. При этом должна загореться сигнальная лампа Е, расположенная над тумблером.

3. Включить тумблер S1 и снять зависимость , при U_к = 0, изменяя напряжение на базе через 25 мВ. Результаты занести в таблицу 1.

4. Включить коллекторную цепь тумблером S2 и повторить снятие входных характеристик при значениях U_к = -5 В и U_к = -10 В. С помощью потенциометра R3 поддерживать U_к = const в процессе снятия характеристики. Результаты также занести в таблицу 1.

Примечание: Значения U_б, U_к могут быть уточнены преподавателем.

Таблица 1 - Зависимость при U_к = const

Iб, мкА	Uк, В	Uб, мВ
		0	25	50	75	100	125	150	175	200
	0
	-5
	-10

5. Построить графики семейства входных характеристик для различных значений U_к.

ЗАДАНИЕ 2.

1. Установить ток базы I_б = 25 мкА. Снять зависимость при I_б = 25 мкА, изменяя напряжение на коллекторе через 1 В. Поддерживать I_б = const в процессе снятия характеристики. Результаты занести в таблицу 2.

2. Повторить снятие выходных характеристик при значениях I_б = 50 мкА и I_б = 75 мкА.

Примечание: Значения I_б, U_к могут быть уточнены преподавателем.

Таблица 2 - Зависимость при I_б = const

Iк, мА	Iб, мкА	Uк, В
		0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	25
	50
	75
	100

3. Построить графики семейства выходных характеристик для различных значений I_б.

4. Объяснить вид полученных зависимостей и причину различия кривых каждого семейства.