4.6. Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

- наименование, цель и программу работы;

- принципиальную схему лабораторной установки;

- описание хода выполненной работы с включением по его тексту:

- таблиц с экспериментальными данными и графики экспериментально снятых ВАХ;

- анализ полученных результатов, оформленный в виде выводов по работе.

4.7. Вопросы для самоконтроля

1. В чем заключается цель данной работы и какова программа исследований, которую нужно выполнить в ней?

2. Как снимают ВАХ исследуемых приборов?

3. Какие измерительные приборы позволяют измерить напряжения и токи излучающего диода?

4. Какие измерительные приборы позволяют измерить напряжения и токи фотодиода, фототранзистора, фототиристора?

5. Пояснить назначение переключателей VD,VS,VT,S4.

6. Как выглядят ВАХ фотодиода, фототранзистора, фототиристора?

7. Что называют темновым сопротивлением, током?

8. Что такое удельная чувствительность? Как она определяется?

9. Нарисуйте энергетическую характеристику фотодиода и объясните ее?

10. Объясните принцип действия фотодиода в фотодиодном режиме работы. Нарисуйте схему включения.

11. Объясните принцип действия фотодиода в фотогальваническом режиме работы. Нарисуйте схему включения, ВАХ.

12. Объясните принцип действия фототранзистора.

13. Объясните принцип действия фототиристора.

14. Что такое оптрон? Перечислите его достоинства и недостатки.

15. Перечислите основные типы оптопар. Нарисуйте схемное изображение.

16. Где применяются оптопары?

4.8. Рекомендованная литература

1. Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.: Энергоатомиздат, 1990.

2. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. – М.: Высш. шк., 1982.

3. Тугов Н.М. Полупроводниковые приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1990.

4. Основы промышленной электроники: Учебник / В.Г. Герасимов и др. – М.: Высш. шк., 1986.

5. Исследование статического и динамического режимов работы биполярного транзистора

5.1. Цель работы

Целью работы является получение знаний и навыков исследования биполярного транзистора в статическом и рабочем режимах, обучение навыкам экспериментального получения его основных характеристик и расчета параметров.

5.2. Программа работы

5.2.1. Ознакомиться с теорией и методом исследования характеристик и параметров транзистора с общим эмиттером, схемой лабораторной установки, назначением переключателей и измерительных приборов.

5.2.2. Исследовать статический режим работы транзистора:

а) снять семейство выходных статических характеристик;

б) снять семейство входных статических характеристик

5.2.3. Исследовать динамический режим работы транзистора при различных значениях сопротивления Rк в цепи коллектора.

5.2.4. Вычислить коэффициент усиления по току β=I_К/I_Би построить зависимость β=f(I_К).

5.2.5. Вычислить h–параметры транзистора для статического режима.

5.2.6. Используя h–параметры, вычислить коэффициенты усиления транзистора по токуKi, напряжениюKu и входное сопротивлениеR_ВХ

5.3. Статический и динамический режимы работы биполярного транзистора

Биполярный транзистор представляет собой 3-слойную структуру p-n-pилиn-p-nтипов с двумя электронно-дырочными переходами. Он служит для усиления, генерации и коммутации электрических сигналов. Структурно биполярный транзистор содержит три области с различными типами проводимостиn-p-nилиp-n-p, которые соответственно называютсяэмиттером (Э),базой(Б) иколлектором(К).P-n-переход между эмиттером и базой называютэмиттерным, между коллектором и базой –коллекторным. Взаимодействие между переходами обеспечивается благодаря тому, что расстояние между ними (толщина области базы) много меньше диффузионной длины неосновных носителей в базе.

На условном графическом изображении транзисторовp-n-pиn-p-nтипов (рис.5.1.) стрелка показывает условное (от плюса к минусу) направление тока в проводе эмиттера при прямом напряжении на эмиттерном переходе.

Существует три основные схемы включения транзистора: схема с общим эмиттером ОЭ, с общей базой ОБ и общим коллектором ОК.

Если к эмиттерному переходу подключить источник ЭДС E_Э в прямом направлении, а к коллекторному источник –E_К в обратном, то такой режим работы транзистора называетсяактивным. В этом случае сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения тока в рабочем диапазоне в этом переходе достаточно напряжения Е_Эв десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, поэтому напряжение Е_Кобычно составляет единицы или десятки вольт. Напряжения между электродами транзистора связаны зависимостью

. (5.1)

При работе транзистора в активном режиме обычно U_БЭ<<U_КБи, следовательно,U_КЭ≈U_КБ.

Рассмотрим физические процессы в активном режиме, протекающие в транзисторе p-n-p-типа включенного по схеме с ОБ (рис.5.2).

При увеличении прямого входного напряженияU_БЭпонижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттераI_Э. Дырки, инжектированные из эмиттера в базу, благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход. Так как коллекторный переход находится под обратным напряжением, то его электрическое поле способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход дырок, пришедших в базу из эмиттера, т.е. втягивает дырки в область коллекторного перехода, увеличивая ток коллектораI_К.

Так как толщина базы достаточно мала и концентрация электронов в ней невелика, то лишь небольшая часть дырок рекомбинирует в базе с электронами, образуя ток базы I_Б. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа:

. (5.2)

При изменении входного напряжения в такой схеме на ∆U_ВХ= ∆I_Э∙r_ЭБток эмиттера изменится на величину ∆I_Э, вызывая изменения коллекторного тока на ∆I_Ки выходного напряжения на ∆U_ВЫХ= ∆I_К∙R_Н. Так что коэффициент усиления по напряжению:

. (5.3)

Поскольку коэффициент усиления по току , аR_Н>>r_ЭБ, то Кu>>1. Если учесть, чтоI_К≈I_Э, то коэффициент усиления по мощности для схемы с ОБ, т.е. схема ОБ обеспечивает усиление по напряжению, мощности и не усиливает по току (α<1).

Схема с общим эмиттером (ОЭ) усиливает сигнал по напряжению, току и мощности.

Коэффициент передачи по току этой схемы .

В схеме с общим коллектором (ОК) коэффициент передачи по току ,U_ВЫХ<U_ВХ, аK_U<1, имеем усиление по току, что позволяет использовать такую схему для согласования с низкоомной нагрузкой (Zвых<<Zвх).

Следует отметить зависимость коэффициентов α, β и γ от тока I_Э (I_К). При малых значениях токаI_Эсказывается рекомбинация дырок в базе, приводящая к уменьшениюI_Ки коэффициентов α, β и γ. При значительном токеI_Эбаза насыщается носителями зарядов, выходной ток не увеличивается, поэтому α, β и γ уменьшаются. Таким образом, α, β и γ имеют экстремальный характер зависимости отI_Э (I_К).

На режим работы биполярного транзистора влияет обратный (тепловой) ток I_КБ0коллекторного перехода, экспоненциально увеличивающийся с увеличением температуры и не зависящий отU_К(см. рис.5.2). Наибольшее влияние теплового тока сказывается в схеме с ОЭ, для которой с учетом токаI_КБ0ток.

Для схемы с ОБ с учетом тока I_КБ0токI_К= αI_Э+I_КБ0.

Рис. 5.3. Схема замещения транзистора активным линейным четырехполюсником.

Для малых сигналов свойства транзистора определяются четырьмя параметрами, вывод которых основан на замене транзистора активным линейным четырехполюсником (рис.5.3).

В зависимости от схемы включения транзистора величинам U1,I1,U2,I2 будут соответствовать конкретные значения токов и напряжений. Так для схемы включения с ОЭ:U1 =U_БЭ;U2 =U_ЭК;I1 =I_Э;I2 =I_К.

В системе h-параметров в качестве независимых переменных принимают входной токI1 и выходное напряжениеU2, а токI2 и напряжениеU1 выражают через независимые:U1 =f1(I1,U2);I2 =f2(I1,U2). Для схемы с ОЭ будем иметь:

(5.4)

Коэффициенты hнаходятся по входным и выходным характеристикам транзистора:

приU_КЭ=const(∆U_КЭ= 0) - входное сопротивление при неизменном выходном напряжении;

приI_Б=const(∆I_Б= 0) – коэффициент обратной связи по напряжению при неизменном входном токе;

приU_КЭ=const(∆U_КЭ= 0) – коэффициент передачи тока при неизменном выходном напряжении;

приI_Б=const(∆I_Б= 0) – выходная проводимость при неизменном входном токе.

Все h–параметры находятся из режимов х.х. на входе и к.з. – на выходе по переменной составляющей.

Для схемы с ОЭ h–параметры находятся из характеристических треугольников, построенных на статических характеристикахI_Б=f(U_БЭ) приU_КЭ=constиI_К=f(U_КЭ) приI_Б=const(рис.5.4).

Из семейства входных характеристик находим (Рис.5.4а):

(5.5)

Из семейства выходных характеристик находим (рис.5.4б)

(5.6)

Все выше рассмотренные характеристики и параметры транзисторов относились к статическому режиму.

В рабочем режиме в цепь коллектора подключается нагрузка, поэтому ток в выходной цепи определяется как изменением входных тока и напряжения, так и напряжением коллектор – эмиттер U_КЭ. В связи с этимU_КЭ=E_К–I_К*R_Н. Это уравнение называетсявыходнойнагрузочной характеристикой, которую строят по двум точкам А и В (рис.5.5б) в координатах (I_К,U_КЭ) при заданныхR_КиE_К. Из режима х.х.:I_К= 0. ТогдаU_КЭ= Е_К(точка А). Из режима к.з.:U_КЭ= 0,(точка В). Полученная таким образом нагрузочная характеристика АВ (рис.5.5б) отражает зависимость токаI_Кколлектора от изменяющихся тока базыI_Б, и находящегося с ним в зависимости напряжения на коллектореU_КЭпри условияхE_К=constиR_Н=const. Точки пересечения линии АВ со статическими выходными характеристиками определяют значения тока коллектораI_Кпри заданном токеI_Ббазы. Так приI_Б=I_Б2токI_К=I_К2, аI_К2*R_К=E_К–U_К2.

ББ

Входная нагрузочная характеристика транзистора связывает входное напряжение U_БЭс входным токомI_Бпри неизменных Е_КиR_Н(рис.5.5). Для ее построения необходимо произвести ряд действий:

- построить нагрузочную характеристику;

- по точкам пересечения линии нагрузки АВ со статическими характеристиками определить I_БиU_КЭ;

- перенести их на семейство статических входных характеристик;

- полученные точки соединяют плавной кривой.

При напряжениях U_КЭ>0,5В динамическая входная характеристика практически совпадает со статической.

На динамической выходной характеристике задается точка покоя Р (рис.5.5,б) транзистора. При отсутствии входного сигнала ее координаты (I_К0,U_К0) определяются параметрами коллекторной цепи, зависящими от сопротивления нагрузки, а так же цепями смещения устанавливаемыми во входную цепь (на рисунках не показаны). Для смещения точки покоя Р изменяют токI_Б0и напряжениеU_БЭ0смещения во входной цепи.

Работа транзистора может происходить в четырех режимах (Рис.5.5,б), каждый из которых определяется полярностью напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах:

1) активный режим (1-Б), используемый для усиления и генерации сигналов; его получают когда эмиттерный переход смещен в прямом, а коллекторный – в обратном направлениях;

2) инверсный режим (на рисунке не показан, т.к. находится в третьем квадранте выходных характеристик), противоположный активному, при этом эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный – в прямом;

3) режим отсечки (А-1) – транзистор заперт; этот режим, используемый для коммутации электрических цепей, получают когда оба p-n-перехода смещены в обратном направлении, а в цепи коллектора протекает тепловой (обратный) токI₀;

4) режим насыщения (точка Б) - оба перехода смещены в прямом направлении, через транзистор протекает ток насыщения, ограничиваемый только сопротивлением R_К, а падение напряжения на транзисторе минимальное.

Последние два режима используются для работы транзистора в импульсном переключающем режиме.

Если транзистор представить в виде четырехполюсника (рис.5.6), то для схемы с ОЭ можно записать:

(5.7)

где: ;

Полученные уравнения позволяют определить коэффициенты усиления по току K_i, напряжениюK_uи входное сопротивлениеR_ВХ:

(5.8)

где .