4. Содержание отчёта

4.1. Схема исследования.

4.2. Таблицы, графики и расчётные параметры.

4.3. Вывод по результатам каждого исследования.

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

5.1. Для чего используются стабилитроны?

5.2. В чём отличие стабилитрона от выпрямительного диода?

5.3. Почему и при каких условиях стабилитрон проводит ток в прямом, и обратном направлениях?

5.4. Какие виды пробоев Вы знаете?

5.5. Каковы основные параметры стабилитрона и как их экспериментально определить?

5.6. Примеры использования стабилитронов в электронных схемах.

Лабораторная работа № 3

«Исследование биполярного транзистора

ПО СХЕМЕ с общим эмиттером»

Цель работы: снятие и анализ входных и выходных вольт-амперных характеристик транзистора, включенного с общим эмиттером (ОЭ); определение по ним hпараметров.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Биполярные транзисторы являются наиболее универсальными и распространёнными полупроводниковыми приборами, предназначенными для усиления и генерирования электрических колебаний. Они имеют трёхслойную структуру pnpилиnpn(рис. 3.1). Каждый слой имеет вывод, название которого совпадает с названием слоя или области транзистора. Среднюю область транзистора называют «базой», а крайние«эмиттером» и «коллектором».

Транзисторы получили название «биполярные» потому, что перенос тока в них осуществляется носителями заряда двух типов: электронами n и дырками p. Обычно концентрации носителей в областях различны и выполняются условия n_э  p_б и n_э  n_к (для транзистора n-p-n-типа).

Биполярный транзистор имеет два p-n-перехода  эмиттерный «ЭП» и коллекторный «КП», и два запирающих слоя с контактными разностями потенциалов _к и _э, обусловливающих напряжённости Е_К и Е_Э электрических полей в них.

В зависимости от выполняемых в схеме функций транзистор может работать в четырёх режимах: активном, насыщении, отсечки и инверсном.

В активном режиме транзистор работает в усилителях, когда требуется усиление электрических сигналов с минимальным искажением их формы, при этом на эмиттерный переход подают внешнее напряжение U_БЭ в прямом направлении, а на коллекторный переход в обратном. Механизм образования токов в транзисторе заключается в следующем: основные носители эмиттера n_Э под действием напряжения U_БЭ преодолевают эмиттерный переход, а им навстречу движутся основные носители базы p_Б, которых значительно меньше, поскольку концентрация примеси в базе мала. При этом в эмиттерной цепи появляется ток I_э = I_nэ + I_pб. Электроны n_Э, инжектированные в базовую область, вследствие градиента концентрации, продвигаются к коллекторному переходу через базу. По пути следования некоторые из них рекомбинируют с дырками p_Б базы (в реальных транзисторах от 0,1 до 0,001 количества носителей заряда, покинувших эмиттер). Остальные электроны n_Э, инжектированные в базу, достигают коллекторного перехода, на который подано обратное напряжение U_КБ, поэтому они с ускорением перебрасываются в коллектор полем перехода Е_К и во внешней цепи коллектора появляется ток I_K  I_nэ.

Таким образом, основные носители эмиттера - электроны, образующие ток I_Э, частично теряются в ЭП и в области базы (рекомбинируют с дырками). Эти потери составляют ток базы I_Б. Остальная их часть достигает коллектора, где рекомбинирует с дырками поступающими из внешней цепи в виде тока I_к. Уход электронов из эмиттера восполняется генерацией пар электрон  дырка в эмиттерной области и отводом дырок во внешнюю цепь в виде тока I_э. Расход базы на рекомбинацию компенсируется их притоком в виде тока I_б. Следовательно, в транзисторе протекают три тока:

I_Э = I_nЭ + I_pБ  ток основных носителей эмиттера и базы;

I_Б = I_pБ + I_nЭрек  I_КО, где I_pБ  ток основных носителей базы, I_nЭрек - ток рекомбинации электронов эмиттера в толще базы и I_КО  тепловой ток обратносмещённого коллекторного перехода;

I_К = I'_nЭ + I_КО, где I'_nЭ  ток перенесённый из эмиттера в коллектор.

Токи транзистора, работающего в активном режиме, связаны уравнением I_Э = I_К + I_Б, которое можно переписать в приращениях: I_Э = I_К + I_Б. Таким образом, при появлении переменной составляющей входного тока (в рассматриваемом случае это ток базы), появляется переменная составляющая выходного (коллекторного) тока, который во много раз больше тока базы. Если в цепи коллектора включить резистор, то падение напряжения U_ВЫХ на нём окажется значительно больше переменного напряжения U_ВХ входного сигнала, т.е. транзистор усиливает входной сигнал.

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

В режиме насыщения на оба перехода транзистора подаётся 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 используется в тех случаях, когда необходимо уменьшить (почти до нуля) сопротивление цепи, в которую включен транзистор. Этот режим используется в цифровых схемах, как одно из устойчивых состояний электронного ключа.

В режиме отсечки оба перехода транзистора закрыты, так как на них подают обратное напряжение. В этом режиме транзистор обладает большим сопротивлением. Обратные токи эмиттерного I_ЭБО и коллекторного I_КБО переходов малы (особенно для кремниевых транзисторов). Этот режим также используется в цифровых схемах, как второе устойчивое состояние электронного ключа.

В инверсном режиме эмиттерный переход заперт, а коллекторный отперт. Это режим обратный активному, а функции эмиттерной и коллекторной области меняются. Однако, параметры инверсного и активного режимов существенно отличаются изза асимметрии областей.

При включении биполярного транзистора в электрическую схему образуется две цепи: управляющая и управляемая. В управляющей цепи действует входной сигнал, который обычно подают на базу. В управляемой цепи (эмиттерной или коллекторной) формируется выходной сигнал, поступающий затем на вход следующего каскада или в нагрузку. Третий электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей.

Широко распространены три схемы включения транзисторов:

- с общей базой;

- с общим эмиттером;

- с общим коллектором.

Для расчёта транзисторных схем используются два семейства вольтамперных характеристик: входные и выходные.

Входные ВАХ транзистора показывают зависимости тока входного электрода от напряжения между ним и общим электродом при постоянном напряжении на выходном электроде. Для схемы с ОЭ это зависимость тока базы от напряжения между базой и эмиттером при постоянном напряжении на коллекторе (рис. 3.2, а):

I_Б = f(U_ЭБ) при U_КЭ = const.

Выходные характеристики транзистора показывают зависимость выходного тока от напряжения I_ВЫХ = f(U_ВЫХ). Для схемы с ОЭ эти характеристики имеют вид (рис. 3.2, б):

I_К = f(U_КЭ) при I_Б = const.

В режиме усиления малых сигналов транзистор, включенный с ОЭ, эквивалентно представляют в виде линейного четырёхполюсника (рис. 3.3), входные и выходные параметры которого, связаны следующими уравнениями:

U_БЭ = h_11ЭI_Б + h_12ЭU_КЭ;

I_К = h_21ЭI_Б + h_22ЭU_КЭ,

где коэффициенты h₁₁, , h₂₂ и являются параметрами транзистора.

Физический смысл h-параметров и формулы для их расчёта:

h_11Э = U_БЭ /I_Б, [Ом] при U_КЭ = const  входное сопротивление транзистора;

h_12Э = U_БЭ /U_КЭ при I_Б = const  коэффициент обратной связи;

h_21Э = I_К /I_Б при U_КЭ = const  коэффициент усиления транзистора по току.

h_22Э = I_К /U_КЭ, [1/Ом] при I_Б = const  выходная проводимость транзистора.

Hпараметры легко могут быть определены по входным и выходным характеристикам для выбранной рабочей точки. Методика их определения поясняется на рис. 3.4 и заключается в следующем:

а) для определения h_11Э в окрестности рабочей точки (РТ) «А» (рис. 3.4, а) берут приращение напряжения U_БЭ и соответствующее ему приращение тока I_Б, затем определяют h_11Э = U_БЭ/I_Б;

б

Рис. 3.4

) для определенияh_12Э выбирают две входные характеристики, снятые при двух значениях напряжения между коллектором и эмиттером (рис. 3.4, в) и проводят через РТ «А» линию I_Б = const, соответствующую холостому ходу на входе транзистора. Затем точки пересечения этой линии с характеристиками проецируют на ось U_БЭ, определяют U_КЭ = U_КЭ2  U_КЭ1. Находят соответствующее приращение U_БЭ и рассчитывают коэффициент обратной связи по напряжению h_12Э = U_БЭ /U_КЭ;

в) для определения h_21Э семейство выходных характеристик вблизи РТ «А» пересекают линией U_КЭ = const (рис. 3.4, б), что соответствует короткому замыканию на выходе транзистора. Затем определяют графически I_К и I_Б как разность I_Б2  I_Б1 и рассчитывают h_21Э = I_К/I_Б;

г) для определения h_22Э из семейства выходных ВАХ выбирают выходную характеристику, снятую при I_{Б РТ}. Находят приращение тока коллектора I_К, вызванное приращением напряжения U_КЭ на нём при постоянном токе базы (рис. 3.4, г) и рассчитывают h_22Э = I_К/U_КЭ. РТ транзистора в схеме с ОЭ характеризуются следующими параметрами: I_{Б РТ}, I_{К РТ}, U_{БЭ РТ}, U_{КЭ РТ}.