203-elektrotehnika-i-elektronika-elektronika-26mb

Лабораторная работа 4

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

4.1. Цель работы

Исследование характеристик биполярных транзисторов, приобре- тение навыков экспериментального исследования характеристик по- лупроводниковых приборов.

4.2. Теоретическое введение

Биполярным транзистором называют трехэлектродный полу- проводниковый прибор, представляющий собой двухполюсник, структурно состоящий из трех слоев полупроводника p-n-p или n-p-n типа (рис. 4.1). Средний слой называют базой (Б), один из крайних слоев называют эмиттером (Э), другой – коллектором (К).

Рис. 4.1. Структура биполярных транзисторов p-n-p (а) и n-p-n (б)

Схематическое изображение биполярного транзистора приведено на рис. 4.2.

аб

Рис. 4.2. Схематическое изображение биполярного транзистора структуры p-n-p (а) и n-p-n (б)

31

Направление стрелки эмиттера указывает на тип проводимости: если стрелка направлена к базе, то база имеет n-тип проводимости, если стрелка направлена от базы – n-проводимость имеет эмиттер.

Подключение биполярного транзистора в схеме с общим эмитте- ром показано на рис. 4.3. При таком подключении в режиме посто- янного тока переход эмиттер-база относительно источников ЕБ и ЕК смещен в прямом направлении. Коллекторный переход источником ЕК смещен в обратном направлении.

Рис. 4.3. Схема подключения биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

Примерный вид входной и семейства выходных вольт-амперных характеристик биполярного транзистора показаны на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Входная (а) и выходные (б) вольт-амперные характеристики биполярного транзистора, подключенного по схеме

с общим эмиттером

32

В схеме с общим эмиттером (ОЭ) коэффициент передачи по току определяется по формуле

β = IК = IЭ − IБ = IЭ − 1.

IБ IБ IБ

В режиме усиления переменного тока пользуются так называе- мыми малосигнальными параметрами. Для описания свойств транзи- сторов используют систему h-параметров:

U1 = h11 I1 + h12U 2I 2 = h21 I1 + h22U 2 ,

где U1, U2 – входное и выходное напряжения на выводах двухполюс- ника, который представляет собой транзистор;

I1, I2 – входной и выходной токи.

Физический смысл h-параметров:

При экспериментальном определении h-параметров в качестве ар- гументов используют приращения токов и напряжений. На рис. 4.5 показан принцип определения приращения токов и напряжений для вычисления h-параметров:

h11 = ∆U1/∆I1;

h21 = ∆I2/∆I1;

h22 = ∆I2/∆U2.

33

Рис. 4.5. К определению h-параметров транзисторов:

а– входная характеристика; б – семейство выходных характеристик

4.3.Подготовка к работе

1.Освоить основные положения теоретического введения.

2.Начертить в лабораторной тетради схемы для проведения экс- периментов.

3.Подготовить таблицы для записи в них результатов измерений.

4.4. Порядок выполнения работы

Построение статических вольт-амперных характеристик биполярного транзистора, определение статических параметров

Задание 1

1.Собрать в окне программы Multisim схему согласно рис. 4.6.

2.Выбрать транзистор 2N2218 из библиотеки элементов.

3.В схеме используется источник, реализующий кусочно-линейную форму напряжения на выходе (Sources – SIGNAL_VOLTAGE_SOURCES

–PIECEWISE_LINER_VOLTAGE). Напряжение на выходе этого источ- ника определяется содержимым таблицы: время (с) – значение (В). Щелкнув по иконке источника, ввести значения (Value) – Time: Voltage:

34

Данные можно также предварительно записать и сохранить текст в файле с именем (например, Ksenija1.txt) и указать его имя для вво- да значений.

Рис. 4.6. Схема для измерения входной характеристики биполярного транзистора

4.Нарисовать с осциллографа графики изменения напряжения на базе транзистора и падение напряжения на резисторе, соответствую- щее изменению тока базы.

5.Заполнить табл. 4.1.

6.Нарисовать график вольт-амперной характеристики. Для этого установить на осциллографе режим А/В (учтите, что напряжение на резисторе равно –RI).

7.Определить значение входного сопротивления транзистора (па- раметр h11) при токах базы 0,55 и 0,75 мА.

35

Задание 2

1.Собрать в окне программы Multisim схему согласно рис. 4.7.

2.Ввести значения, щелкнув по иконке источника (Value) –

Time: Voltage:

0 0

0.112

3.Установить ток источника тока 0,1 мА.

Рис. 4.7. Схема для измерения выходной характеристики биполярного транзистора

4.Установить на осциллографе масштаб для времени развертки равным 0,2 с. Нарисовать с осциллографа графики изменения напря- жения на коллекторе транзистора и падение напряжения на резисто- ре, соответствующее изменению тока эмиттера.

5.Вычислить значения тока эмиттера (показания вольтметра по- делить на величину сопротивления). Записать в табл. 4.2 значения тока коллектора.

36

6.Нарисовать график вольт-амперной характеристики.

7.Повторить действия для значений тока источника до 1 мА. За- нести результаты измерения в табл. 4.2.

8.Построить все характеристики на общем графике.

9.Определить для эксперимента с током источника 0,5 мА изме- нение тока коллектора на линейном участке характеристики и соот- ветствующее изменение напряжения на коллекторе.

10.Вычислить значение коэффициента усиления по току и значе- ние выходной проводимости.

4.5.Содержание отчета

1.Наименование и цель работы.

2.Необходимые теоретические сведения.

3.Изображения электрических схем испытаний.

4.Таблицы результатов измерений и расчетов.

5.Расчетные формулы.

6.Вольт-амперные характеристики транзистора (входные и вы- ходные), построенные по результатам экспериментов и расчетов.

7.Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1.Что такое коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером?

2.Что такое выходная характеристика биполярного транзистора?

3.Что такое входная характеристика биполярного транзистора?

4.Как направлены токи в транзисторе p-n-p типа?

5.Определить коэффициент передачи тока h21э биополярного транзистора, если при изменении тока базы ток коллектора изменил- ся на 5 мА, а ток эмиттера – на 5,2 мА.

37

Лабораторная работа 5

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

5.1. Цель работы

Исследование характеристик полевых транзисторов, приобрете- ние навыков экспериментального исследования характеристик полу- проводниковых приборов.

5.2. Теоретическое введение

Полевые транзисторы (Field-Effect Transistor, FET) – полупро-

водниковые приборы, выходным током которых управляет на- пряжение, тогда как входной ток обычно пренебрежимо мал.

Полевые транзисторы бывают двух типов: с управляющим р-п переходом (Junction FET, JFET), с изолированным затвором (Insulated Gate FET, IGFET).

Транзисторы последнего типа больше известны как МОП- транзисторы, при этом название указывает на их конструкцию:

металл–оксид–полупроводник (Metal–Oxide–Semiconductor FET, MOSFET).

Рис. 5.1. Полевой транзистор с p-n переходом: а – схематическое изображение конструкции транзистора с каналом n-типа;

б, в – обозначения транзисторов с каналом n-типа и p-типа

38

На рис. 5.1 схематически изображен n-канальный полевой тран- зистор с р-п переходом и его условное обозначение. К торцам крем- ниевой пластины n-типа прикреплены выводы, образующие омиче- ские контакты. Область кремния – p-типа, на боковой поверхности образует р-п переход. Нижний контакт называется истоком, а верх-

ний – стоком.

В транзисторе с каналом p-типа затвор выполнен из материала n-типа. На затвор подается отрицательное напряжение смещения относительно истока (UЗИ), которое создает обедненный слой. С увеличением напряжения ширина этого слоя увеличивается, что приводит к уменьшению проводимости области канала. При фик- сированном напряжении сток-исток, ток стока зависит от входного напряжения UЗИ.

У p-канальных полевых транзисторов на сток подают отрица- тельное напряжение относительно истока, а на затвор – положи- тельное напряжение относительно истока, смещающее р-п пере- ход в обратном направлении.

Для этих транзисторов представляют интерес два вида вольт- амперных характеристик: стоковые и сток-затворные (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Семейство стоковых (выходных) (а) и сток-затворных характеристик (б) полевого транзистора с р-n переходом

и каналом n-типа

Стоковые (выходные) характеристики отражают зависимость то- ка стока от напряжения сток-исток при фиксированном напряжении затвор-исток. На каждой из кривых можно выделить три характерные области (см. рис. 5.2, а): I – сильная зависимость тока IC от напря- жения UЗИ. На этом участке наблюдается практически линейная зависимость тока стока от напряжения сток-исток.

39

По мере увеличения напряжения UСИ (участок аб) сужение токопро- водящего канала оказывает все более существенное влияние на его проводимость, что приводит к уменьшению крутизны нарастания тока. Дальнейшее повышение напряжения на стоке не должно при- водить к заметному увеличению тока через прибор, так как одно- временно с ростом напряжения UСИ будет увеличиваться сопротив- ление канала.

Сток-затворная характеристика показывает зависимость тока сто- ка от напряжения затвор-исток при фиксированном напряжении сток-исток. Характеристика может быть построена по данным сто- ковой характеристики.

У полевого транзистора ток стока IС управляется напряжением UЗИ между затвором и истоком. Таким образом, о способности транзистора усиливать нужно судить по величине отношения IС/UЗИ, которое, будучи отношением тока к напряжению, имеет размерность проводимости. Эта величина называется крутизной, обычно обозначается символом S и находится как отношение при- ращения тока стока ( IС) к приращению напряжения затвор- исток ( UЗИ):

S = dIC , UCИ = const . dIЗИ

Обычно размерность указывается в мА/В или в микросименсах (мкСм).

К основным параметрам полевых транзисторов относится диффе- ренциальное (внутреннее) сопротивление стока (канала) на участке насыщения:

R = dUСИ , UЗИ = const .

i

dICИ

5.3.Подготовка к работе

1.Освоить основные положения теоретического введения.

2.Начертить в лабораторной тетради схемы для проведения экс- периментов.

3.Подготовить таблицы для занесения в них результатов изме- рений.

40