Уральский Федеральный Университет имени первого

Президента России Б.Н. Ельцина

Кафедра Экспериментальной физики

Отчет

по лабораторной работе №4

«Исследование биполярного транзистора»

Выполнил студент группы

Фт-390101: Ившин С.В.

Шуклин Д.А.

Проверил преподаватель: Порывай Н.Е.

Екатеринбург 2011 г.

Цель работы:

1. Ознакомиться с характеристиками и параметрами биполярных транзисторов.

2. Освоить методы определения ВАХ и параметров.

3. Изучить работу транзистора в усилительной и ключевой схеме.

Теоретические положения:

Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (p-n-p или n-p-n) и соответственно два p-n перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу.

Средний слой и соответствующий вывод называют базой. Этот слой низколегированный и малой толщины. Один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером, а другой крайний слой и соответствующий вывод — коллектором.

а) б)

Рис.1. Схематическое устройство (а) и условное графическое обозначение (б) n-p-n транзистора.

Транзисторы типа n-p-n более распространены в сравнении с транзисторами типа p-n-p, так как обычно имеют лучшие параметры. Это объясняется следующим образом: основную роль в электрических процессах в транзисторах типа n-p-n играют электроны, а в транзисторах типа p-n-p — дырки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.

Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая асимметрия значительно улучшает свойства транзистора.

Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что p-n -переходы транзистора сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Именно это взаимодействие радикально отличает транзистор от схемы с двумя диодами. (В схеме с диодами ток каждого диода зависит только от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока другого диода.)

Указанное взаимодействие имеет исключительно простую главную причину, а именно: очень малое расстояние между переходами транзистора (от 20—30 мкм до 1 мкм и менее). Это расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная особенность структуры создает качественное своеобразие транзистора.

С помощью источников напряжения сместим эмиттерный переход в прямом, а коллекторный — в обратном направлении.Тогда через эмиттерный переход потечет ток i_э, который будет обеспечиваться главным образом инжекцией электронов из эмиттера в базу. Инжекция дырок из базы в эмиттер будет незначительной вследствие указанного выше различия в концентрациях атомов примесей.

Из-за малой толщины базы почти все электроны, пройдя базу, через так называемое время пролета, достигают коллектора. Только малая доля электронов рекомбинирует в базе с дырками. Убыль этих дырок компенсируется протеканием тока базы i_б. Из изложенного следует, что i_э>>i_б.

Обратное смещение коллекторного перехода способствует тому, что электроны, подошедшие к нему, захватываются электрическим полем перехода и переносятся в коллектор. В то же время это поле препятствует переходу электронов из коллектора в базу.

Ток коллектора i_к лишь незначительно меньше тока эмиттера, т. е. i_э ~ i_к. Более точно:

i_э=i_к+i_б.

Ток коллектора можно определить следующим:

i_к=_стi_э+I_ко

где, _ст — статический коэффициент передачи эмиттерного тока (термин статический подчеркивает тот факт, что этот коэффициент связывает постоянные токи), а I_ко —обратный ток коллектора.

Природа обратного тока коллектора такая же, как и у обратного тока диода (т. е. тока диода, включенного в обратном направлении). Ток I_ко протекает и тогда, когда ток эмиттера равен нулю.По тому, какой электрод транзистора подключен к общему проводу между входом и выходом схемы, различают схемы: - общая база (ОБ), - общий эмиттер (ОЭ) и – общий коллектор (ОК).

Транзисторы характеризуют входными и выходными характеристиками.

Для схемы с общей базой входной характеристикой называют зависимость тока i_э от напряжения u_эб при заданном на­пряжении u_кб, т. е. зависимость вида:

i_э = f(u_эб) приu_кб=Const.

Входные характеристики часто характеризуют дифференциальным сопротивлениемr_диф, определяемым аналогично дифференциальному сопротивлению диода.

, при u_kб=Const и i_э-заданной величины.

Выходной характеристикой для схемы с общей базой называют зависимость тока i_к от напряжения u_кб при за­данном токе i_э, т. е. зависимость вида:i_к = f(u_кб) приi_э =Const.

Как уже отмечалось, если коллекторный переход смещен в обратном направлении (u_kб>0), то ток коллектора примерно равен току эмиттера: i_к ~ i_э. Это соотношение сохраняется даже при u_kб = 0 (если ток эмиттера достаточно велик), так как и в этом случае большинство электронов, инжектированных в базу, захватывается электрическим полем коллекторного перехода и переносится в коллектор.

Режим, соответствующий первому квадранту характеристик (u_kб>О, i_к>0, причем ток эмиттера достаточно велик), называют активным режимом работы транзистора. На координатной плоскости ему соответствует так называемая область активной работы.

Режим, соответствующий второму квадранту (u_kб<0), называют режимом насыщения. Ему соответствует область насыщения.Обратный ток коллектора I_KOмал (для КТ603А I_KO<10 мкА при t<25°C). Поэтому выходная характеристика, соответствующая равенствам i_э = 0 и i_к=_стi_э+I_KO=I_KO, практически сливается с осью напряжений. При увеличении температуры ток I_KO возрастает (для КТ603 I_KO = 100 мкА при / < 85° С) и все выходные характеристики смещаются вверх.

Режим работы транзистора, соответствующий токам коллектора, сравнимым с током I_KO, называют режимом отсечки. Соответствующую область характеристик вблизи оси напряжений называют областью отсечки.

Транзистор часто характеризуют дифференциальным коэффициентом передачи эмиттерного тока , который определяется выражением

, при i_K– заданном; u_kб = Const.

Экспериментальная часть:

1. Получение выходной характеристики транзистора в схеме с оэ.

Характеристики транзистора 2N3904:

Ток насыщения - 7.62Е-16А

Потенциал перехода - 0,75 В

Коэффициент БК и БЭ перехода: 0,333

Максимальная рассеиваемая мощность: 350 мВт

Схема получения выходной характеристики с ОЭ:

Задавая различныеЕ_к и Е_б, заполняем таблицу, измеряя I_к и I_б.

Таблица 1. Получение выходной характеристики транзистора

Еб, В	Iб,mkA	Iк, мА
		Ек =0,1В	Ек =0,5В	Ек =1В	Ек =5В	Ек =10В	Ек =20В
1,66	9,241	0.8318	1,732	1,740	1,805	1,887	2,051
2,68	19,24	1,785	3,763	3,780	3,917	4,089	4,433
3,68	29,13	2,729	5,773	5,799	6,008	6,269	6,791
4,68	39,05	3,676	7,790	7,825	8,105	8,456	9,157
5,7	49,19	4,643	9,852	9,896	10,25	10,69	11,57

По данным таблицы строим графики зависимости I_к = f(Е_к) при различныхЕ_б.

По выходной характеристике находим коэффициент передачи тока базы β при Е_к=10В и изменении тока базы с 10μА до 30 μА. Используем следующие формулы для расчета:

, где =6,269-1,887 = 4,382 мА;

= - =4,382-(0,02913-0,009241) =4,401889

=4,382/4,401889 = 0,99548171

= = 220,322791

2. Получение входной характеристики транзистора в схеме с оэ.

ЗадаваяЕк= 10В и изменяя Еб, заполняем таблицу 2:

Таблица 2:Получение входной характеристики транзистора с ОЭ

Еб, В	Iб mkA	Uбэ, mV	Iк mA
1,66	9,435	736,5	1,930
2,68	19,24	756,0	4,089
3,68	29,13	767,1	6,269
4,68	39,05	774,8	8,456
5,7	49,19	780,9	10,69

По данным таблицы построим графики зависимости I_б = f(U_б) и входную характеристику транзистора.

По входной характеристике найдем входное сопротивление r_вх при изменении тока базы с 10μА до 30 μА:

= = 1553,69383 Ом

5. 3. Работа транзистора в схеме усилителя с оэ.

6. Схемаработы транзистора в режиме усилителя с ОЭ:

7. 

Для заданного в схеме входного сигнала амплитудой 10 мВ получаем диаграммы Uвх(t) и Uвых(t).

Из временной развертки входного и выходного сигналов очевидно, что транзистор является инвертирующим и работает в режиме усиления. По временной развертке определим коэффициент усиления:

К = = = 225