МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

"МАТИ" - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. К.Э. ЦИОЛКОВСКОГО

_____________________________________________________________

Кафедра "Электроника и информатика"

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Методические указания к лабораторной работе по курсу "Электротехника и электроника"

Составители:

А.И. Высоцкий, А. В. Позднев, А.А. Пяткин, М.Н. Румянцева

Москва 2005г.

Введение

Методические указания к лабораторной работе по исследованию статических характеристик и параметров биполярных транзисторов написаны применительно к учебной программе «Электротехника и электроника» для студентов всех специальностей.

Продолжительность лабораторных работ 4 часа.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

• Изучить свойства. конструкцию, принцип работы, схемы включения и режимы работы биполярного транзистора;

• экспериментально и теоретически исследовать входную и выходную характеристики биполярного транзистора, определить по характеристикам "h" параметры.

2. Методика выполнения работы

2.1. Принцип работы биполярного транзистора

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, предназначенный для преобразования или генерации электрических сигналов, а представляющий собой трехслойную структуру с двумя встречно включенными p-n переходами.

Термин "биполярный" подчеркивает роль обоих носителей заряда - электронов и дырок - в создании тока через при­бор. Различают транзисторы двух типов: p-n-p (рис.2.la) и n-p-n (рис.2.1б).

,

Сдан из крайних слоев (рис.2.1). например левый, называется эмиттером (сильно легированный одой о меньшей площадью). Эмиттер (Э) служит источником носителей заряда (электронов или дырок). Прилегающий к эмиттеру переход П₁ называют эмиттерным. Правый слой называется коллектором (слабо легированный слой о больней площадью). Коллектор (К) принимает носители заряда, поступающие от эмиттера через базу. Переход П₂ прилегающий к коллектору, называют коллекторным. Центральный слой - база (Б) - имеет значительно меньшую по сравнению о эмиттером и коллектором концентрацию примесных атомов.

На эмиттерный переход П₁ подается прямое напряжение, поэтому даже при небольших напряжениях через П₁ проходят большие токи. На коллекторный переход П₂ подается обратное напряжение. Оно обычно в несколько раз выше напряжения на П₁.

На рис. 2.2а и 2.2б показано графическое изображение транзисторов на схемах, соответственно типов p-n-p и n-p-n.

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на примере p-n-p транзистора (рис. 2.3а,б).

На рис. 2.3а эмиттерный ток I_э = 0, так как приложено только обратное напряжение к коллекторному переходу П₂, я в транзисторе создается только начальный коллекторный ток I_кo через переход П₂, обусловленный неосновными носителями.

,

Ток I_ko(10 - 100)мкА для германиевых транзисторов а I_ko (0,1 - 10)мкА для кремниевых транзисторов. При повыше­ния температуры число неосновных носителей заряда возрастает, и I_ko увеличивается.

При подключении эмиттера к положительному зажиму источника питания Е_э (рис.2.30) возникает эмиттерный ток I_э. Тазе как внешнее напряжение приложено к переходу П₁ - в прямом напряжении, дырки преодолевают его и попадают в область базы, где частично рекомбинируют с ее электронами, образуя базовый ток I_б.

Поскольку базу выполняют из полупроводника с малой концентрацией примеси, лишь небольшое число дырок, попавших в область базы, рекомбинируют с ее электронами, а в основном, дырки вследствие теплового движения (диффузии) и под действием поля коллектора (дрейф) достигают коллекто­ра, образуя в коллекторной цепи ток I_к.

Связь между коллекторным и эмиттерным токами характеризуется коэффициентом передачи тока

Так как , коэффициент передача тока всегда меньше единицы. Дня современных биполярных транзисторов

Токи в транзисторе связаны соотношениями:

(2.2)

(2.3)

где - неуправляемый тепловой ток.

2.2. Схемы включения биполярных транзисторов

При использовании транзистора в усилительных устройствах один из его электродов является входным, а другой - выходным. Третий электрод является общим относительно входа и выхода. В цепь входного электрода включается источник входного переменного сигнала, а в цепь выходного - нагрузка.

В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) (рис. 2.4-2.6).

Для анализе работы этих схем пользуются следующими показателями:

- коэффициент усиления (передачи) по току:

(2.4)

- коэффициент усиления по напряжению:

(2.5)

- входное сопротивление:

(2.6)

Схема с общей базой

где ,,,- приращения входного и выходного токов и напряжений.

(2.7)

(2.8)

где -входное сопротивление транзистора для схемы с общей базой.

Схема имеет малое входное сопротивление

(2.9)

и большое выходное сопротивление

. (2.10)

Схема с общей базой не дает усиления по току, но обладает наибольшей термостабильностью.

Схема с общим эмиттером

(2.11)

(2.12)

т.к.(2.13)

значительно больше, чем для схемы с общей базой. Малая величина управляющего (входного) тока и наи­большие значения коэффициента усиления по мощности обусловили широкое применение этой схемы.

(2.14)

Недостатком этой схемы является ее низкая термостабильность.

На практике используют схему, эквивалентную схеме с общим коллектором. Схема с общим коллектором

(2.15)

(2.16)

где .

Эта схема обладает малым выходным и большим входным сопротивлением, не дает усиления по напряжению и используется для согласования отдельных ступеней усиления.

Режимы работы транзисторов

Каждая из схем включения транзистора характеризуется тремя режимами, зависящими от полярности напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах.

• Режим отсечки (закрытое состояние) .

• Нормальный активный режим (режим усиления) .

• Режим насыщения (открытое состояние) .

3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ И ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Перед работой студент должен ознакомиться с инструкцией по технике безопасности и расписаться в журнале по технике безопасности. Работа выполняется под руководством преподавателя или лаборанта. Категорически запрещается производить включение приборов или осуществлять какую-либо коммутацию при включенном источнике питания.

Исследуемый транзистор смонтирован на панели №1 I универсального лабораторного стенда ЭВЧ.

Питание входной и выходной цепей транзистора осуществляется через делители от источника постоянного напряжения 12В путем подключения зажимов "-12B", "0'" транзистора (на панели № 1) к аналогичным зажимам на стенде (на горизонтальной панели). Измерение напряжений входной и выходной цепей производится с помощью цифровых вольтметров В7-22А.

Для измерения входного и выходного токов на панели № 1 предусмотрен миллиамперметр. Для регулировки напряжений и токов транзистора используются потенциометры. Включение стенда и подача напряжения осуществляется кнопками на стенде.

Монтажная электрическая схема для снятия характеристик транзистора показана на рис. 3.1.

В данной работе исследуется транзистор типа p-n-p по схеме включения с общим эмиттером. В этом случае входными и выходными токами и напряжениями являются соответственно: токи и, напряженияи.