Лабораторная работа № 1 исследование биполярного транзистора

Цель работы: углубить и закрепить полученные знания по принципу действия и режимам работы биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

1 Краткие теоретические сведения

Биполярным транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими электронно-дырочными переходами. При использовании транзисторов в схемах один из выводов у них является общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой из выводов транзистора общий, различают три схемы включения: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК) (рис. 1).

Работа каждой из схем характеризуется двумя входными I_ВХ, U_ВХ и двумя выходными I_ВЫХ, U_ВЫХ величинами. На рис. 1 для каждой из трех схем указаны направления токов и полярности напряжений для активного режима работы транзистора.

В зависимости от того, включена нагрузка в выходную цепь или нет, различают статический (нагрузка отсутствует) и динамический (нагрузка включена) режимы работы транзистора.

Физические процессы, происходящие в транзисторе, находят отражение в статических и динамических характеристиках для различных схем включения.

В лабораторной работе исследуется транзистор p-n-p типа, включенный по наиболее распространенной схема с общим эмиттером. Схема для исследования биполярного транзистора приведена на рис. 2.

В статическом режиме работы снимаются статические входная, выходная и переходная характеристики, в динамическом  динамическая переходная характеристика.

Статическая входная характеристика (при отсутствии резистора R2 в цепи коллектора – контакт SA замкнут) представляет собой зависимость I_Б = f (U_БЭ) при U_КЭ = coпst.

Семейство входных характеристик транзистора для различных напряжений U_КЭ представлено на рисунке 3, а.

I_КS

Левая характеристика семейства снята при U_КЭ = 0, то есть когда движок потенциометра R3 находится в крайнем нижнем (по схеме) положении (см. рис. 2). При этом p-области обоих р-п переходов объединены и р-п переходы транзистора оказываются соединенными параллельно (рис. 3, б).

Если U_БЭ < 0 (“–” приложено к базе, а “+” к эмиттеру – прямая ветвь входной характеристики для транзистора p-n-p типа, как показано на рис. 3, б), то оба р-п перехода получат прямое смещение и транзистор будет работать в режиме насыщения (максимально открыт). Ток базы в этом случае равен сумме прямых токов через эмиттерный и коллекторный переходы: I_Б=I_Э+I_Кпр.

Если U_БЭ > 0 (“+” приложено к базе, а “–” к эмиттеру (и коллектору) – обратная ветвь входной характеристики транзистора), то транзистор переводится в режим отсечки (полностью закрыт, т.к.оба перехода смещены в обратном направлении) и в базовой цепи будет протекать обратный (тепловой) ток коллектора, обусловленный собственной проводимостью полупроводника I_Б = I _КS (риc. 3, в).

При подаче на коллектор отрицательного потенциала U_КЭ < 0 (перемещение движка потенциометра R3 вверх по схеме) прямые ветви зависимости I_Б = f (U_БЭ) смещаются вправо и вниз. Мы видим, что при одном и том же напряжении U_БЭ ток базы уменьшается с увеличением U_КЭ. При U_КЭ > U_БЭ транзистор работает в активном режиме.

Чем больше напряжение U_КЭ обратно смещенного коллекторного перехода, тем он становится шире и тем меньше ширина базы, определяемая расстояниями между границами переходов. Это явление называется эффектом Эрли. Следовательно, становится меньше основных носителей зарядов (в данном случае примесных электронов в обедненной n области базы), а значит, уменьшается и ток базы.

Семейство выходных статических характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, представляет собой зависимость I_К = f (U_КЭ) при I_Б = coпst и для различных значений тока базы изображено на рисунке 4, а.

U_КЭ=const

U_КЭ = var

Нижняя характеристика совпадает с обратной ветвью вольтамперной характеристики коллекторного перехода, когдаа эмиттерный переход закорочен – случай для U_БЭ = 0 (см. рис. 3, в).

Если напряжение U_БЭ < 0 (“–” приложено к базе, а “+” к эмиттеру) через эмиттерный переход начинается инжекция основных носителей тока (возрастает прямой ток в цепи эмиттер-база, направленный навстречу обратному току I_КБО = – I_КS), которые при некотором значении напряжения U_БЭ способствуют прекращению обратного тока базы (см. I_Б = 0 на рис. 3, а).

Это режим неглубокой отсечки транзистора (т.к. эмиттерный переход не смещен в обратном напряжении), а выходная характеристика при токе базы I_Б = 0 является его верхней границей. Ток коллектора в этом случае определяется выражением

I_К = I_Б + ( +1)I_KS = ( +1)I_KS , (1)

т.е. в ( +1) раз больше, чем обратный ток I_KS коллекторного перехода. При дальнейшем увеличении отрицательного напряжения U_БЭ появится ток базы I_Б и ток коллектора, в соответствии с (1), возрастает на величину I_Б.

Каждая характеристика имеет два участка:

– начальный крутой (при малых изменениях напряжения на коллекторе);

– пологий протяженный (при больших изменениях напряжения на коллекторе).

Крутой участок соответствует режиму насыщения (оба перехода открыты), когда U_БЭ  U_КЭ и ток коллектора I_К быстро растёт с возрастанием U_КЭ (I_К = U_КЭ/R_{КЭ мин}). Предельный случай, когда U_КЭ = 0, приведен на рис. 3, а, б.

Пологий участок характеристики формируется, когда становится U_КЭ > U_БЭ. Коллекторный переход при этом закрывается (обратным напряжением U_КЭ – U_БЭ) и возрастает его обратное сопротивление (коллекторный переход расширяется), что обуславливает малое приращение I_К с ростом U_КЭ (I_К =(U_КЭ/R_КЭ)  const).

Наклон пологих участков характеристик обусловлен влиянием напряжения U_КЭ на эмиттерный переход и эффектом Эрли.

По входным характеристикам определяется входное сопротивление транзистора в окрестности точки покоя:

(2)

Определение R_ВХ^ОЭ для произвольной точки А на входной характеристике показано на рис. 3, а. Очевидно, что величина R_ВХ^ОЭ различна в разных точках характеристики и имеет наибольшее значение в начале кривой, где I_Б мало, и наименьшее в верхней части характеристики.

По выходным характеристикам (рис. 4, а) определяется выходное сопротивление транзистора и статический коэффициент усиления по току  в окрестности точки покоя по формулам:

при I_Б = const; (3)

при U_КЭ = const. (4)

Статическая переходная характеристика (СПХ) транзистора пред-ставляет собой зависимость I_К=f(I_Б) при U_КЭ= const. СПХ позволяет непосредственно с графика найти статический коэффициент усиления по току , используя соответствующие приращения I_Б и I_К (см. рис. 4, б для точки А^CТ).

Динамическая переходная характеристика отражает зависимость I_К=f(I_Б) при U_КЭ = var – нижняя характеристика на рис. 4, 6). По данной характеристике может быть определен динамический коэффициент усиления по току K_I, (например, в точке А^ДИН на рис. 4, б):

(5)

Из графиков видно, что СПХ идет круче ДПХ, следовательно β > K_I.

С татическая и динамическая переходные характеристики транзистора снимаются экспериментально или строятся по статическим выходным характеристикам и нагрузочной прямой для каждого из режимов. На рис. 5 представлена методика построения переходных характеристик, из которой видно, что нагрузочная прямая для статического режима вырождается в вертикальную прямую при U_КЭ=E_К=const