4. Содержание отчета

4.1. Название и цель лабораторной работы.

4.2. Схемы исследования выпрямительный диод.

4.3. Таблицы с результатами измерений прямой и обратной ветви ВАХ.

4.4. ВАХ диода.

4.5. Выводы.

5. Контрольные вопросы

1. Дайте назначение и приведите область применения стабилитронов.

2. Изобразите ВАХ стабилитрона. Какая ветвь его ВАХ является рабочей?

3. Что такое стабистор? Какая ветвь его ВАХ является рабочей?

4. Изобразите схемное обозначение стабилитрона. Чем оно отличается от схемного изображения диода? Какое схемное обозначение стабистора?

5. Укажите рабочий участок на обратной ветви ВАХ стабилитрона. Какие физические процессы происходят в стабилитроне на этом участке ВАХ?

6. Укажите виды пробоя стабилитрона обратным напряжением и их особенность.

7. Почему пробой стабилитрона называют локальным и самовосстанавливающимся?

10. Как определяют температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН)?

11. Зависит ли знак ТКН от вида пробоя в стабилитроне?

12. Как строят кривую допустимой мощности рассеяния стабилитрона по известным значениям Р_max?

13. Каков диапазон стабилизированного напряжения в промышленных образцах стабилитронов? Каким образом обеспечивается требуемое напряжение стабилизации?

14. Какое обозначение будет иметь стабилитрон и стабистор с напряжением стабилизации 8,6 и 0,8 В соответственно, для использования в устройствах широкого назначения?

15. Приведите схему параметрического стабилизатора напряжения и объясните ее работу.

16. Как построить линию нагрузки параметрического стабилизатора напряжения?

17. Как определяют коэффициент стабилизации стабилизатора?

18. Изобразите схему для виртуального моделирования ВАХ стабилитрона и объясните назначение ее элементов.

19. Опишите последовательность операций при определении ВАХ стабилитрона средствами компьютерного моделирования (EWB).

Лабораторная работа № 3, 4

Исследование биполярного транзистора

1. Цель работы

Ознакомление с типами, конструктивными особенностями и системой обозначений биполярных транзисторов, овладения методикой снятия статических вольтамперных характеристик, изучение малосигнальных параметров транзистора, как чотырехполюсника.

2. Теоретические сведения

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих электронно-дырочных перехода. Усилительные свойства БТ обусловленные явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. В БТ используются одновременно два типа носителей заряда - электроны и дырки (поэтому и название - биполярный).

Конструктивно БТ представляют собой пластину германия или кремния, или другого полупроводника, на которой созданы три области с различной электропроводностью. В зависимости от порядка чередования типа областей различают транзисторы типа n-p-n (рис. 1) и p-n-p (рис. 2).

Одну из крайних областей. которую используют в режиме инжекции, называют эмиттером, а p-n-переход, примыкающей к эмиттеру, – эмиттерным. Промежуточная область, в которую инжектируются неосновные носители, называют базой. Вторую крайнюю область – коллектором, а переход – коллекторным. Концентрация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. Важными условиями работы БТ являются:

очень малая ширина базовой области (единицы, мкм);

площадь коллекторного перехода всегда больше площади эмиттерного;

область эмиттера должна обладать более высокой электропроводностью, чем база и коллектор.

I_Б

Коллектор

Эмиттер

n

I_Э

База

К

База

Эмиттер

К

n

Б

Б

n

p

р

р

Э

Э

I_Э

I_K

I_K

Коллектор

б

б

a

I_Б

а

Рис. 1. Биполярный транзистор типа n-p-n

а) структура; б) схемное обозначение

Рис. 2. Биполярный транзистор типа p-n-p

а) структура; б) схемное обозначение

В зависимости от состояния эмиттерного и коллекторного переходов (открытый или закрытый) различают следующие четыре режима работы БТ.

Активный режим – на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный – обратное.

Инверсный режим – на коллекторный переход подается прямое напряжение, а на эмиттерный – обратное.

Насыщения – оба перехода находятся под прямым напряжением.

Режим отсечки – до обоих переходов подводят обратные напряжения.

Режимы отсечки и насыщения используются в импульсных и цифровых устройствах. Активный режим БТ является основным в усилителях мощности и генераторах колебаний. Инверсный режим работы БТ приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока эмиттера и поэтому на практике применяется очень редко.

Транзистор, как активный прибор, используют таким образом, что один из его электродов является входным, а другой – выходным. Третий электрод является общим относительно входа и выхода. В зависимости от того, какой из трех электродов транзистора является общим для входной и выходной цепей, как это показано на рис. 3, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК)

Рис. 3. Схемы включения БТ

Рассмотрим физические процессы в БТ типа p-n-p в активном режиме при его включении по схеме с ОБ (рис. 4.).

Рис. 4. Потоки дырок и электронов в БТ типа p-n-p в активном режиме

В активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Так как концентрация примесей в базе значительно меньше, чем в эмиттере, инжекция дырок из эмиттера в базу значительно превышает инжекцию электронов в обратном направлении. Инжекция носителей обуславливает прохождение через эмиттерный переход диффузионных токов.

Таким образом, ток эмиттера І_Э равен сумме дырочной І_Эр и электронной І_Эn составляющих: І_Э = І_Эр +І_Эn

Электронная составляющая тока І_Эn обусловлена движением электронов из базы в эмиттер и замыкается в входной цепи через источник напряженияU_ЭБ. Она не участвует в образовании тока в электрической цепи коллектора.

Большинство дырок, которые являются неосновными носителями базы, благодаря дрейфу достигают зоны коллектора, где они являются основными носителями, и, попадая под действие ускоряющего поля коллекторного перехода, образуют управляемую часть тока коллектора – І_Кр. Значение тока коллектора І_Кр пропорционально току эмиттера І_Э :

І_Кр = аІ_Э,

где а – интегральный (статический) коэффициент передачи тока эмиттера в схеме с ОБ, который достигает значения 0,95 – 0,99 и более, но не превышает единицы.

Возможность управлять выходным током транзистора изменяя входной ток, является важным свойством БТ, как активного элемента электронных схем.

Кроме управляемой части коллекторного тока І_Кр в электроде коллектора протекает неуправляемая – обратный (тепловой) ток коллекторного перехода –І_КБ0. Направление обратного тока коллектора І_КБ0 совпадает с направлением управляемой части коллекторного тока и поэтому, выходной ток транзистора равен: І_К = І_Кр + І_КБ0 = І_К = аІ_Э + І_КБ0.

Согласно первому закону Кирхгофа, между токами электродов БТ всегда существует соотношение:

І_Э = І_К + І_Б,

где І_Б = І_Брек - І_КБ0 + І_Бn – ток базы.

Поскольку коэффициент передачи тока а <1, схема с ОБ не обеспечивает усиление по току.

Однако, так как в цепь коллектора можно включать резисторы с большими сопротивлениями и обратное напряжение, приложенное к коллекторному переходу, значительно больше напряжения прямовключенного эмиттерного перехода, усиление в транзисторе по напряжению и по мощности может быть значительным.

Подобные процессы протекают и в транзисторе типа n-p-n (рис. 5), но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются полярности напряжений и направления протекания токов.

I_К

Рис. 5. Потоки электронов и дырок в транзисторе типа n-р-n в

активном режиме

Для каждой схемы включения в активном режиме транзистора существуют свои семейства статических характеристик.

Основными статистическими характеристиками биполярного транзистора являются:

входные – І_вх = ƒ(U_вх), отражают зависимость входного тока от входного напряжения при U_вых = const;

выходные – І_вых = ƒ(U_вых), выражаются зависимостью выходного тока от выходного напряжения при І_вх = const.

Для схемы включения с ОБ:

І_вх = І_Э; І_вых = І_К; U_вых = U_КБ; U_вх = U_ЭБ.

Входные и выходные статические характеристики БТ типа n-р-n для схемы с ОБ представлена на рис. 6.

а б

Рис. 6. ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОБ:

а) входные; б) выходные

Входные характеристики БТ в схеме с ОБ ( Рис. 6, а) выражаются зависимостью I_Э= f(U_ЭБ), при U_КБ = const.

В активном режиме работы транзистора с увеличением прямого напряжения U_ЭБ снижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе, увеличивается инжекция носителей І_Эn і І_Эр через переход, поэтому растет ток эмиттера.

При U_КБ = 0 входная характеристика идентична прямой ветви ВАХ диода. При подаче положительного коллекторного напряжения U_КБ > 0 увеличивается ширина коллекторного перехода, следовательно, уменьшается ширина базы, увеличивается градиент концентрации неосновных носителей в базе, вследствие чего увеличивается І_Э и характеристика смещается влево.

Выходные характеристики БТ в схеме с ОБ определяются зависимостью I_K = f(U_КБ), при I_Э = const..

При I_Э = 0 характеристика проходит через начало координат (без тока эмиттера при U_КБ = 0 не может быть и коллекторного тока). Если теперь увеличивать обратное напряжение на коллекторе, то в его цепи появится І_КБ0.

Выходные характеристики имеют вид прямых линий. Зависимость между токами І_К и I_Э почти линейная. Поэтому выходные характеристики при одинаковом изменении тока ΔI_Э смещаются на одинаковое расстояние.

При изменении знака напряжения U_КБ уже при небольших его значениях ток коллектора резко уменьшается.

Выходные характеристики имеют три характерные области: I – сильная зависимость I_K от U_КБ, где оба перехода транзистора открыты и наблюдается режим насыщения тока; II - слабая зависимость I_K от U_КБ, где возможен активный (усилительный) режим работы транзистора; III - пробой коллекторного перехода.

На семействе выходных характеристик БТ изображена кривая максимально допустимой мощности рассеяния коллектором Р_Кmax. Она ограничивает значение I_K и U_КБ областью разрешенных режимов транзистора, которые лежат ниже кривой Р_Кmax.

Для схемы включения с ОЭ общей точкой для входа и выхода является эмиттер. Очевидно, что

І_вх = І_Б; І_вых = І_К; U_вых = U_КЭ; U_вх = U_БЭ.

В данном случае входным является ток базы І_Б, тогда управляемая часть коллекторного тока будет определяться выражением

І_К = аІ_Э + І_КБ0 = а(І_К + І_Б) + І_КБ0.

Решив уравнение относительно І_К , получим:

,

где – коэффициент передачи тока базы;

– сквозной ток эмиттера.

Учитывая приведенные выше значения а, становится очевидным, что β >> 1, а это означит, что в схеме с ОЭ имеется усиление тока.

Если известен коэффициент β, то можно определить .

Таким образом, при включении транзистора по схеме с ОЭ наблюдается усиление по току, по напряжению и по мощности.

Входные и выходные характеристики БТ типа n-р-n включенного по схеме с ОЭ, показаны соответственно на рис. 7.

I_Б = 0

а б

Рис. 7. ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОЭ:

а) входные; б) выходные

Характеристики мало отличаются от характеристик для схемы с ОБ, за исключением следующих особенностей.

Во-первых, выходные характеристики в схеме с ОЭ имеют наклон.

Это говорит об уменьшении выходного сопротивления транзистора. Рост тока коллектора при увеличении напряжения U_КЭ определяется уменьшением ширины базы за счет увеличения ширины области объемного заряда коллекторного перехода. При уменьшении ширины базы коэффициент переноса неосновных носителей через область базы уменьшается, следовательно, увеличивается коэффициент передачи тока эмиттера. Коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ – растет быстрее, чем коэффициент а. Поэтому при постоянном токе базы ток коллектора увеличивается больше, чем в схеме с ОБ.

Во-вторых, как выходные, так и входные характеристики стремительно меняют свой ход при напряжении коллектора, близкому к напряжению базы. Это объясняется тем, что коллекторный переход при таком напряжении открывается и появляется встречный ток дырок от коллектора. При U_КЕ = 0 входная характеристика представляет собой вольтамперную характеристику двух p-n-переходов, включенных параллельно в прямом направлении, поэтому U_БЕ резко снижается.

Поскольку І_Э ≈ І_К, для схемы с ОК можно использовать семейство статических характеристик схемы с ОЭ.

БТ можно рассматривать как активный линейный четырехполюсник (рис. 7), в котором напряжения и токи на входе U₁ і І₁ и выходе U₂ і І₂ четырехполюсника можно связать между собой различными системами уравнений.

Рис. 7. Эквивалентный четырехполюсник

На практике для характеристики транзисторов наиболее удобна система h – параметров и соответствующая им система уравнений. Коэффициенты в этих уравнениях, которые называют h – параметрами, имеют определенную физическую суть:

где при Δ – входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока;

при ∆ – коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе для переменной составляющей тока;

при ∆ – коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе;

при ∆ – выходная проводимость при холостом ходе на входе.

Размерность последнего параметра в соответствии с СИ обозначается См (сименс).

Эквивалентная схема транзистора в h – параметрах приведена на рис. 8.

Рис. 8. Эквивалентная схема транзистора для системы

h – параметров

Величина h – параметров зависит от схемы включения транзистора. Их можно определить графоаналитическим методом по статическим входным и выходным характеристикам. Для определения всех h – параметров графоаналитическим методом необходимо иметь не менее двух характеристик из каждого семейства. Параметры рассчитываются по величинам конечных приращений ( обычно 20% от значения заданного режима по постоянному току) токов и напряжений вблизи рабочей точки транзистора.

Рассмотрим определение h – параметров транзистора, в заданной рабочей точке, по входным и выходным характеристикам для схемы с ОЭ (рис. 9).

а

б

Рис. 9. Определение h – параметров для схемы с ОЭ:

а) по входным характеристикам; б) по выходным характеристикам

Параметры входной цепи h₁₁ і h₁₂ определяют по входным характеристикам транзистора (рис. 9, а). За точку покоя транзистора с ОЭ выбирают точку А. Задаем прирост тока базы I_Б симметрично относительно точки А при постоянном напряжении коллектора U``_КЕ (точки 1 и 2, (рис. 9, а)). Находим соответствующее I_Б изменение напряжения U_БE. Тогда входное сопротивление транзистора

Для постоянного тока базы в рабочей точке I_Б`` задаем прирост напряжения коллектора U<sub>КЭ</sub> =U<sub>КЭ</sub> `` - U_КЭ` (точки А и В) и определяем соответствующее этому изменение напряжения базы U<sub>БЕ</sub>`. Тогда коэффициент обратной связи по напряжению

Параметры h₂₂ і h₂₁ определяем по выходным характеристикам для той же точки А (рис. 9, б). При постоянном токе базы I_Б`` задаем симметрично точке А прирост коллекторного напряжения U_КЕ (точки 3 и 4) и находим соответствующий прирост тока коллектора I_К`.

Тогда выходная проводимость транзистора

Она имеет положительное значение, так как увеличение напряжения сопровождаются увеличением тока.

Далее, при постоянном напряжении коллектора, задаем прирост тока базы I_Б также симметрично относительно точки А (точки С и D) и находим соответствующий прирост тока коллектора I_К. Тогда дифференциальный коэффициент передачи тока базы

Аналогично можно определить по соответствующим характеристикам параметры транзистора в других схемах включения. Точные результаты дает непосредственное измерение параметров с помощью специальных измерительных приборов.

Следует отметить, что параметры транзистора в различных схемах включения однозначно связаны между собой и в случае необходимости всегда можно перейти от одной системы параметров в другую с помощью формул перехода – соотношений между параметрами в трех схемах включения (табл. 1).

Таблица 1

Схема с ОЭ	Схема с ОК	Схема с ОБ

Типовые значения h – параметров для схем с ОЭ и ОБ приведены в таблице 2

Таблиця 2

Параметр	Схема с ОЭ	Схема с ОБ
Входное сопротивление - h11 Коэффициент обратной связи по напряжению - h12 Коэффициент передачи тока - h21 Выходная проводимость - h22	Сотни Ом – единицы кОм 10-3 – 10-4 Десятки – сотни Единицы – десятки кОм	Единицы – десятки Ом 10-3 – 10-4 0,950 – 0,998 Сотни кОм – единицы МОм