Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лабораторная работа2.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
09.11.2019
Размер:
298.5 Кб
Скачать

Лабораторная работа №2 исследование характеристик транзисторов

Цель работы: Исследование статических вольт-амперных характеристик транзистора в схемах с общей базой и общим эмиттером.

Теоретические сведения

Транзистор - полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления и/или генерирования электрических колебаний.

Т ранзистор биполярный - полупроводниковый прибор с двумя или более очень близко расположенными и взаимодействующими между собой p-n-п-реходами, включенными встречно, и двумя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Классическая структура биполярного транзистора (БПТ) реализуется на основе трех полупроводниковых областей (рис. 1) с различными типами электропроводности.

В транзисторе p-n-p одна из р-областей называется эмиттером, вторая - коллектором, средняя n-область является базой. Для транзистора n-p-n типы проводимостей этих областей меняются. На рис. 2 приведено условное обозначение указанных транзисторов.

При отсутствии внешнего напряжения. на границе p- и n-областей возникают потенциальные барьеры. Если к эмиттерному переходу приложить прямое напряжение (соответствующее проводящему направлению), а к коллекторному - обратное, то потенциальный барьер эмиттерного перехода снизится на Uэб, а потенциальный барьер коллекторного перехода увеличится на Uкб. Уменьшение высоты потенциального барьера эмиттерного перехода приводит к увеличению количества дырок, преодолевающих его и переходящих в базу. Вследствие диффузии дырки движутся в сторону коллекторного перехода, поле которого является ускоряющим для них. Часть из них рекомбинирует с электронами в базе. Восполнение последних происходит через базовый электрод в виде тока базы. Через этот же электрод протекает обратный ток коллекторного перехода Iк0. Большая часть дырок втягивается в коллекторную область и образует дополнительную составляющую коллекторного тока.

Для БПТ выполняется соотношение (рис. 1)

Iэ = Iк + Iб,

где Iэ, Iк , Iб - соответственно токи эмиттера, коллектора и базы.

Отношение  = Iк/IэUкб=0 называется коэффициентом передачи тока от эмиттера к коллектору (передачи э миттерного тока в коллекторную цепь) и показывает количественно: какая часть дырок, перешедших эмиттерный переход, достигает коллекторного перехода.

Вид ВАХ транзистора зависит от схемы включения. Возможны три схемы включения в зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). На практике распространены две первые.

Н а рис. 3 приведена входная ВАХ БПТ, включенного по схеме с ОБ: Iэ = f(Uэб) при Uкб=const, а на рис. 5 - выходная ВАХ того же транзистора. При Iэ=0 ток коллектора Iк=Iк0. При Iэ0 Iк=Iк0 + Iэ. Некоторое увеличение Iк с ростом Uкб при Iэ=const объясняется расширением коллекторного перехода, что приводит к сужению базы и увеличению коэффициента  (эффект модуляции толщины базы).

Входные и выходные ВАХ БПТ, включенного по схеме с ОЭ (рис. 5), приведены на рис. 6, 7. Зависимость между входным током Iб и выходным - Iк для данной схемы включения определяется как

(1)

г де =/(1-)=Iк/Iб - коэффициент передачи тока от базы к коллектору (передачи базового тока в коллекторную цепь).

При Iб=0

Iк = Iк0(+1) = Iкэ0= Iк0*.

При увеличении выходных напряжений (Uкб для схемы с ОБ, Uкэ - с ОЭ) сверх некоторого допустимого напряжения Iк резко нарастает, что приводит к пробою коллекторного перехода.

П ри изменении температуры окружающей среды БТ изменяются Iк0 и коэффициент , что приводит к смещению выходных характеристик вверх или вниз (рис. 4). Смещение входных ВАХ (см. рис. 3) при изменении температуры объясняется теми же причинами, что и для прямой ветви ВАХ диода.

Вследствие наличия емкостей эмиттерного и коллекторного переходов и конечной скорости перемещения носителей через базу коэффициенты и  уменьшаются с ростом частоты входного сигнала. Указанные факторы также приводят к созданию сдвига по фазе между входным и выходным сигналами. В целом зависимость коэффициента от частоты определяется выражением

,

а коэффициента  - выражением

. (2)

Ч астота f, при которой = 0/2, где 0 - коэффициент передачи тока эмиттера для f=0, называется предельной. Для схемы с ОЭ предельная частота f предполагает, что =0/2 .

Для транзистора, включенного по схеме с ОЭ, f = f/.

Для БПТ по схеме с ОЭ также вводится понятие граничной частоты fг, на которой модуль  для выражения (2) становится равным 1. Обычно частотные свойства транзистора характеризуют с помощью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), отображающей зависимость модуля коэффициента передачи тока ( или ) от частоты, и фазо-частотной характеристики (ФЧХ), показывающей изменение фазового сдвига при изменении частоты.

На практике в цепь коллектора БПТ включается нагрузочное сопротивление, с которого снимается выходной сигнал (рис. 8). Тогда

Uкэ + Iк Rк = Ек.

Д анное уравнение описывает прямую, которая называется линией нагрузки (рис. 9). Из рисунка видно, что при работе транзистора с нагрузкой Iк зависит не только от Iб, но и от напряжения Uкэ. Для схемы с ОБ Iб заменяется на Iэ, а Uкэ - на Uкб.

В зависимости от того, какой участок выходных ВАХ пересекает линия нагрузки, различают три режима работы БТ: активный, насыщения и отсечки.

В активном режиме сохраняется зависимость Iк=f(Iб) в виде выражения (1). Когда Iб=Iб нас,

Iк нас = (Ек-Uкэ)/Rк  Ек/Rк,

так как Uкэ нас<<Eк.

В режиме отсечки Iк  Iкэ0.

Активный режим транзистора обычно используется в работе усилительных схем, а насыщения и отсечки - импульсных.

Б ПТ является нелинейным электронным элементом, так как характеризуется нелинейными зависимостями U=f(I) входных и выходных ВАХ (см. рис. 3, 4, 6, 7). Но при работе транзистора в режиме малого сигнала, т.е. при относительно небольших амплитудах переменных составляющих входных и выходных величин, он может быть представлен в виде активного линейного четырехполюсника (рис. 10), предполагающего линейные зависимости между токами и напряжениями на входе и выходе. Возможно шесть вариантов выбора пар независимых и зависимых переменных для описания связи токов и напряжений в данном четырехполюснике. В силу специфики входных и выходных ВАХ транзистора для его описания обычно выбирают в качестве независимых переменных входной ток i1 и выходное напряжение u2, а зависимыми становятся: входное напряжение u1 и выходной ток i2. При таком выборе четырехполюсник описывается системой уравнений на основе h-параметров

Указанный выше выбор зависимых и независимых переменных приводит к преобразованию данной системы к виду

u

(3)

1 = h11i1 + h12u2;

i2 = h21i1 + h22u2.

Тогда физический смысл h-параметров определяется как:

- входное сопротивление при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;

- коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода на входе по переменному сигналу;

- коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе по переменному сигналу;

- выходная проводимость при холостом ходе на выходе по переменному сигналу.

Единицы измерений h-параметров различны: h11 измеряется в омах, h22 - в сименсах, h21 и h12 - безразмерны. Так как физические размерности параметров неодинаковые, то такую систему называют гибридной.

С хема замещения транзистора на основе h-параметров представлена на рис. 11. В ней генератор э.д.с. h12u2 учитывает наличие напряжения обратной связи во входной цепи, когда на выходе действует напряжение u2, а входная цепь разомкнута. Сам генератор считается идеальным, т.е. не имеющим внутреннего сопротивления. Идеальный генератор тока h21i1 учитывает взаимосвязь выходного и входного токов.

В инженерных расчетах обычно используется упрощенная эквивалентная схема БПТ на основе h-параметров (рис. 12), в которой отсутствуют параметры h12 и h22 в силу их незначительного влияния на функционирование транзистора.

Для каждой схемы включения транзистора существует свой набор h-параметров, идентифицируемый соответствующим индексом, но между этими наборами существует однозначная связь, представленная в табл. 1.

Таблица 1

H11э

h11б

H12э

h12б

H21э

h21б

H22э

h22б

Применительно к схеме включения с ОЭ для коэффициента h21э широко используется обозначение , а в схеме с ОБ - вместо h21б коэффициент -, так как в данной схеме включения направления тока iк противоположно базовому направлению тока i2 исходного четырехполюсника (см. рис. 10), т.е. h21б<0. Но в практических расчетах коэффициент обычно используется как положительная величина.

H-параметры обычно измеряются специальными техническими средствами, что упрощает данный процесс и повышает его точность, но при практических расчетах значения данных параметров могут быть определены и графо-аналитическим методом по статическим входным и выходным ВАХ, так как переменные составляющие токов и напряжений транзистора представляют приращения постоянных составляющих этих величин, т.е. система (3) может быть представлена в виде

U1= h11I1 + h12U2;

U1= h11I1 + h12U2.

На рис. 13 показан процесс определения h-параметров по входной ВАХ транзистора, а на рис. 14 - по выходной. Из рисунков видно, что значения h-параметров не являются постоянными для конкретного транзистора и зависят от режима по постоянному току (рабочей точки покоя транзистора) - значений постоянных составляющих токов и напряжений на входе и выходе транзистора. Поэтому в справочной литературе при указании h-параметров обязательно указывается и режим, при котором произведены измерения. Значения h-параметров также зависят от частоты переменного сигнала и температуры окружающей среды.

;

.