Исследование биполярного транзистора

Цель работы: изучение статических характеристик и параметров биполярного плоскостного транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ).

Оборудование и принадлежности: лабораторный стенд, транзистор МП40, соединительные провода.

Основные теоретические сведения

Биполярный транзистор – это трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими электронно-дырочными переходами. В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов p-n-р и n-p-n (рис. 6 а, б). Их условное обозначение на электронных схемах показано на рис. 6 в, г.

Ц ентральную часть кристалла называют базой. С одной стороны к базе примыкает область с высокой концентрацией примеси, которая называется эмиттером, а с другой стороны базы – область с низкой концентрацией примеси, называемая коллектором. Так же называются p-n-переходы, создаваемые этими слоями со слоем базы, а также внешние выводы этих слоев. Внешнее напряжение подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллекторного перехода - в обратном направлении.

Поскольку в эмиттерном переходе внешнее напряжение действует в прямом направлении, потенциальный барьер для дырок, основных носителей зарядов эмиттерного слоя в p-n-p-транзисторе, уменьшается, и дырки из эмиттера под действием диффузии будут в большом количестве переходить (инжектировать) в область базы. Большинство дырок в последующем достигает коллектора и вызывает коллекторный ток транзистора.

Существуют три способа включения транзистора (рис. 7):

• с общей базой (ОБ) (рис. 7, а);

• с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 7, б);

• с общим коллектором (ОК) (рис. 7Э в).

Включение транзистора по схеме с ОЭ получило широкое распространение, так как дает существенные преимущества по сравнению с другими схемами включения: значительное усиление по току, большое усиление по напряжению, максимальное усиление по мощности, большое входное и небольшое выходное сопротивление по сравнению со схемой с ОБ, что упрощает согласование каскадов усилителей.

Для расчета и анализа усилительных каскадов достаточно двух семейств характеристик – входных и выходных (рис.8). Выходные характеристики транзистора в схеме ОЭ определяют зависимость коллекторного тока Iк=F(Uкэ) при Iб=const (рис.8, а). Входные (базовые) характеристики транзистора отражают зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при фиксированном напряжении коллектор - эмиттер (рис.8, б): Iб= F(Uба) npu Uкэ = const.

По экспериментально снятым и построенным в соответствующих системах координат характеристикам можно определить малосигнальные параметры транзистора – h –параметры.

В режиме малого сигнала характеристики с достаточной степенью точности могут считаться линейными. В этом режиме транзистор принято изображать в виде линейного четырехполюсника (рис.9), связь между входными и выходными параметрами которого выражаются следующими уравнениями:

где при - входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе;

при - коэффициент обратной связи, показывающий, какая часть напряжения передается с выхода на вход при разомкнутой входной цепи;

при - коэффициент усиления транзистора по току, измеренный при коротком замыкании на выходе;

при - выходная проводимость транзистора при разомкнутой входной цепи.

Данные уравнения позволяют определить h-параметры по экспериментальным характеристикам (рис.10, 11):

= при - const;

= при I_б- const.

= при - const; = при I_б- const

Для определения через рабочую точку проводят касательную к входной характеристике и строят треугольник. Отношение катетов треугольника равно .

Для определения выбирают две входные характеристики, снятые при разных напряжениях U_кэ. Через рабочую точку проводят горизонтальную линию, которая пересекает две входных характеристики, что соответствует I_б-const. Отрезок АВ пропорционален приращению напряжения ΔU^*_бэ, а приращение напряжения на коллекторе равно разности напряжений, при которых сняты характеристики ΔU_кэ.

Для определения в области рабочей точки проводят вертикальную линию, которая пересекает две соседние выходные характеристики. Отрезок АВ пропорционален приращению тока ΔI_к, а приращение тока базы равно разности токов, при которых сняты выходные характеристики ΔI_б.

Для определения на выходной характеристике с током базы, близким к току базы в рабочей точке, находят приращение тока коллектора ΔI*_к, вызванное приращением напряжения на коллекторе ΔU_кэ при постоянном токе базы.

Положение рабочей точки транзистора при его включении в схеме с общим эмиттером определяется пересечением одной из выходных характеристик и нагрузочной прямой. Нагрузочная прямая описывается уравнением U_к=Е_к – I_кR_к, где Е_к -ЭДС источника напряжения в цепи коллектора; R_к - сопротивление коллекторной нагрузки. Нагрузочная прямая строится по двум точкам:

U_к= Е_к при I_к =0;

I_к = Е_к / R_к при U_к =0.

Требования безопасности труда

Не включать лабораторный стенд без проверки преподавателем схемы со­единений. При переключении измерительных приборов в ходе работы выключить тумблер «СЕТЬ».

Порядок выполнения работы

1. Подключить источники питания ГТ и ГН2, измерительные приборы во входной и выходной цепях схемы, соблюдая полярность ( рис. 12).

Во входной цепи использовать прибор блока ИВ для измерения тока базы I_б (РА1), переключатель которого установить в положении ГТ 1 мА, прибор АВМ1 на пределе 1В для измерения напряжения база – эмиттер (PV1).

_Рис.12.

2. Установить на стенд транзистор.

3. Исследовать зависимость тока базы I_б от напряжения база-эмиттер U_бэ при U_кэ: 0, -5 и -7,5 В. Изменять ток базы регулятором ГТ от 0 до 500 мкА. Данные занести в таблицу, разработанную самостоятельно.

4. Исследовать зависимость тока коллектора I_к от напряжения коллектор-эмиттер U_кэ для трех значений тока базы I_б : 100, 200 и 300 мкА. Для этого сделать следующее:

• отключить РА1 и вставить в гнездо перемычку;

• для измерения тока коллектора использовать прибор АВМ1 (50 мкА);

• снять зависимость I_к =F(U_кэ).

Изменять U_кэ от 0 до 15 В через 2 В до значения I_к =30 мА. Данные занести в самостоятельно составленную таблицу.

5. Исследовать передаточную характеристику транзистора. Ток базы измерить с помощью генератора тока ГТ в пределах от 0 до 500 мкА при U_к = 5В и 10В. Данные занести в таблицу.

Обработка результатов измерений

Построить семейства входных и выходных характеристик с указанными на них областями насыщения, отсечки и активного режима.

По полученным характеристикам рассчитать значения h-параметров для точки, соответствующей I_б =100мкА , U_кэ =5В.

Контрольные вопросы

1. Графическое обозначение транзисторов p-n-p, n-p-n.

2. Как маркируются транзисторы?

3. Как устроены транзисторы р-п-р, n-p-n типов?

4. Принцип действия транзистора.

5. Режимы работы транзистора.

6. Схемы включения транзистора и их особенности.

7. Нарисовать входные и выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ.

8. Как определить h- параметры транзистора в схеме с ОЭ по характе­ристикам?

Лабораторная работа З