Реферат: Методические указания к лабораторной работе по исследованию статических характеристик и параметров биполярных транзисторов цель работы

Методические указания к лабораторной работе по исследованию статических характеристик и параметров биполярных транзисторов


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).


Один из крайних слоев (рис.2.1) например левый, называется эмиттером (сильно легированный слой с 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 с большой 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 с 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.

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

Н
а рис. 2.3а эмиттерный ток Iэ = 0, так как приложено только обратное напряжение к коллекторному переходу П2, то в транзисторе создается только начальный коллекторный ток Iкo через переход П2, обусловленный неосновными носителями. Ток Iko(10 - 100)мкА для германиевых транзисторов а Iko (0,1 - 10)мкА для кремниевых транзисторов. При повыше­нии температуры число неосновных носителей заряда возрастает, и Iko увеличивается.

При подключении эмиттера к положительному зажиму источника питания Еэ (рис.2.3б) возникает эмиттерный ток Iэ. Так 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 Iб.

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 Iк.

Связь между коллекторным и эмиттерным токами характеризуется коэффициентом передачи тока



Так как , коэффициент передачи тока всегда меньше единицы. Для 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)


С
хема 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)

С
хема 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.


Н
а 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


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

Для регулировки напряжений и токов транзистора используются потенциометры. Включение стенда и подача напряжения осуществляется кнопками на стенде.

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 , напряжения и .


^ 4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ


Изучить свойства, принцип работы, схемы включения и режимы работы биполярных транзисторов.

Зарисовать таблицы 4.1 и 4.2.

Ознакомиться с лабораторным стендом.

Снять входные характеристики транзистора

Результаты записать в таблицу 4.1


Таблица 4.1

Uэк = 0

Uэб, В



















Iб, mA



















Uэк = 5В

Uэб, В



















Iб, mA






















Снять выходные характеристики транзистора при . Результаты записать в таблицу 4.2

Таблица 4.2

Iб = 0

Uэк, В



















Iк, mA



















Iб = 3 mA

Uэк, В



















Iк, mA



















Iб = 6 mA

Uэк, В



















Iк, mA






















По данным таблицы 4.1 и 4.2 построить входные и выходные характеристики транзистора, по которым определить “” – параметры транзистора.

В
ходные и выходные характеристики транзистора показаны соответственно на рис. 4.1а и 4.1б.

На выходных характеристиках выделены заштрихованные области I и III, соответствующие режимам насыщения (I) и отсечки (III), и область усиления (II).

Рассматривая транзистор как четырехполюсник, два зажима которого объединены в одну общую точку, можно получить аналитическую связь между его входными и выходными напряжениями и токами.

Наиболее широко в транзисторной электронике нашла применение система уравнений с использованием “” – параметров. В этой системе для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, получим:


(4.1)




Эти параметры могут быть легко определены по входным и выходным характеристикам транзистора (они приводятся в справочниках по транзисторам).

Если , то из (4.1):

, (4.2)

где – входное сопротивление транзистора.

Для определения используем входную характеристику Uэк = 0 (рис. 4.1).

, (4.3)

где – коэффициент усиления по току при коротком замыкании на выходе. определяем по выходным характеристикам транзистора при (рис. 4.1б).

Если , то из (4.1):

, (4.4)

Где – коэффициент обратной передачи по напряжению при холостом ходе на выходе. определяем по выходным характеристикам транзистора при (рис.4.1а).

, (4.5)

Где – проводимость выходной цепи при холостом ходе на входе. Определяем по выходной характеристике при .

Для опытного нахождения данных параметров характеристики линеаризируют в окрестностях их средних точек.


Проанализировать полученные зависимости и сделать вывод.



^ 5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА


Цель лабораторной работы.

Электрическая схема исследования транзистора, выполненная в соответствии с ГОСТ.

Результаты измерений (табл. 4.1 и 4.2).

Кривые зависимости при и при и полученные по ним значения “” – параметров.

Выводы по работе.


^ 6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ


Какой полупроводниковый прибор называют биполярным транзистором?

Биполярный транзистор какого типа используется в данной работе?

Какая область транзистора называется эмиттерной, в чем ее особенность?

Какая область транзистора называется коллектором, в чем ее назначение?

Какая область транзистора называется базой?

Что такое эмиттерный и коллекторный переходы?

Какое условное графическое изображение транзистора на схемах?

Какие уравнения связывают между собой токи в транзисторе?

В чем особенность схемы транзистора с общей базой?

В чем особенность схемы транзистора с общим эмиттером?

В чем особенность схемы с общим коллектором?

Что такое входная и выходная характеристики биполярного транзистора?

Какие режимы работы транзистора Вы знаете?

Как записаны в системе “” – параметров уравнения для транзистора, собранного по схеме с общим эмиттером?

Какие параметры транзистора можно определить по его входным характеристикам?

Какие параметры можно определить по его выходным характеристикам?