Определение параметров транзисторов по их характеристикам.

Лабораторная работа № 3

ИЗУЧЕНИЕ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Лабораторная работа № 3

Изучение биполярных транзисторов

Цель работы: овладеть осциллографическим методом получения статических вольт-амперных характеристик биполярного транзистора и методикой определения параметров транзистора по его характеристикам.

Введение

Устройство транзистора. Биполярный транзистор является полупроводниковым прибором с двумя р п переходами, в котором ток обусловлен движением неосновных носителей заряда. Действие биполярного транзистора связано с движением носителей заряда обоих знаков — электронов и дырок.

Биполярный транзистор содержит три области полупроводника с чередующимися типами проводимости - n-р-n (рисунок 1а) или р-n-р (рисунок 1б). Средняя область называется базой, крайние — эмиттером и коллектором. На границе эмиттер-база образуется р — n-переход, называемый эмиттерным, на границе база-коллектор- р-n-переход, называемый коллекторным.

 

а - типа n-p-n; б – типа p-n-p

Рисунок 1 - Структура и условные обозначения биполярного транзистора

Режимы работы и включение. К переходам транзисторов подводят напряжения питания, которые могут быть приложены к переходам в прямом или обратном направлениях. В зависимости от их полярности различают режимы работы транзисторов.

В активном режиме напряжение на эмиттерном переходе прямое, на коллекторном переходе — обратное. Режиму насыщения соответствуют прямые напряжения на обоих переходах, режиму отсечки — обратные. Инверсный режим характеризуется обратным напряжением на эмиттерном переходе и прямым напряжением на коллек­торном. Полярности напряжений питания транзисторов типа n-р-n и р-n-р, находящиеся в одном и том же режиме, противоположны по знаку.

Различают три основные схемы включения транзисто­ров: с общим эмиттером (рисунок 2а), с общей базой (рисунок 2б) и с общим коллектором (рисунок 2в).

 

а- с общим эмиттером; б – с общей базой; с – с общим коллектором

 

Рисунок 2 - Включение транзистора типа n-p-n

 

Характеристики транзистора. В транзисторе взаимосвязанными являются четыре величины — входной ток i₁, входное напряжение u₁, выходной ток i₂, выходное напряжение u₂. Эти токи и напряжения относятся к определенным электродам в соответствии со схемой включения транзистора. Взаимосвязь токов и напряжений электродов обычно выражается семействами входных и выходных характеристик.

Входные характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой (рисунок 3а), выражают зависимость тока эмиттера i_э от напряжения эмиттер-база u_эб при неизменном напряжении коллектор — база u_кб, т. е. i_э = f(u_эб) при u_кб = const. При u_кб = 0 входная характеристика близка к вольт-амперной характеристике полупроводникового диода. В активном режиме (u_кб > 0) характеристика смещается в сторону больших токов эмиттера вследствие модуляции ширины базы и изменения градиента концентрации неосновных носителей заряда в базе. Однако влияние напряжения u_кб на ток эмиттера проявляется слабо, так как электрическое поле, вызванное напряжением u_кб, почти полностью сосредоточено в коллекторном переходе. В режиме насыщения (u_кб <0) характеристика смещается в сторону меньших токов i_s.

Выходные характеристики транзистора в схеме с общей базой (рисунок 3б) выражают зависимость тока коллектора I_k от напряжения коллектор — база u_кб при заданном значении тока эмиттера i_э: i_k=f(u_кб) при i_э=const.

 

 

Рисунок 3 – Статические характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой.

При i_э=0 выходная характеристика выражает зависимость обратного тока коллекторного перехода u_кб от обратного напряжения, приложенного к нему. При появлении тока эмиттера (i_э>0) в цепи коллектора проходит ток i_k. В активном режиме выходные характеристики представляют собой почти прямые линии, имеющие небольшой наклон к оси абсцисс. Небольшое увеличение тока i_k при возрастании напряжения u_кб объясняется модуляцией ширины базы и некоторым увеличением в связи с этим градиента концентрации электронов в базе. При больших напряжениях u_кб наблюдается увеличение коллекторного тока, обусловленного лавинным размножением электронов. В случае отрицательного напряжения коллектора (u_кб <0) транзистор находится в режиме насыщения. Коллекторный переход открывается, возникает встречный поток электронов из коллектора в базу, ток коллектора i_k резко уменьшается.

Для схемы с общим эмиттером входная характеристика транзистора (рисунок 4а) представляет собой зависимость тока базы i_б от напряжения база —эмиттер u_эб при определенном значении напряжения коллектор -эмиттер u_кэ: i_б=f(u_эб) при u_кэ = const.

Вид этой характеристики такой же, как и входной характеристики для схемы с общей базой. Однако i_б < i_э и изменение тока базы, приходящееся на единицу напряжения u_кэ, значительно меньше, чем такое изменение тока эмиттера. Увеличение напряжения u_кэ вызывает уменьшение тока i_б, так как происходит уменьшение ширины базы и снижается вероятность рекомбинации в базе неосновных носителей заряда.

Выходные характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером (рисунок 4б) представляют собой зависимость тока коллектора i_k от напряжения коллектор— эмиттер u_кэ при постоянном токе базы i_б: i_k=f(u_кэ) при i_б=const.

Участки характеристик, соответствующие малым значениям напряжения u_кэ являются крутыми. Объясняется это тем, что напряжение, приложенное к коллекторному переходу, равно разности напряжений u_кэ— u_бэ. Пока u_кэ < u_бэ, к коллекторному переходу приложено прямое напряжение, транзистор работает в режиме насыщения и ток коллектора сильно зависит от напряжения на коллек­торном переходе. После перехода транзистора в активный режим (u_кэ > u_бэ) выходные характеристики транзистора имеют пологий вид. Однако зависимость тока i_k от напряжения u_кэ проявляется в большей степени, чем для транзистора, включенного по схеме с общей базой. Увеличение напряжения u_кэ вызывает расширение коллекторного перехода и сужение области базы. Вероятность рекомбинации электронов в базе и ток базы уменьшаются. Чтобы поддерживать ток базы i_б неизменным, необходимо увеличивать напряжение u_бэ. А это приводит к увеличению инжекции электронов в базу и возрастанию коллекторного тока.

Параметры транзистора. Из четырех взаимосвязанных величин напряжений и токов u₁, u₂, i₁, i₂ электродов транзистора две можно считать независимыми переменными, две - зависимыми переменными. Возможны шесть вариантов функциональных зависимостей и шесть вариантов параметров транзистора.

Наибольшее распространение получила система h-параметров, называемая гибридной. В этой системе зависимости между токами и напряжениями представляются в виде: u₁ = f₁(i₁, u₂ ); i₂ = f₂(i₁, u₂ ).

Для этих функций полные дифференциалы напряжения du₁ и тока di₂ имеют вид:

 

 

На низких частотах h-параметры транзистора представляют собой действительные числа, на высоких частотах — комплексные, так как между токами и напряжениями электродов транзистора имеются фазовые сдвиги, обусловленные наличием емкостей переходов, внутренней обратной связью, конечным временем перемещения носителей заряда в базе и другими причинами.

Приборы и принадлежности: лабораторный стенд, осциллограф, миллиамперметр, вольтметр, исследуемые транзисторы.

Определение параметров транзисторов по их характеристикам.

По семействам входных (рисунок 4а) и выходных (рисунок 4б) характеристик могут быть определены изменения токов электродов транзистора под влиянием напряжений электродов и по величинам этих изменений рассчитаны параметры транзисторов. Изменения напряжений и токов должны быть небольшими, чтобы в их пределах характеристики транзистора представлялись отрезками прямых.

 

Рисунок 4 – Определение статических параметров транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, по характеристикам: а – входной; б – выходной.

Зная значения напряжений и токов, можно вычислить параметры транзистора:

 

 

 

Осциллографический метод получения статических вольт-амперных характеристик транзисторов.

Для получения статических характеристик транзистора могут быть использованы цепи, представленные на рисунках 5а и 5б.

 

 

Рисунок 5а – Схема получения осциллограммы выходной статической характеристики транзистора, включенной по схеме с общим эмиттером

 

 

 

Рисунок 5б – Схема получения осциллограммы входной статической характеристики транзистора, включенной по схеме с общим эмиттером

 

Чтобы получить выходные характеристики транзистора, к коллектору подводят пульсирующее напряжение (рисунок 5а). Для этого источник переменного напряжения через диод VD2 соединяют с коллектором. На базу через резистор R2 протекает постоянный ток. Для получения постоянного тока использован однополупериодный выпрямитель, состоящий из диода VD1 и постоянного конденсатора С1. Резистор R1 служит для изменения амплитуды выпрямленного напряжения. Ко входу Х осциллографа подводят пульсирующее напряжение u_кэ, управляющее отклонением электронного пучка по горизонтали. На вход У поступает напряжение снимаемое с резистора R4, под действием которого электронный пучок перемещается по вертикали. Поскольку сопротивление R4 включено в цепь коллектора последовательно, то напряжение на нем пропорционально току коллектора.

Для получения входной характеристики транзистора (рисунок 5б) к коллектору подводят постоянное напряжение Е_к, к базе – пульсирующее напряжение. Амплитуду напряжения базы регулируют потенциометром R3. На вход Y осциллографа подается напряжение, снимаемое с резистора R4. Падение напряжения на этом резисторе пропорционально току базы. Напряжение U_бэ подают на вход Х осциллографа.

 

Выполнение работы

1. Определите по справочнику цоколевки, характеристики и параметры транзисторов, предназначенных для исследований. Установите предельные напряжения и токи электродов. Сделайте записи.

2. В соответствие с заданием нарисуйте схему цепи с общим эмиттером или общей базой для снятия входных и выходных характеристик заданного транзистора. Укажите на схеме полярности и предельные значения напряжений и токов электродов.

3. Соберите схему для исследования выходной характеристики транзистора с общим эмиттером.

4. Зарисуйте полученную осциллограмму. По полученной осциллограмме постройте выходную характеристику транзистора в схеме с общим эмиттером.

5. Для получения тока коллектора разделите напряжение, подаваемое на Y вход осциллографа на сопротивление R₁ и получите выходной ток.

6. При помощи амперметра измерьте выходной ток I-базы (для О_э). Выполнение работы.

7.Изменяя с помощью резистора R₂ ток базы, получите выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером для двух других значений тока базы.

Задание 2

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: