Материалы для подготовки к работе. Исследование биполярного транзистора

Исследование биполярного транзистора

Лабораторная работа № 11

Контрольные вопросы

1. Объясните устройство и принцип действия однофазного трансформатора.

2. Объясните, почему коэффициент трансформации трансформатора определяется из опыта холостого хода.

3. В какой цепи, первичной или вторичной, ток больше и почему?

4. Что происходит с током в первичной обмотке при увеличении тока во вторичной обмотке?

5. Что происходит с напряжением на зажимах вторичной обмотки при увеличении в ней тока?

Цель работы:

Ознакомится с устройством и принципом действия полупроводникового транзистора и получить практиче­ские навыки по исследованию входных и выходных ха­рактеристик транзистора.

Биполярный транзистор представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, имеет три вывода и предназначен для усиления и генерирования электрических сигналов.

Основным элементом транзистора является кристалл герма­ния или кремния, в котором с помощью соответствующих приме­сей созданы три области (слоя) с различными типами проводимо­сти. В германиевом транзисторе (рис. 11.1, а) обычно два крайних слоя обладают дырочной проводимостью (p -области), а внутрен­ний слой имеет электронную проводимость (n -область), в соот­ветствии с чем такой транзистор называется полупроводниковым триодом типа p-n-p.

a)	б)
Рис. 11.1. Строение и условное обозначение биполярного транзистора

Условное обозначение транзистора типа p-n-p показано на рис. 11.1, б. Кремниевые транзисторы чаще из­готовляют в виде полупроводниковых триодов типа n-p-n, прин­ципиальная схема и условное изображение которых показаны на рис. 11.2, б. Следует заметить, что принцип действия полупро­водниковых транзисторов независимо от их типа один и тот же. Различие состоит лишь в выборе полярности присоединяемых к ним источников питания. Средняя область (слой) транзистора не­зависимо от типа является его базой Б или основанием, а край­ние — эмиттером Э и коллектором К.

Наличие трех слоев с различной проводимостью обусловливает на границах их раздела два p-n- перехода, характеризующихся ди­намическим равновесием. Чтобы вывести p-n- переход из состояния равновесия, к нему прикладывается внешнее напряжение.

а) б)

Рис. 11.2. Схемы включения источников питания транзисторов

Схемы включения источников питания транзисторов типов p-n-p и n-p-n показаны на рис. 11.2 а, б.

Транзисторы включаются в схему таким образом, чтобы к пе­реходу эмиттер—база внешнее напряжение было приложено в прямом направлении, а к p-n- переходу коллектор – база – в обратном направлении.

При воздействии внешних напряжений потенциальный барь­ер между эмиттером и базой понижается, а между базой и кол­лектором — увеличивается. В результате основные носители за­ряда эмиттерного слоя переходят в область базы, а затем в область коллектора, создавая ток коллекторного перехода.

Одновременно с этим происходит и переход основных носи­телей заряда базы через эмиттерный переход. Однако в область базы при изготовлении транзистора вводят значительно меньшее количество атомов примеси, чем в эмиттер, поэтому ток эмиттерного перехода создается главным образом переходом основных носителей эмиттерного слоя. Если время прохождения основных носителей заряда эмиттера через область базы много меньше вре­мени их независимого существования, то основная часть этих но­сителей доходит до коллекторного перехода и попадает в об­ласть коллектора. При этом лишь небольшая часть указанных носителей рекомбинирует в области базы с ее основными носите­лями. Таким образом, значение тока в цепи коллекторного (закрытого) перехода зависит от значения тока в цепи эмиттерного (открытого) перехода.

В рассмотренном примере (см. рис. 11.1) базовый электрод является общим для эмиттерной и коллекторной цепей. Такое включение транзистора называют включением по схеме с общей базой. Схему усилительной ячейки на транзисторе с общей базой можно применять на более высоких частотах, однако она имеет коэффициент усиления по току меньше единицы и ма­лое входное сопротивление. Возможны также другие способы включения транзистора, с общим эмиттером (рис. 11.3, а), с общим коллектором (рис. 11.3, б).

a)	б)
Рис. 11.3. Схемы включения транзисторов: а - с общим эммитером; б – с общим коллектором

Схема включения транзистора с об­щим коллектором имеет большое входное и малое выходное сопротивления. Поэтому ее часто применяют в много­каскадных усилителях в качестве согласующего каскада и выходного каскада при работе на низкоомную нагрузку.

Наиболее час­то используют схему с общим эмиттером, с помощью которой можно осуществлять усиление по току, напря­жению и наибольшее по сравнению с другими схемами включе­ния транзистора усиление по мощности. Эта схема характеризу­ется незначительным входным сопротивлением.

В схеме с общим эмиттером ток базы управляет током коллектора, в схеме с общим коллектором ток базы управляет током эмиттера. Входным напряжением в схеме с общим эмиттером является U _бэ. На базе должно быть отрицательное напряжение (в случае транзистора тина p-n-p, чтобы первый переход оказался открытым. Выходным напряжением здесь является U _кэ. Напряжение на коллекторе также должно быть отрицательным относительно эмиттера, а чтобы второй переход был закрытым, напряжение на коллекторе по модулю должно превышать напряжение на базе.

Представим себе структуру транзистора типа n-p-n, включенного по схеме ОЭ (рис. 11.4, а). Условное обозначение такого транзистора приведено на рис. 11.4, б.

а)	б)
Рис. 11.4. Принцип действия транзистора а – структура транзистора; б – условное обозначение

Для удобства отсчета потенциалов эмиттер транзистора заземлим. Входным электродом транзистора является база p- типа, выходным — коллектор n-типа. В соответствии с изложенным ранее между базой и эмиттером подается небольшое положительное напряжение U _бэ, а между коллектором и эмиттером напряжение U _кэ также положительное и большее, чем U _бэ (несколько вольт). Тогда на переходах транзистора получаются напряжения, соответствующие его работе в усилительном режиме.

При подаче указанных напряжений в структуре транзистора происходят сле­дующие явления. Поскольку на эмиттерный p-n-переход подано прямое напряжение, возникает инжекция, т.е. введение электронов из эмиттера в базу. Одновременно инжектируют и дырки из базы в эмиттер, но этим явлением можно пренебречь, так как база имеет меньшую концентрацию примесей по сравнению с эмиттером, а следовательно, и меньшую концентрацию носителей заряда.

Небольшая часть инжектированных электронов (1-3 %) рекомбинирует с дырками базы. За счет этого по проводу, соединенному с базой, будет протекать небольшой ток базы I _б. Остальная часть электронов (α=0,97÷0,99) проникает далее в коллектор. Этому способствует положительный заряд коллектора, а также то, что базу намеренно выполняют очень тонкой (порядка 1 мкм).

Из такого рассмотрения легко понять механизм усиления схемы ОЭ по току и напряжению. Действительно, пусть за счет входного переменного сигнала напря­жение U _бэ изменяется. Это приведет к значительным колебаниям инжектирован­ного эмиттером тока. Наиболее значительная часть этого тока будет протекать в коллектор, а на долю базы опять будет приходиться только небольшая часть тока. Это означает, что хотя входной ток базы небольшой, однако он вызывает значительные колебания тока на выходе. Если же в коллекторную цепь включить резистор с достаточно большим сопротивлением, то в соответствии с законом Ома колебания тока вызовут увеличение амплитуды колебания напряжения, т.е. произойдет усиление сигнала и по току, и по напряжению.

Поскольку полярность напряжений, подаваемых на базу и коллектор, положительная, обе цепи можно питать от одного источника, на базу напряжение подают с помощью делителя, так как оно должно быть небольшим.

Параметры транзистора можно определить по его входным и выходным характеристикам. Входные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, представляют собой зависимости тока базы от напряжения на базе:

I_б=f (U _бэ) при U_кэ=const.

На рис. 11.5 приведены входные характеристики транзистора при его включении с общим эмиттером.

При открытом первом переходе ток базы I_б (т. е. входной ток) сильно зависит от прямого напряжения на базе U _{б э} и мало зависит от обратного напряжения U _кэ (при его большом значении).

При увеличении обратного напряжения U _кэ входная характеристика немного смещается вниз, что объясняется уменьшением тока базы из-за увеличения тока коллектора.

Используя входную характеристику транзистора, можно определить его входное сопротивление R _вх для определенного положения рабочей точки А (рис. 11.5). Для этого при постоянном напряжении на коллекторе U _кэ задают приращение тока базы ∆ I _б и определяют получающееся при этом изменение напряжения на базе ∆ U _бэ. Входное сопротивление транзистора определяют как отношение R _вх = ∆ U _бэ / ∆ I _б.

Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, представляют собой зависимости коллекторного тока от напряжения на коллекторе:

I _к = f (U _кэ) при I _б = const.

На рисунке 11.6 приведены выходные характеристики транзистора включенного по схеме с общим эмиттером.

Рис.11.5. Входные характеристики	Рис. 11.6. Выходные характеристики

С увеличением тока базы I _б характеристики смещаются вверх. Связь между током коллектора I _к и током базы I _б определяется коэффициентом передачи тока базы β =∆ I _к/∆ I _б, который легко можно выразить через известный коэффициент передачи тока эмиттера α:

β =∆ I _к /∆ I _б = ∆ I _к /(∆ I _э-∆ I _к) = α /(1 - α).

Коэффициент передачи тока базы β зависит от напряжения на коллекторе U _кэ и от тока эмиттера I _э. У транзисторов имеется некоторое оптимальное значение тока эмиттера, при котором коэффициент передачи тока базы β получается наибольшим.

При увеличении тока базы на ∆ I _б характеристика коллекторного тока смещается вверх на β ∆ I _б. Так как коэффициент передачи тока базы β зависит от тока эмиттера, смещение выходных характеристик вверх при одинаковых изменениях тока базы получается различным: сначала расстояние между характеристиками возрастает, а затем уменьшается.

При малых напряжениях на коллекторе ׀ U _кэ׀<׀ U _бэ׀ транзистор переходит в режим насыщения, при котором не основные заряды инжектируются в базу не только эмиттером, но и коллекторным переходами. Для сохранения тока базы неизменным (так как характеристики снимают при I _б = const) нужно уменьшить напряжение на базе, что приводит к резкому уменьшению токов эмиттера и коллектора. В этом месте выходные характеристики имеют резкий спад, коэффициент передачи тока базы β резко уменьшается, эффективность управления коллекторным током снижается.

По выходным характеристикам можно определить также выходное сопротивление транзистора R _выx. Для этого в рабочей точке А при I _б = const задают приращение коллекторного напряжения ∆ U _кэ и определяют получающееся при этом приращение тока коллектора ∆ I _к. Выходное сопротивление транзистора находят как отношение:

R _вых=∆ U _кэ/∆ I _к.

Дата добавления: 2014-11-29