Краткая теория. Исследование статических характеристик биполярного транзистора

Подготовка к работе.

Исследование статических характеристик биполярного транзистора

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Цель работы:Ознакомиться с устройством и принципом действия биполярного транзистора. Изучить его вольтамперные характеристики в схемах включения с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ) и определить основные параметры транзистора.

Изучить следующие вопросы курса:

1. Устройство и принцип действия биполярного транзистора.

2. Схемы включения транзистора (ОБ, ОЭ, ОК).

3. Распределение потенциала и физические процессы в транзисторе.

4. Уравнение токов для схем включения ОБ и ОЭ.

5. Статистические характеристики транзистора в схемах включения ОБ и ОЭ.

6. Предельные режимы работы биполярного транзистора. Рабочая область выходных характеристик.

Биполярный транзистор –электропреобразовательный прибор, содержащий два взаимодействующих p-n перехода. Структура n-p-n транзистора показана на рис.2.1.

В первом приближении работа транзистора может быть описана следующим образом:

1. Под действием напряжений, приложенных к эмиттерному U_Э и коллекторному U_К переходам через них протекают токи i₁ и i₂, рассчитываемые по «диодным» формулам:

(2.1)

(2.2)

где I_ЭБ0 – тепловой ток эмиттерного перехода, протекающий при замыкании выводов коллектора и базы (U_К =0);

I_КБ0 – тепловой ток коллекторного перехода, протекающий при замыкании вывода эмиттера и базы (U_Э =0).

Напряжения на переходах считаются положительными, если они приложены в прямом направлении. Для n-p-n транзистора:

U_Э = U_БЭ = –U_ЭБ

U_К = –U _БК = U_КБ.

(Использование напряжений на переходах позволяет описывать n-p-n и p-n-p транзисторы одинаковыми формулами).

2. Взаимодействие близкорасположенных переходов приводит к тому, что ток i₁ с коэффициентом a_N» 0,97–0,999 передаётся в коллекторный переход. Таким образом, основная часть тока i₁ протекает через цепь коллектора (a_N i₁) и только малая часть (1-a_N)i₁ – через цепь базы. Аналогично, ток i₂ с коэффициентом a_I передаётся в цепь эмиттера. В этих выражениях a_N и a_I - соответственно нормальный и инверсный коэффициенты передачи тока.

Модель транзистора п–р–п типа, построенная в соответствии с изложенным выше положениями (классическая модель Эберса–Молла), приведена на рис.2.2.

В соответствии с выбранным положительным направлениями токов можно записать уравнения Эберса–Молла, соответствующие схеме на рис. 2.2., в виде:

(2.3)

в которых токи i₁ и i₂ рассчитываются по формулам 2.1. и 2.2.

В реальных транзисторах стремятся улучшить передачу тока от эмиттера к коллектору и поэтому a_N > a_I. Можно показать, что четыре параметра простейшей модели Эберса–Молла связаны между собой соотношением:

a_N I _ЭБ0 = a_I I_КБ0. (2.4.)

Статическими характеристиками транзистора называют связи между токами и напряжениями, представленные в графической форме. На практике, в основном, пользуются входными и выходными вольтамперными характеристиками. В схеме с общей базой такими характеристиками являются: входные i_Э = f(U_ЭБ) при U_КБ = const и выходные i_К = f(U_КБ) при i_Э = const. Соответствующие ВАХ-ки приведены на рис. 2.3.

При U_КБ = 0 ток эмиттера меняется по экспоненциальному закону, как ток прямосмещенного р–п перехода. Рост тока эмиттера в активном режиме (U_КБ > 0) обусловлен эффектом Эрли.

При U_КБ < 0 транзистор переходит в режим насыщения, что приводит к уменьшению тока эмиттера. Область выходных характеристик (рис.2.3.б) левее оси ординат соответствует режиму насыщения, правее оси ординат – активному режиму. Область между осью абцисс и ВАХ - кой при i _Э = 0 является областью отсечки коллекторного тока.

В схеме с общим эмиттером входными и выходными характеристиками являются зависимости: i_Б = f(U_БЭ) при U_{КЭ =} const. и i_K = f(U_КЭ) при i_Б = const. Эти ВАХ-ки приведены на рис. 2.4

Входная характеристика при U_КЭ = 0 и U_БЭ > 0 соответствует режиму насыщения, т. к. коллекторный переход также смещен в прямом направлении: U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ = U_ЭБ > 0. При этом ток базы растет по экспоненциальному закону за счет возрастания рекомбинации при двухсторонней инжекции электронов в базу из эмиттера и коллектора. В активном режиме (U_КЭ > 0) входной ток базы уменьшается из-за эффекта Эрли. На выходных характеристиках область левее пунктирной линии соответствует режиму насыщения биполярного транзистора, а правее – активному режиму. Область, лежащая ниже i_Б1 = 0, соответствует режиму отсечки.

При работе с сигналами малой амплитуды I_Бm, U_БЭm, I_Кm, U_КЭm нелинейные ВАХ-ки в окрестности произвольной рабочей точки, задаваемой значениями i_Б(0) и U_КЭ(0), могут быть линеаризированы, например, с использованием h –параметров транзистора:

I_Кm =h₂₁I_Бm+h₂₂U_КЭm, U_БЭm =h₁₁I_Бm + h₁₂U_КЭm (2.5)

(2.6)

Эти параметры в соответствии с формулами (2.6) можно определить с помощью семейств характеристик (h₁₁, h₁₂ – по семейству входных, а h₂₁ и h₂₂ – по семейству выходных характеристик). Здесь h₁₁ – входное сопротивление, h₁₂ – коэффициент обратной передачи напряжения, h₂₁ – дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера, h₂₂– выходная проводимость транзистора.

В практических расчётах часто используется кусочно–линейная аппроксимация статических характеристик биполярного

транзистора (см. рис. 2.5).

Для аппроксимированных входных характеристик имеем:

(2.5)

а для выходных

(2.6)

В формулах (2.5–2.6)

Uпор	–	пороговое напряжение эмиттерного перехода,
	–	усредненное входное сопротивление транзистора,
RК.нас	–	выходное сопротивление транзистора в режиме насыщения (в начальной области). при iБ=сonst и UКЭ<UКЭ.нас
	–	усреднённое выходное сопротивление транзистора rК^* в активном режиме. при iБ= const и UКЭ>UКЭ.нас.

Задание к работе в лаборатории

1. Назвать основные типы транзисторов.

2. По заданному варианту выбрать соответствующий тип транзистора.

3. Пользуясь справочником:

3.1. Указать назначение и структуру транзистора;

3.2. Привести типовые значения неуправляемых токов I_КБ0 и I_КЭ0 и максимально-допустимых параметров I_{К МАХ}, U_{КБ МАХ}, Р_{К МАХ}, T_{n max} и T_{oc max};

3.3. Привести типовые входные и выходные характеристики транзистора для схемы включения ОЭ.

4. Собрать схему для снятия характеристик транзистора при включении его по схеме ОБ, изображенной на рис. 2.6.а или 2.6.б. в зависимости от структуры транзистора. ВНИМАНИЕ! Общие точки вольтметров соединять согласно схеме.

5. Снять три входных характеристики транзистора I_Э = f (U_ЭБ) при U_КБ = 0, 5В и 10В. Первую характеристику снимать до напряжения, при котором I_Э =0,5 I_{К МАХ}, остальные до значений, при которых выполняется условие Р_К = U_КБ * I_К < Р_{К МАХ}.

Снять выходные характеристики транзистора I_К=f(U_КБ) для I_Э =0, 2, 5 и 10мА. При снятии характеристик не превышать максимально допустимые параметры.

6. Собрать схему для снятия характеристик транзистора при включении его по схеме ОЭ, изображенной на схеме 2.7.а. или 2.7.б. в зависимости от типа транзистора. ВНИМАНИЕ! Общие

точки вольтметров соединять согласно схеме. Снять две входные характеристики I_Б=f(U_БЭ): одну при U_КЭ =0 и 10В Напряжение U_БЭ менять до значений, при которых электрические параметры транзистора не превышают максимально-допустимых значений.

7. Снять семейство из 4 выходных характеристик I_К=f(U_КЭ) при токах базы I_Б =0, 0,1; 0,3 и 0,5 мА. Обратить особое внимание на участок характеристик, соответствующий режиму насыщения.

8. Рассчитать h-параметры транзистора в схеме с ОБ и ОЭ в активной области по снятым вольтамперным характеристикам.

9. Построить выходную ВАХ-ку при токе базы, равном 100 мкА. Провести его кусочно-линейную аппроксимацию и определить U_{КЭ НАС}, I_{К НАС}, r_{к нас}, r_к.

Отчет должен содержать:

1. Тип исследуемого транзистора и его назначение.

2. Справочные значения параметров транзистора, взятые из справочника.

3. Схемы исследования и таблицы результатов измерений.

4. Графики входных и выходных характеристик, построенные на основании результатов измерений. На графиках построить рабочую область характеристик, соответствующей комнатной температуре.

5. Расчетные значения h-параметров в схемах с ОБ и ОЭ.

6. Выводы по работе.

Контрольные вопросы:

1. Устройство плоскостного транзистора.

2. Принцип действия биполярного бездрейфового транзистора.

3. Начертить потенциальную диаграмму р-n-р и n-р-n транзисторов.

4. Из каких компонентов состоят токи через эмиттерный и коллекторный переходы?

5. Из каких компонентов состоит ток базы?

6. Что такое коэффициент инжекции и коэффициент переноса?

7. Как влияет на работу транзистора неуправляемый ток коллекторного перехода? Каковы причины его возникновения?

8. Написать уравнение коллекторного тока для схем ОБ и ОЭ.

9. Нарисовать схемы включения транзистора ОБ, ОЭ и ОК.

10. Нарисовать и объяснить входные и выходные характеристики транзистора для схем ОБ и ОЭ.

11. Показать на входных и выходных характеристиках области, соответствующие режимам: активному, отсечки, насыщения.

12. Какими предельными параметрами ограничивается рабочая область выходных характеристик транзистора?

13. Как зависят значения предельных параметров от температуры?

14. Объяснить, как строится рабочая область выходных характеристик транзистора.

ЛИТЕРАТУРА

1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учеб. пособие для вузов/ Ю. А. Бобровский, С. А. Корнилов, И. А. Кратиров и др.; Под ред. проф. Н. Д. Фёдорова.–М.: Радио и связь, 1998.–560 с.: ил., с. 70–104.

2. Манаев Е. И. Основы радиоэлектроники: Учебное пособие для вузов.–2-е изд., перераб. и доп.– М.: Радио и связь, 1985.– 488 с., ил. с. 77–79, 88–97, 113–130.

3. Батушев В.А. Электронные приборы. –М.: Высшая школа, 1980, с. 93-121.

4. Дулин В.Н. Электронные приборы. Учебник для студентов ВУЗов, обучающихся по специальности «Радиотехника». Изд.3-е, перераб. И доп. –М.: Энергия, 1977, с. 278-297, 301-312.

5. Партала О. Н. Радиокомпоненты и материалы: Справочник. – К.: Радiоаматор, М.: КубК-а, 1998.–720 с.:ил.

6. Электроника: Справочная книга / Ю.А. Быстров, Я. М. Великсон, В. Д. Вогман и др.; Под ред. Ю. М. Быстрова.–СПб.: Энергоатомиздат. Санкт–Петербурское отделение, 1996.–544 с.: ил.

7. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник. Под ред. Парельмана Б.П. –М.: Радио и связь, 1981, 656 с.: ил.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Дата добавления: 2015-05-06