Исследование характеристик и параметров биполярного транзистора: Методические указания к выполнению лабораторной работы

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

Балаковский институт техники, технологии и управления

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ

БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по дисциплине «Электроника»

для студентов специальности 220201.65

всех форм обучения

Одобрено

редакционно-издательским советом

Балаковского института техники,

технологии и управления

Балаково  2010

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение принципов работы транзистора, исследование его входных и выходных характеристик и определение по результатам эксперимента основных параметров h₁₁, h₂₁, h₂₂  транзистора.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

1.  Устройство биполярного транзистора

Биполярным транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий в своей структуре два взаимодействующих p-n-перехода в одном монокристале и три внешних вывода, и предназначенный, в частности, для усиления электрических сигналов (рис. 1).  Изготавливается на основе германия или кремния.

Термин “биполярный” подчеркивает тот факт, что принцип работы прибора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд (дырок и электронов).

Рис. 1 – Структура биполярного транзистора

          В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов p-n-p и  n-p-n. В транзисторах функции всех трех слоев и их названия аналогичны, изменяется лишь тип носителей заряда, проходящих через базу: в приборах типа p-n-p – это дырки, в приборах типа n-p-n – электроны. Условные графические и буквенные обозначения транзисторов n-p-n-типа  и p-n-p-типа рис 2.

Рис. 2 – Графическое обозначение биполярных транзисторов n-p-n-типа  и p-n-p-типа

          Средний слой кристалла называют базой(Б). Ее толщина мала, составляет несколько микрометров и концентрация примесей здесь значительно меньше, чем в соседних слоях. Крайние слои называют эмиттером (Э)  и  коллектором (К).

2.  Принцип работы транзистора.

Принцип работы заключается в следующем. Если в эмиттерном р-n переходе подать положительное напряжение на эмиттер и отрицательное напряжение на базу (рис. 3), то эмиттерный р-n переход окажется включенным в пропускном направлении. В этом случае из эмиттера в базу инжектируются (вводятся) дырки, которые в базе являются не основными носителями.

Рис. 3 – Биполярный транзистор, включенный в цепь

Дырки диффундируют сквозь базу и доходят до коллекторного р-n перехода. Коллекторный переход включается в обратном направлении, т.е. к коллектору прикладывается минус, а к базе плюс напряжения. При этом через него протекает пренебрежимо малый ток не основных носителей (собственный ток коллекторного перехода I_k). Дырки, захваченные электрическим полем коллекторного перехода, увеличивают коллекторный ток I_k. Так как в данном случае ток I_k зависит от концентрации дырок, дошедших от эмиттера до коллектора, то можно сделать вывод, что I_k зависит от I_э и, изменяя I_э, можно менять  I_k. Следует отметить, что не все дырки, инжектированные эмиттером, доходят до коллектора. Часть их рекомбинирует в области базы. Поэтому область базы стараются сделать тоньше, чтобы большая часть инжектированных дырок была захвачена электрическим полем коллекторного перехода. Так как I_k будет меньше I_Э, то I_k=αI_Э, где α < 1 и называется коэффициентом передачи тока транзистора в схеме с общей базой. Если же учесть, что сопротивление коллекторного перехода велико, то I_k, увеличиваясь за счет дырок, пришедших с эмиттера, вызывает перераспределение падения напряжения в коллекторной цепи, т.е. падение напряжения на коллекторном переходе уменьшается, а на сопротивлении нагрузки Кн увеличивается, причем

ΔU_RH=R_H ΔI_k                                                                                                                                   (1)

Напряжение в цепи коллектора много больше напряжения источника питания цепи эмиттера. Вследствие этого будет наблюдаться усиление сигнала по напряжению и мощности, но усиления по току не будет. Последнее ограничивает применение схемы включения транзистора с общей базой. Чаще применяется схема включения транзистора с общим эмиттером (усилители переменного сигнала, генераторы и т.д.) (рис.3). В этом случае транзистор работает аналогично электронной лампе. Эмиттер можно уподобить катоду (одинаковые функции). Область базы будет представлять собой управляющий электрод - аналог сетки радиолампы, а коллектор аналогичен аноду, с тем только различием, что в случае р-n-р транзистора на коллектор подается минус, а на анод плюс напряжения источника питания. При включении транзистора по схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по току β определяется по формуле:

β =I_k/I_б= αI_Э/ (1- αI_Э)                                                                                (2)

откуда при α < 1 следует β> 1.

3. Характеристики и параметры транзисторов

При использовании транзисторов в различных схемах представляют практический интерес зависимости напряжения и тока входной цепи (входные вольт-амперные характеристики) и выходной цепи (выходные вольт-амперные характеристики). Эти характеристики могут быть записаны аналитически или построены графически. Последний способ наиболее прост и нагляден, поэтому он нашел преобладающее применение. Вольт-амперные характеристики снимают при относительно медленных изменениях тока и напряжения (по постоянному току), в связи с чем их называют статическими. Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.

По способу включения различают включение транзистора по схемам с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором (рис. 4).

Рис. 4- Схемы включения транзистора с общей базой (слева) и общим эмиттером (справа)

Включение транзистора в схему с общей базой характеризуется тем, что входное сопротивление Rвх менее 20 Ом, выходное сопротивление Rвых более 100 КОм. Коэффициент усиления по току К_I < 1 и составляет величину порядка 0,5 - 0,999, но коэффициент усиления по напряжению Кн максимальный.

К_Iб=ΔI_k/ΔI_э  при Uк=const,                                                             (3)

К_Uб=ΔU_k/ΔU_э  при Iэ= const.                                                              (4)

Включение транзистора по схеме с общим эмиттером является наиболее принятым, так как при таком включении К_I и К_U больше единицы (К_I может иметь величину ~ 1000). Величины Rвх и Rвых транзистора позволяют легко согласовать транзистор с другими радиосхемами.

Коэффициент усиления по току определяется по формуле:

К_Iэ=ΔI_k/ΔI_б  при Uк=const,                                                             (5)

Коэффициент усиления по напряжению определяется по формуле:

К_Uэ=ΔU_k/ΔU_б  при I_б= const.                                                              (6)