Краткие теоретические сведения

Лабораторная работа № 5.

«Исследование биполярного транзистора в статическом режиме,

Включенного по схеме с общим эмиттером».

1.Цель работы:

1.1 Исследование БТ в статическом режиме.

1.2. Снятие его статических характеристик, изучение схемы измерения.

1.3.Привитие практических навыков электрических измерений.

2. Литература:

2.1 Вайсбурд Ф.И. "Электронные приборы и усилители" Глава 3, стр.60 – 79,

стр. 90 -101.

2.2 Ушакова Л.В. «Электронная техника» глава 5, стр. 32 – 48.

2.3Справочник транзисторов.

З.Домашнее задание.

3.1.Испльзуя рекомендуемую литературу, изучить материал по биполярному транзистору:

3.1.1Устройство, принцип действия и особенности работы БТ, включенного по схеме с ОЭ.

3.1.2.Входные, выходные характеристики БТ и схему, предназначенную для их снятия.

3.2.Проверить свои знания путем устного ответа на контрольные вопросы.

3.3.Подготовить письменный и устный отчёты по лабораторной работе.

Оборудование для выполнения работы.

4.1. Персональный компьютер с установленной программой «Multisim»

4.2. Схема исследования транзистора с ОЭ.

Краткие теоретические сведения.

Транзистором называется трёхэлектродный (иногда больше) полупроводниковый прибор, структура которого содержит два электронно-дырочных перехода. Транзистор представляет собой монокристаллическую пластину полупроводника, в которой с помощью особых технологических приемов созданы три области, две из них имеют одинаковый тип электропроводности и разделены между собой областью с иной электропроводностью. Эта средняя область называется базой, а две другие, крайние – эмиттером и коллектором.

Упрощенная схема поперечного разреза биполярного NPN транзистора на Рис.1

Рис 1.

Эмиттер осуществляет инжекцию (т.е. введение) неосновных носителей зарядов в базу, а коллектор осуществляет экстракцию (сбор) уж е основных для коллектора носителей зарядов. Транзистор, у которого эмиттер и коллектор имеют электропроводность р-типа относятся к p-n-p–типу. Если же база р–типа, а коллектор и эмиттер n-типа, то это транзистор n-p-n-типа (Рис. 2). Так, если коллектор транзистора p-n-p-типа подключается к отрицательному полюсу источника, то коллектор транзистора n-p-n-типа к положительному. В условных графических изображениях эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода.

Рис.1.1

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие заключается лишь в том, что в транзисторе n-p-n–типа через базу к коллектору движутся электроны, инжектированные эмиттером, а в транзисторе p-n-p–типа – дырки. Принцип работы биполярного транзистора можно рассмотреть на примере транзистора p-n-p типа включенного по схеме с общей базой (ОБ) (Рис.1.2).

Между р- и n-областями возникают p-n переходы. Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным переходом (ЭП), а переход между коллектором и базой - коллекторным переходом (КП). Как показано на рис.1.2, коллекторная цепь транзистора подключается к источнику Э.Д.С. (Е_кб) обратной полярность, т.е. КП смещен в обратном направлении. В коллекторном переходе напряженность поля под действием Е_кб возрастает. Это приводит к появлению незначительного обратного тока I к.о в коллекторной цепи, обусловленного движением неосновных носителей зарядов. Этот ток существенно возрастает с увеличением температуры, поэтому его называют тепловым током коллектора.

Эмиттерный переход (ЭП) смещен в прямом направлении внешним источником напряжения (Рис.1.2). Напряженность поля эмиттерного перехода при этом уменьшается. Через эмиттерный переход происходит инжекция дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер. В цепи эмиттера появится ток, равный сумме токов, обусловленных электронной I_э(n) и дырочной I_э(p) электропроводностями:

Iэ = Iэ(n) + Iэ(p) ≈ Iэ(p)

(1)

Особенность транзистора состоит, в том, что концентрация дырок в эмиттере (р-типа) намного больше концентрации электронов в базе. Поэтому дырочная составляющая тока эмиттера значительно больше электронной (1). В базе происходит накопление неосновных носителей зарядов – дырок. В результате диффузии дырки перемещаются к коллекторному переходу. Часть дырок при этом рекомбинирует в базе с электронами, что создаёт ток в цепи базы I_б. Но так как толщина базы очень мала (несколько микрометров), доля рекомбинированных дырок незначительна. Вблизи коллекторного перехода дырки оказываются под действием электрического поля, обратновключенного перехода, увлекаются им через переход в коллекторную область и далее – к выводу коллектора, где рекомбинируют с электронами, поставляемыми через внешнюю цепь источником Э.Д.С., что создает ток в коллекторной цепи I _к.

Таким образом, ток эмиттера равен сумме токов базы I_б и коллектора I_к:

Iэ = Iк + Iб

(2)

Ток коллектора состоит из потока дырок инжектируемых эмиттером за вычетом тока базы и собственного теплового тока коллекторного перехода:

Iк = Iэ(p) – Iб +Iко =α Iэ + Iко,

(3)

где α = I_к/I_э – коэффициент передачи тока эмиттера; I_ко – тепловой ток обратно включенного коллекторного перехода.

Отсюда, ток базы равен:

Iб = Iэ - Iк= (1 – α) Iэ - Iко

(4)

Этот ток составляет не более 1% от тока эмиттера.

Все сказанное справедливо также для транзистора n-p-n–типа с учетом высказанных ранее замечаний о перемене на противоположное направление движения токов и смене знаков источников питания схемы транзистора.

В зависимости от того какой из выводов транзистора является общим между входным источником сигнала и выходной цепью транзистора существуют три основные схемы включения транзистора в электрическую цепь: с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК), с общей базой (ОБ) (рис. 1.3).

Рис.1.3.

Основными вольтамперными характеристиками транзистора являются входная и выходная характеристики.

Зависимость U_вх =¦₁(I_вх)|_{Uвых =const} – называют входной статической вольт–амперной характеристикой (ВАХ), а зависимость I_вых=¦₂(U_вых) |_{Iвх =const} выходной статической ВАХ. ВАХ снимают в режиме по постоянному току и представляют собой зависимости постоянных токов и напряжений. Характеристики транзистора зависят от схемы его включения.

рис.1.4.

Наиболее часто на практике применяют схему включения транзистора с общим эмиттером ОЭ. При таком включении входным электродом является база, эмиттер заземляется (общий электрод), а выходным электродом по-прежнему является коллектор (рис.1.4).

Рис.1.5.:

а) семейство входных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ);

б) семейство выходных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ).

Основным передаточным параметром для схемы включения с ОЭ является коэффициент усиления тока базы b (коэффициент передачи по току)

h21э=b = D Iк /D Iб, Uкэ= const

(11)

Параметр b связан с коэффициентом передачи тока эмиттера соотношением

b = a/ (1- a)

(12)

По порядку величина b лежит в интервале значений b=10¸200.

Для схемы с ОЭ входное сопротивление единицы составляет единицы кОм, а выходная десятки кОм.

Входной характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, является зависимость напряжения U_бэ от входного тока I_б, U_бэ =¦₁(I_б) при заданном напряженииU_кэ. Совокупность таких зависимостей называется семейством входных характеристик транзистора (рис.1.5 а). При U_кэ =0 тепловой ток I_к0 в цепи коллектора отсутствует и зависимостьU_бэ =¦₁(I_б) соответствует ВАХ эмиттерного р-n–перехода, включенного в прямом направлении. ПриU_кэ > 0 в цепи коллектора появляется ток-I_к0, направленный навстречу току I_б. Для компенсации этого тока в цепи базы нужно создать ток I_б=I_к0, приложив соответствующее напряжение U_бэ. Это приводит к смещению входной характеристики вправо вниз.

Выходной характеристикой транзистора по схеме с ОЭ считывается зависимость I_к =¦₂(U_кэ)при заданном токе I_б ( рис.1.5б). Если U_бэ=0, в цепи коллектора протекает только тепловой ток, так как в этом случае инжекция дырок из эмиттера в базу (для p-n-p-транзистора I_к0 = -I_б) или инжекция электронов из эмиттера в базу (для n-p-n–транзистора) отсутствует. При U_кэ=0 ток в цепи коллектора не проходит, это объясняется тем, что напряжение U_бэи U_кэнаправлены встречно друг другу, т.е. потенциал коллектора выше потенциала базы и коллекторный переход оказывается при этом закрыт. Поэтому выходные характеристики не пересекают ось ординат.

План работы.

6.1.Снять входные характеристики транзистора I_Б = f(UБЭ) при UКЭ = const.

6.2.Снять выходную характеристику транзистора I_к = f (Uкэ) при I_Б = const.

6.3.Построить входные и выходные ВАХ транзистора на миллиметровой бумаге.

6.4.Сдать зачет по лабораторной работе.