Исследование статических характеристик биполярного транзистора

Цель работы: получение экспериментальных вольт-амперных характеристик (ВАХ) биполярного транзистора и определение его h -параметров при включении его по схеме с общим эмиттером (ОЭ).

3.1. Основные теоретические положения

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с тремя областями чередующейся электропроводности, двумя электронно-дырочными переходами и тремя электродами, предназначенный для усиления мощности в электрической цепи. Структура транзистора типа n-p-n и схема включения с ОЭ в электрическую цепь представлены на рис. 3.1. При работе транзистора в активном режиме (режиме усиления) к эмиттерному p-n переходу (ЭП) должно быть подключено прямое напряжение, а к коллекторному (КП) – обратное.

Рис. 3.1. Биполярный транзистор и схема его включения с ОЭ

Схема с ОЭ является наиболее распространенной, поскольку обладает наилучшими свойствами усиления мощности электрического сигнала. При включении транзистора по схеме с ОЭ входной является цепь базы, а выходной – цепь коллектора (эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей).

Входной характеристикой транзистора в схеме с ОЭ является зависимость тока базы I_Б от напряжения база-эмиттер U_БЭ, а выходной - зависимость тока коллектора I_К от напряжения коллектор-эмиттер U_КЭ.

Семейство входных характеристик I_Б (U_БЭ) при U_КЭ = const изображено на рис. 3.2, а. При U_КЭ = 0 входная ВАХ имеет вид прямой ветви ВАХ электронно-дырочного перехода, поскольку ЭП и КП при этом смещены в прямом направлении и соединены параллельно друг другу (E_К = 0и внутреннее сопротивление этой ЭДС равно нулю, рис. 3.1). При U_КЭ > 0 входная ВАХ смещена вправо вследствие дополнительного падения напряжения на ЭП от протекающего по транзистору коллекторного тока. Это падение напряжения существует даже при отсутствии тока базы и соответствует участку «о-а» на рис. 3.2, а.

При уменьшении U_БЭ до нуля (вывод базы и эмиттера соединены между собой) ток базы является обратным током КП и направлен противоположно указанному на рис. 3.1 (участок «о-б» на рис. 3.2, а). Однако этот отрицательный ток базы незначителен и практически его бывает трудно зафиксировать.

Семейство выходных характеристик I_К (U_КЭ) при I_Б = const изображено на рис. 3.2, б. При I_Б = 0 выходная ВАХ имеет вид обратной ветви ВАХ электронно-дырочного перехода, увеличенной в (b + 1) раз (где b - коэффициент передачи тока), поскольку КП при этом смещен в обратном направлении. При увеличении тока базы выходные ВАХ смещаются вверх на величину b I_{Б .}.

Рис. 3.2. Семейства входных (а) и выходных (б) ВАХ транзистора в схеме с ОЭ

Характеристикой передачи тока транзистора в схеме с ОЭ является зависимость тока коллектора I_К от тока базы I_Б при фиксированном напряжении коллектор-эмиттер U_КЭ. Семейство характеристик передачи тока транзистора в схеме с ОЭ изображено на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Семейство характеристик передачи транзистора в схеме с ОЭ

Характеристика передачи тока показывает, что при изменении небольшого по абсолютной величине (микроамперы) тока базы практически пропорционально изменяется значительный ток коллектора (миллиамперы), т. е. в транзисторе происходит процесс усиления электрического сигнала. Некоторая нелинейность характеристик передачи тока транзистора в схеме с ОЭ приводит к нелинейным искажениям усиленного сигнала. Следует отметить, что характеристики передачи могут быть построены без специальных измерений. Для этого можно определить соответствующие параметры по семействам входных и выходных характеристик. Применяются и другие характеристики передачи.

Транзистор в схеме усиления сигнала (на линейных участках своих характеристик) имеет 2 входных и 2 выходных вывода, поэтому его можно представить в виде линейного четырехполюсника. Наиболее удобный вид имеют уравнения связи входных и выходных токов и напряжений транзисторного четырехполюсника, выраженные через h -параметры. В схеме с ОЭ входным током является ток базы I_Б, входным напряжением - напряжение база-эмиттер U_БЭ, выходным током - ток коллектора I_К, выходным напряжением - напряжение коллектор-эмиттер U_КЭ. Система уравнений для этой схемы имеет вид:

DU_БЭ = h_11ЭDI_Б + h_12Э DU_КЭ

DI_К = h_21ЭDI_Б + h_22Э DU_КЭ

В этих уравнениях DI и DU - приращения соответствующих токов и напряжений. Формулы для расчёта и физический смысл h -параметров определяются подстановкой в систему уравнений DU_КЭ = 0 (короткое замыкание (к. з.) на выходе) или DI_Б = 0 (холостой ход (х.х) на входе для переменного тока):

h_11Э = DU_БЭ /DI_Б – входное сопротивление в режиме к. з. на выходе для переменного тока;

h_12Э = DU_БЭ /DU_КЭ - коэффициент обратной связи по напряжению в режиме х. х. на входе для переменного тока;

h_21Э = DI_К /DI_Б - коэффициент передачи тока в режиме к. з. на выходе для переменного тока;

h_22Э = DI_К /DU_КЭ - выходная проводимость в режиме х. х. на входе для переменного тока.

Соответствующие приращения токов и напряжений определяются по характеристикам транзистора (рис. 3.2) при заданном режиме его работы.

3.2. Порядок выполнения работы

1. Собрать схему экспериментальной установки по рис. 3.4. На схеме источник тока «RegI_1mA» позволяет регулировать ток базы от 0 до 1 мА с шагом 0,01 мА нажатием на клавишу«I» (увеличение тока) или «Shift+I» (уменьшение тока).

Рис. 3.4 Схема измерения ВАХ транзистора

Источник напряжения «RegU_5В» позволяет регулировать коллекторное напряжения в пределах от 0 до 5 В. Регулирование осуществляется с шагом 0,05 В нажатием на клавишу «U» (увеличение напряжения) или «Shift+U» (уменьшение напряжения).

Амперметр А1 измеряет ток базы I_Б, вольтметр V1 измеряет напряжение база-эмиттер U_БЭ, вольтметр V2 измеряет напряжение U_КЭ, а амперметр A2 – ток коллектора I_К транзистора.

2. Измерить напряжения и токи входной ВАХ транзистора при фиксированном значении U_КЭ = 5 В. Для этого установить с помощью источника напряжения «RegU_5В» указанное напряжение, контролируя его по показаниям вольтметра V1. Увеличивая ток базы в диапазоне от 0 до 1 мА с помощью источника тока «RegI_1mA» записать показания амперметра А1 и вольтметра V1 в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Входная ВАХ транзистора в схеме с ОЭ при U_КЭ = 5 В

IБ, мкА
UБЭ, мВ

3. Измерить напряжения и токи выходных ВАХ транзистора при различных фиксированных токах базы. Для этого установить с помощью источника тока «RegI_1mA» наименьшее из указанных в табл. 3.2 значений токов базы, контролируя его по показаниям амперметра А1. Регулируя напряжение с помощью «RegU_5В» в диапазоне от 0 до 5 В соответственно табл. 3.2 (контролировать его по показаниям вольтметра V2), записать показания амперметра А2 в табл. 3.2. Повторить измерения для всех остальных фиксированных токов базы, указанных в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Семейство выходных ВАХ транзистора в схеме с ОЭ

UКЭ, В		0,1	0,2	0,5
IК, мА	IБ =10 мкА
IБ =200 мкА
IБ =400 мкА
IБ =600 мкА
IБ =800 мкА
IБ =1000 мкА

4. Сформировать таблицу результатов измерения характеристики передачи тока транзистора для фиксированного значении U_КЭ = 5 В. Для этого из табл. 3.2 выбрать соответствующие численные значения измеренных ранее параметров для указанного значения U_КЭ и записать их в табл. 3.3.

Таблица 3.3

Характеристика передачи тока транзистора в схеме с ОЭ при U_КЭ =5 В

IБ, мкА
IК, мА

5. Сформировать таблицу результатов измерения характеристики передачи транзистора I_К (U_БЭ) для фиксированного значении U_КЭ = 5 В. Для этого из табл. 3.1 и табл. 3.2 выбрать соответствующие численные значения измеренных ранее параметров для указанного значения U_КЭ и записать их в табл. 3.4.

Таблица 3.4

Характеристика передачи транзистора в схеме с ОЭ при U_КЭ = 5 В

UБЭ, мВ
IК, мА

6. По значениям табл. 3.1 - табл. 3.4 построить отдельные характеристики транзистора и их семейства.

7. По характеристикам транзистора определить его h -параметры для заданного режима работы: I_Б = 600 мкА, U_КЭ = 5 В.

8. Записать выводы по работе.

3.3. Контрольные вопросы

1. Как устроен биполярный транзистор, какие существуют схемы его включения в электрическую цепь?

2. Как происходит в транзисторе процесс усиления мощности электрических колебаний?

3. Почему толщина базы транзистора на должна превышать определенного значения? Какого?

4. Почему схема включения транзистора с ОЭ является наиболее распространенной?

5. Обосновать теоретически формы характеристик транзистора?

6. Как определить физический смысл h -параметров транзистора?