Исследование биполярного транзистора

 

Цель работы: познакомиться с конструкцией и принципом действия транзистора, экспериментально снять вольт-амперные характеристики и определить параметры схемы замещения транзистора.

Биполярный транзистор (БПТ) – полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими электрическими p-n переходами и тремя выводами, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Они состоят из чередующихся областей полупроводника, имеющих электропроводности различных типов. В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисоры р-n-p и n-p-n типов (рисунок 3.1).

 

Рисунок 3.1 – Типы биполярных транзисторов

 

Одну из крайних областей монокристалла транзистора, предназначенную для инжектирования носителей в базу, называют эмиттером, а p-n – переход, прилегающий к нему – эмиттерным. Промежуточную область называют базой. Другую крайнюю область, предназначенную для экстрагирования неосновных носителей заряда из базы, называют коллектором, а переход, прилегающий к нему – коллекторным.

При изготовлении транзисторов эмиттер и коллектор выполняют низкоомными, а базу – относительно высокоомной. При этом удельное сопротивление области эмиттера несколько меньше, чем области коллектора. Ширина базы, находящейся между эмиттерным и коллекторным p-n – переходами, называют активной. Взаимодействие между двумя p-n - переходами будет существовать только тогда, когда активная ширина базы будет много меньше диффузионной длины неосновных носителей. В этом случае основная часть носителей пролетает от эмиттера к коллектору.

Каждый из переходов транзистора может быть включен либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие режимы работы биполярного транзистора:

- активный режим - режим, при котором один из переходов смещен в прямом направлении, а другой - в обратном направлении. Соответственно в нормальном активном режиме в прямом направлении смещен эмиттерный переход, в обратном направлении смещен коллекторный переход. Этот режим используется в большинстве усилительных и импульсных схем.

При инверсном включении эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный – в прямом. Данное включение биполярного транзистора практического применения не нашло.

- режим отсечки – режим, при котором оба перехода смещены в обратном направлении. В этом режиме транзистор находится в запертом состоянии, его сопротивление максимально, а токи электродов минимальны. Он широко используется в импульсных устройствах, где биполярный транзистор выполняет функции ключа.

- режим насыщения – режим, при котором оба перехода смещены в прямом направлении. При этом падение напряжение на транзисторе минимально, а токи, протекающие через него, достаточно большие.

В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три основные схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК).

Для любой схемы включения транзистора справедливо следующее соотношение:

I_э = I_к + I_б

 

Таким образом, транзистор представляет собой управляемый прибор, его коллекторный ток зависит от тока эмиттера. Учитывая то, что мощность, затрачиваемая для создания эмиттерного тока, невелика, а мощность рассеиваемая в коллекторной цепи, значительна, вследствие большого сопротивления перехода, транзистор может управлять значительной мощностью в коллекторной цепи с помощью небольших мощностей в эмиттерной цепи.

Рассматривая транзистор как четырехполюсник, его можно описать различными системами уравнений. Наибольшее распространение получили три системы:

- система z-параметров:

 

 

- система H-параметров:

 

 

- система Y- параметров:

 

 

Наиболее часто применяются системы Н - параметров, т.к. они легко определяются экспериментальным путём и имеют конкретный физический смысл:

- входное сопротивление транзистора при коротком замыкании со стороны выхода;

 

- коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе со стороны входа;

- коэффициент передачи по току при коротком замыкании со стороны выхода;

 

- выходная проводимость транзистора при холостом ходе со стороны входа.

Эквивалентная схема транзистора в Н-параметрах представлена на рисунке 3.2.

 

Рисунок 3.2 - Эквивалентная схема транзистора в Н-параметрах

 

Значения Н-параметров зависят от схемы включения транзистора.

Наряду со схемами замещения в Z, Y и Н - параметрах широко применяется и физическая схема замещения, параметры которой непосредственно определить невозможно, поэтому их определяют путём пересчёта по известным. Между всеми параметрами можно установить взаимосвязь, используя эквивалентность четырёхполюсников моделирующих транзистор для различных схем включения.

Для каждой схемы включения транзистора выделяют два основных типа вольт-амперных характеристик (рисунки 3.3 и 3.4):

- входные I₁=f(U₁) при U₂=const

- выходные I₂=f(U₂) при I₁=const.

 

Рисунок 3.3 - Входные и выходные характеристики транзистора для схемы с ОБ.	Рисунок 3.4 -Входные и выходные характеристики транзистора для схемы с ОЭ.

 

 

Порядок выполнения работы

1. На лабораторном стенде собрать схему для снятия вольт - амперных характеристик биполярного транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером (рисунок 3.5).

 

Рисунок 3.5 – Схема для снятия вольт-амперных характеристик биполярного транзистора

2. Снять семейство входных характеристик транзистора Iб = f(Uбэ) при Uкэ = 0В; +2В; +5В;+10В;

3. Снять семейство выходных характеристик транзистора Iк = f(Uкэ) при Iб = 0;50;100;150;200 [мкА]

4. Экспериментальным путем определить Н-параметры транзистора в заданной точке покоя. Для этого установить заданные значения тока базы I_б и напряжения коллектор-эмиттер U_кэ, измерить ток коллектора I_к и напряжение база-эмиттер U_бэ. Занести полученные значения в первую строку таблицы 3.1.

 

Таблица 2.1- Данные для определения h-параметров.

№	Iб	Uбэ	Uкэ	Iк

 

5. Дать приращение Eк. Установить с помощью резистора R_б значение тока базы, полученное в п. 4, снять показания приборов, заполнить вторую строку таблицы 3.1.

6. Установить с помощью резистора R_к значение напряжения Uкэ, полученное в п. 4, а затем дать приращение току базы I_б. Снять показания приборов и заполнить третью строку таблицы 3.1.

7. Определить приращения DIб, DUбэ, DUкэ, DIк и рассчитать h- параметры транзистора по результатам измерений в пунктах 4, 5, 6.

Содержание отчёта

1. Представить условное обозначение, цоколёвку и параметры исследуемого транзистора, взятые из справочника.

2. Представить схему рисунок 3.5, результаты измерений п.п. 2, 3 и построенные по ним входные и выходные вольт-амперные характеристики биполярного транзистора.

3. Представить таблицу, заполненную результатами измерений в п.п. 4, 5, 6.

4. Определить h - параметры по результатам эксперимента.

5. По входным и выходным характеристикам в рабочей точке теоретически определить h - параметры.

6. Представить схему замещения транзистора в h - параметрах.

Контрольные вопросы

1. Что такое транзистор и для чего он используется?

2. Назовите схемы включения транзистора и приведите общий вид входных и выходных характеристик для каждой из схем включения.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4