Исследование биполярного транзистора

Цель работы: закрепить теоретические знания о транзисторах; провести анализ зависимости коэффициента усиления транзистора по постоянному току от тока коллектора; экспериментально получить входные и выходные характеристики транзистора; определить коэффициент передачи транзистора по переменному току; исследовать способы задания статического режима транзистора; определить статический коэффициент передачи транзистора по экспериментальным данным.

Используемое оборудование и средства: персональный компьютер, программа Electronics Workbench.

Методические указания: работа выполняется студентами за два часа аудиторных занятий.

 

Краткие теоретические сведения

Биполярный транзистор представляет собой монокристалл полупроводника, в котором чередуются три области электронной (n) и дырочной (р) проводимости. Чередование областей определяет тип транзисторов: n-p-n (рис.1,а) и p-n-p (рис.1,б).

 

Рис. 1 Структурные схемы и обозначения биполярных транзисторов

Для подключения к другим элементам и источнику питания транзистор имеет выводы, которые называются коллектором (К), эмиттером (Э) и базой (Б). Ширина базы в сравнении с шириной эмиттера и коллектора очень мала и составляет единицы микрометров.

Биполярный транзистор может находится в трех основных состояниях:

- в открытом состоянии, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном;

- в состоянии насыщения, когда и эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении;

- в закрытом состоянии, когда и эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении.

Если между базой и эмиттером приложено напряжение U_БЭ в прямом направлении (рис.2), то потенциальный барьер эмиттерного перехода понижается и его сопротивление уменьшается.

 

Рис. 2 Схема транзистора с общей базой

 

Так как ширина базы меньше диффузионной длины пробега в ней основных носителей, то большинство инжектированных из эмиттера в базу электрических зарядов достигает коллекторного перехода и втягивается в коллектор, создавая ток коллектора I_к.

Только незначительная часть электронов рекомбинирует с основными носителями базы (дырками) и обуславливает ток базы I_Б.

Таким образом, ток эмиттера есть сумма токов базы и коллектора:

                                                                                          (1)

Отношение приращения коллекторного тока к приращению эмиттерного тока называется к о э ф ф и ц и е н т о м п е р е д а ч и т о к а э м и т т е р а:

                                                                              (2)

Схема, изображенная на рис.2, называется с х е м о й с о б щ е й б а- з о й (ОБ). Возможны еще две основные схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). В каждой из трех основных схем сигнал на общем электроде принимается за нуль, т.е. общий электрод заземлен.

Основными характеристиками транзисторов являются статические выходные характеристики, которые получают экспериментально. Выходная характеристика – это есть зависимость выходного тока транзистора от выходного напряжения. Поскольку для различных схем включения транзистора выходные токи и напряжения различны, то и вид характеристик зависит от вида схемы, по которой включен транзистор. Для схем с общей базой и общим эмиттером семейства выходных статических характеристик показаны на рис.3, а, б соответственно.

Основными параметрами транзисторов в схеме с общей базой являются:

- дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока

Рис. 3 Выходные характеристики биполярного транзистора

                                                                                                         (3)

                                            

- дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода

                                                                                                       (4)

                                             

- дифференциальное сопротивление коллекторного перехода

                                                                                                        (5)

                                               

- коэффициент внутренней связи по напряжению, характеризующий влияние коллекторного напряжения на эмиттерное

                                                                                            (6)

                                        

Для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, основными параметрами являются:

- дифференциальный коэффициент передачи тока базы

                                                                                                  (7)

                                   

- дифференциальное входное сопротивление транзистора

                                                                                               (8)

                                                    

- дифференциальное внутреннее сопротивление коллектора

                                                                                                 (9)

                                                 

Параметры a и b связаны между собой следующим соотношением

                                                                                               (10)

Если транзистор используется в схеме усилителя, то используют крутизну характеристики:

                                          ;                                    (11)

                                     

При определении параметров (4-11) с помощью вольтамперных характеристик транзисторов производные заменяют конечными приращениями соответствующих величин.

Статические коэффициенты передачи тока эмиттера (a) и базы (b) определяются в соответствии с выражениями:

                                                                                                   (12)

                                               

                                                                                                   (13)

                                       

При выборе рабочей точки в транзисторном каскаде с общим эмиттером с помощью R_Б определяют следующие величины:

- ток коллектора в режиме насыщения I_кн определяется сопротивлением в цепи коллектора R_К и напряжением источника питания Е_К:

                         ;                                                            (14)

- ток базы, который переводит транзистор в режим насыщения:

                          ;                                                  (15)

- сопротивление R_БН, с помощью которого создается ток I_БН

                              R_БН» Е_К / I_БН ;                                                        (16)

- ток коллектора в режиме усиления

                           ;                                                    (17)

- ток базы в режиме усиления

                                      ;                                                 (18)

где U_БЭО – пороговое напряжение перехода база-эмиттер;

- ток коллектора в режиме усиления

                                           ;                                                     (19)

- напряжение коллектор-эмиттер (нагрузочная прямая)

                                                                                            (20)

При выборе рабочей точки транзистора с помощью делителя определяют следующие величины:

- ток коллектора в режиме насыщения

                                       ;                                           (21)

- ток базы, который создает режим насыщения

                                          ;                                                       (22)

- напряжение на базе, которое создает ток I_БН

                                 ;                                  (23)

- напряжение U_Б создается делителем напряжения R1 и R2, который можно рассчитать на основании соотношения

                                        ;                                         (24)

- ток коллектора в режиме усиления

                                        ;                                      (25)

       где U_Э = I_Э R_Э, I_Э – ток эмиттера.

- ток базы в режиме усиления

                                              ;                                                (26)

- напряжение на базе транзистора в режиме усиления

                                                                                         (27)

Задание на подготовку к работе

 

1. Изучить характеристики и параметры биполярных транзисторов, включенных по схеме с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором.

2. Изучить сущность проводимых в данной работе исследований и нарисовать необходимые схемы и таблицы.

 

Контрольные вопросы

1. Назовите условие, при котором транзистор находится в открытом состоянии.

2. Назовите условие, при котором транзистор находится в закрытом состоянии.

3. Назовите условие, при котором транзистор находится в состоянии насыщения.

4. Напишите выражение для коэффициента передачи тока эмиттера (a).

5. Напишите выражение для коэффициента передачи тока базы (b).

6. Изобразите схему транзистора, включенного по схеме с общим коллектором.

7. Изобразите выходную характеристику транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

 

Порядок выполнения работы