Тема 4. биполярные транзисторы

Лабораторная работа №4.1

″Статические характеристики биполярного транзистора″

Цель работы: исследование работы и статических характеристик биполярного транзистора n-p-n-типа в схемах с общей базой и общим эмиттером.

Приборы и принадлежности: испытательный стенд, источники питания; схемы с общей базой и общим эмиттером на основе биполярного транзистора КТ-808А; измерительные приборы.

Характеристики биполярных транзисторов

4.1.1. Схемы включения биполярных транзисторов

В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы двух типов p-n-p и n-p-n.

Каждый из этих транзисторов может быть включен в три схемы, называемые ОБ, ОЭ, ОК (рис. 4.1).

а) б) в)

Рис. 4.1. Схемы включения транзисторов: ОБ (а), ОЭ (б), ОК (в)

Независимо от схемы включения, один и тот же транзистор может работать в четырех режимах работы, которые определяют области и особенности его применения.

Особо следует подчеркнуть, что прежде, чем та или иная схема с транзистором будет ″работать″ (усиливать, генерировать и т.п.) транзистор должен быть установлен в тот или иной рабочий режим с помощью источников постоянного тока. Другими словами, без источников питания ни один транзистор (биполярный или полевой) не будет работать.

В активном (нормальном) режиме эмиттерный переход транзистора открыт, а коллекторный - закрыт.

В режиме отсечки полярность приложенных внешних источников питания такова, что эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении, т.е. оба перехода закрыты. Этот режим соответствует закрытому состоянию транзистора.

В режиме насыщения (двойной инжекции) оба перехода транзистора смещены в прямом направлении, открыты и через них протекает большой ток. В этом режиме транзистор полностью открыт и через него проходит большой ток (говорится, что транзистор ″насыщен″). В этом режиме сопротивление транзистора и напряжение U_кэ между точками между контактами Э и К крайне мало.

Инверсный режим характеризуется тем, что эмиттерный переход закрыт, а коллекторный открыт.

Статические вольтамперные характеристики транзистора определяют зависимости входного и выходного токов от величины постоянных напряжений на входе или на выходе схемы.

Схема с общей базой

На рис. 4.2, а представлена серия входных характеристик I_э(U_эб)|_Uкб для схемы с общей базой (транзистор n-p-n-типа) при различных фиксированных напряжениях U_кб между коллектором и базой.

При напряжении U_кб = 0 входная характеристика I_э(U_эб)|_Uкб, в целом, идентична прямой ветви вольтамперной характеристики диода.

Увеличение величины коллекторного напряжения (U_кб > 0) приводит к смещению серии выходных характеристик ″вверх″ (рис. 2, а): например, при фиксированном напряжении U_эб = -0,6 В значение тока I_э возрастает (по сравнению с ВАХ при U_кб = 0) от 5 до 10 мА при U_кб = +5 В.

а) б) в)

Рис. 4.2. Входная (а), выходная (б) и переходная (в) характеристики схемы с ОБ

Семейство (серия) выходных характеристик (рис. 4.2, б) схемы с ОБ представляется кривыми I_к(U_кб)|_Iэ, полученными при фиксированном значении тока эмиттера I_э.

Коэффициент передачи тока a в схеме ОБ оценивается по соотношению:

a = DI_к/DI_э|_Iэ ≤ 1, (4.1)

например, по данным серии выходных характеристик (рис. 4.2, б).

Характеристика (переходная) обратной связи U_кб(U_эб)_Iэ=const представлена на рис. 4.2. Коэффициент обратной связи по напряжению m_кэ, определяемый как отношение

m_кэ = -DU_эб/DU_кб|_Iэ=const, (4.2)

показывает, на какую величину DU_эб необходимо изменить напряжение эмиттер-база при изменении напряжения DU_кб коллектор-база для поддержания фиксированного тока эмиттера I_э. Величина m_кэ ≈ 10 ^-3 …10 ^-4.

Схема с общим эмиттером

Входные и выходные характеристики схемы с ОЭ с маломощным транзистором представлены на рис. 4.3. Входные (базовые) характеристикитранзистора отражают зависимость тока базы I_б(U_бэ)|_Uкэ от напряжения U_бэ между базой и эмиттером при фиксированном напряжении U_кэ между коллектором и эмиттером (рис. 4.3, а).

а) б)

Рис. 4.3. Входные (а) и выходные (б) характеристики схемы с ОЭ

Рассмотрим особенности зависимости тока базы I_б(U_бэ) от напряжения база-эмиттер при отсутствии напряжения между коллектором и эмиттером U_кэ = 0 (рис. 4.3, а). Зависимость тока базы I_б(U_бэ) от напряжения U_бэ представляется экспоненциальной зависимостью (рис. 4.3, а), показывающей, что с ростом напряжения U_бэ ток через базовый контакт Б возрастает, однако величина этого тока мала (доли миллиампер).

Для того, чтобы транзистор работал в нормальном активном режиме, необходимо, чтобы его коллекторный переход был обратно смещенным, т.е. в данном случае для n-p-n-транзистора (коллектор n-типа) потенциал коллектора К выбирается положительным (U_кэ > 0).

Зафиксируем напряжение U_бэ = + 0,4 В (рис. 4.3, а). Увеличение обратного напряжения U_кэ на коллекторе, например, от 0 до +10 В, вызывает уменьшение тока I_б от 0,17 мА до 0,08 мА. Это связано с эффектом Эрли: увеличение напряжения U_кэ приводит к расширению коллекторного перехода в область базы, эффективная ширина базы уменьшается, носители, диффундирующие из эмиттера в коллектор через базу, меньше рекомбинируют, так что ток базы – уменьшается.

Т.е. по мере увеличения обратного напряжения U_кэ серия входных характеристик смещается в область меньших токов I_б относительно начальной кривой I_б(U_бэ) со значением U_кэ = 0.

Обратим внимание на точку 1 (рис. 4.3, а) при U_бэ = 0. В этом режиме работы (режим отсечки) поток электронов из эмиттера в базу, а значит, ток I_э, отсутствуют. Ток I_б через контакт базы Б обусловлен, главным образом, током обратно смещенного коллекторного перехода, а именно, составляющей теплового тока I_ко. Именно поэтому при всех значениях U_кэ > 0 входные характеристики исходят из точки 1 с отрицательным значением тока базы I_б, равным -I_ко, а нулевое значение тока базы достигается при напряжении U_бэ > 0,2 - 0,3 В.

Серия выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ определяет зависимость коллекторного тока I_к(U_кэ) при фиксированном токе базы I_б = const (рис. 4.3, б). На серии вольтамперных характеристик можно выделить три области: I – линейная область; II - рабочий участок транзистора, находящегося в режиме усиления, этот участок характеризуется слабой зависимостью I_к(U_кэ); III – область пробоя коллекторного перехода.

В области I (режим насыщения, режим двойной инжекции) оба перехода "эмиттер – база" и "коллектор – база" смещены в прямом направлении за счет того, что напряжение U_кэ мало (потенциал j_к коллектора меньше, чем потенциал j_б базы, открывающий эмиттерный переход). ²Крутой² наклон характеристики в области I связан с малым электрическим сопротивлением открытого транзистора.

На границе ВАХ области I с областью II ранее открытый коллекторный переход начинает закрываться, и в области II закрытый коллекторный переход находится под воздействием обратного напряжения – нормальный активный режим. ²Точкам² перехода от области I к области II соответствует напряжение U_кэ порядка 0,5…1,5 В в зависимости от величины тока базы.

Коэффициент передачи тока b в схеме ОЭ оцениваемый по соотношению:

b = DI_к/DI_б|_Iб = a/(1 – a) >> 1, (4.3)

может быть экспериментально рассчитан, например, по данным серии выходных характеристик (рис. 4.3, б). Коэффициент b может иметь значение 50…100.

Обратим внимание, что в области III (рис. 4.3, б) значение напряжения U_кэ, при котором начинает резко увеличиваться ток I_к (см. пунктирную линию на рисунке 4.3, б), уменьшается по мере увеличения тока. Это обстоятельство связано с тем, что согласно паспортным данным в любой транзисторе мощность, рассеиваемая в области коллекторного перехода в виде тепла, не может превышать некоторого максимального значения Р_{к мах}, равного, в свою очередь, произведению U_кI_к. Именно поэтому, увеличение I_к приводит к уменьшению U_к, при котором начинается пробой обратносмещенного коллекторного перехода.

Описание установки

В работе исследуются стенды ЭС-4а со схемами с общей базой ОБ (рис. 4.4) или общим эмиттером ОЭ (рис. 4.5) на биполярном транзисторе КТ808А n-p-n-типа.

а) б)

Рис. 4.4. Стенд ЭС-4А со схемой ОБ (а) и вид транзистора КТ808А (б)

Наиболее важные статические параметры транзистора приведены в таблице 4.1. С дополнительными сведениями о параметрах и характеристиках транзистора следует ознакомиться в справочниках.

Входные и выходные характеристики транзистора КТ808А (при больших токах) в схеме ОЭ приведены на рис. 4.6.

Таблица 4.1

Параметр	Значение
Обратный ток эмиттера при Uэ = 4В	4 мА
Обратный ток коллектора при Uк= 120 В при 25 оС	3 мА
b = h21э
Iкмакс	10 А
Uкэмакс	120 В

Рис. 4.5. Стенд ЭС-4А со схемой ОЭ

а) б)

Рис. 4.6. Серии входных (а) и выходных (б) характеристик КТ808А в схеме ОЭ

Подготовка к работе

Лабораторная работа относится к теме: ″Биполярные транзисторы″. Предварительно необходимо выполнить задания контрольной работы (РГЗ).

В "заготовке" к работе следует описать:

– схемы включения транзистора и испытаний;

– серии входных и выходных характеристик схем ОБ и ОЭ;

– маркировку, конструкцию приборов, параметры реальных транзисторов, используя справочники;

– реальные входные и выходные характеристики исследуемого транзистора;

– таблицы для испытаний.

Измерения и обработка результатов