Характеристики биполярного транзистора

Цель работы: экспериментальное получение вольт-амперных характеристик (ВАХ) биполярного транзистора и определение по ним параметров эквивалентной схемы замещения транзистора.

Краткие теоретические сведения. Для использования транзисторов необходимо представ­ление сведений о них в виде характеристик и параметров, которые позволяют правильно выбрать транзистор и опре­делить режимы его работы.

Транзистор описывается семействами вы­ходных и входных характеристик. Рассмотрим в качестве примера семейства ВАХ транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

Выходной или коллекторной ВАХ транзистора называ­ется зависимость коллекторного тока от напряжения меж­ду коллектором и эмиттером I_К = F(U_КЭ), снятая при неиз­менном токе базы I_Б = const. Семейство выходных ВАХ транзистора приведено на рис.1.1а. Зависимость I_К (U_КЭ), как видно из рисунка, является нелинейной и может быть разбита на ряд участков.

На большей части характеристик при U_КЭ > U_КЭ.Н ток коллектора почти не зависит от напряжения U_КЭ (пологий участок характеристик). На этом участке транзистор работает в режиме, когда на эмиттерном переходе действует прямое, а на коллекторном – обратное напряжение. Транзистор в этом случае может характеризоваться как прибор со свойствами управляемого источника тока, т. е. источника тока I_К, значение которого можно изменять путем изменения тока I_Б .

Для изменения входного тока базы, например, его увеличения, увеличивают прямое напряжение на эмиттерном переходе, и инжекция носителей из эмиттера в базу и ток эмиттера увеличивается. Увеличение тока базы обусловлено увеличением рекомбинации части дырок (транзистор p-n-p-типа) в тонкой базе.

Рис. 1.1. Выходные (а) и входные (б) характеристики биполярного транзистора

Основная часть приращения тока эмиттера вызывает приращение тока коллектора. Небольшой наклон пологого участка выходной характеристики обусловлен тем, что при увеличении напряжения U_КЭ увеличивается напряжение на коллекторном переходе и расширяется слой коллекторного перехода, что приводит к уменьшению толщины базы. В более тонкой базе меньше вероятность рекомбинации носителей, поэтому растет коллекторный ток.

При уменьшении U_КЭ (крутой участок выходной характеристики) уменьшается напряжение на коллекторном переходе U_КБ , и при U_КЭ= U_КЭ.Н = U_БЭ напряжение U_КБ = U_КЭ - U_БЭ изменяет свой знак. При дальнейшем уменьшении U_КЭ до нуля к коллекторному переходу приложено прямое напряжение. Навстречу току дырок из эмиттера в коллектор начинается противоположное движение основных носителей из коллектора в базу. В результате коллекторный ток резко падает. Крутой участок выходных характеристик транзистора характеризуется потерей транзистором усилительных свойств, эта часть характеристик используется в импульсной технике при реализации ключевого режима работы транзистора. Напряжение, отсекающее крутой участок на выходных характеристиках, U_КЭ.Н =0,2-1В.

Для предотвращения необратимого пробоя транзистора ограничиваются напряжение на коллекторе и мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе (на рис.1.1а показаны ограничения рабочего участка характеристик).

Обратимся к рассмотрению входных характеристиктранзистора - зависимостей тока базы от напряжения меж­ду базой и эмиттером: I_Б= F(U_БЭ), при постоянном напря­жении U_КЭ. При U_КЭ = 0 оба перехода в транзисторе ра­ботают при прямом напряжении, токи коллектора и эмит­тера суммируются в базе. Входная характеристика в этом режиме представляет собой ВАХ двух р-п переходов, вклю­ченных параллельно (рис. 1.1б).

При U_КЭ > U_КЭ,Н, на коллекторном переходе появляется обратное напряжение, на эмиттерном — сохраняется пря­мое. Ток базы в этом режиме, обусловленный процессом рекомбинации неосновных носителей в базе, равен разности эмиттерного и коллекторного токов. Входная характеристика транзистора рис. 1.1б в этом ре­жиме строится по прямой ветви ВАХ эмиттерного перехода, но значения тока уменьшаются, поскольку ток базы — это лишь рекомбинационная составляющая эмиттерного тока.

При любой схеме включения транзистор может быть представлен в виде активного четырехполюсника (рис. 1.2), на входе которого действует напряжение u₁ и протекает ток i₁, а на выходе — напряжение u₂ и ток i₂.

Рис.1.2. Схема транзистора, представленного в виде активного четырехполюсника

Для транзисторов чаще всего используются h-параметры, т.к. они наиболее удобны для измерений. Система уравнений, показывающая связь напряжений и токов с h-параметрами, имеет вид:

u₁ = h₁₁ i₁ + h₁₂ u₂;

i₂ = h₂₁ i₁ + h₂₂ u₂ .

Физический смысл соответствующих коэффициентов следующий:

h₁₁ = i₁ / u₁ - входное сопротивление при коротком замыкании на выходе (u₂=0);

h₁₂ = i₁ / u₂ - коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе (i₁=0);

h₂₁ = i₂ / i₁ - коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе (u₂=0);

h₂₂ = i₂ / u₂ - выходная проводимость при холостом ходе на входе (i₁=0).

Знание h-параметров позволяет построить эквивалентную линейную схему замещения транзистора, изображенную на рис.1.3.

Подобные схемы замещения используются при аналитическом расчете транзисторных схем, позволяют получить простые расчетные соотношения и произвести количественную оценку параметров схем.

Рис.1.3. Эквивалентная схема замещения транзистора в

h-параметрах

Значения h-параметров зависятот выбора рабочей точки, температуры, частоты и схемы включения транзистора. Для определенной схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК) добавляются соответствующие ин­дексы (Э, Б, К) при обозначении параметров, например h_11Э; h_{22 K} и т. д.

Приближенные значения h-параметров можно определить графоаналитическим способом по статическим входным и выходным харак­теристикам. Для определения всех h-параметров необходимо иметь не менее двух характеристик каждого семейства (входных и выход­ных). Параметры рассчитываются по величинам конечных при­ращений токов и напряжений вблизи рабочей точки транзис­тора.

Для схемы с ОЭ на семействе входных характеристик в рабочей точке А строят треугольник, из А проводят прямые, параллельные оси абсцисс и оси ординат до пересечения со второй характеристикой в точках В и С (рис. 1.4а). Из характеристического треугольника АВС получают все необходимые величины для определения h_11Э и h_12Э :

(1.1)

Рис.1.4. Определение h-параметров по ВАХ транзистора

В рабочей точке А’ по выходным характеристикам (рис.1.4б) определяют параметры h_22Э и h_21Э :

. (1.2)

Аналогично можно определить h-параметры для любой схемы включения транзистора.

Рабочее задание

1.Подготовьте к работе исследуемую цепь. Для этого

а) познакомьтесь со схемой исследуемой цепи (рис.1.5);

б) при отключенном макете установите напряжение источника Е_К равным 12 В; не изменяя значения установленного напряжения, выключите источник;

Рис.1.5. Схема исследуемой цепи

в) соберите исследуемую цепь в соответствии с рис.1.5, в качестве R_Б используйте магазин сопротивлений, особое внимание обратите на полярность включения источника напряжения Е_К;

г) установите сопротивление R_Б равным 90 кОм;

д)включите напряжение питания Е_К.

2. Сни­мите семейство входных ВАХ I_Б= F(U_БЭ). Для этого

а) с помощью потенциометра R установите напряжение U_КЭ = 2В, измерьте соответствующее напряжение U_БЭ ;

б) меняя значение R_Б в пределах от 90 к0м до 20 к0м и поддерживая при этом U_КЭ постоянным, измерьте соответствующие значения напряжения U_БЭ ;

в) повторите измерения при U_КЭ = 5 В.

Проведенные измерения сведите в табл.1. Для расчета I_Б воспользуйтесь законом Ома .

3. Сни­мите семейство выходных ВАХ I_К= F(U_КЭ). Для этого

а) установите сопротивление R_Б равным 90 кОм;

б) с помощью потенциометра R доведите напряжение U_КЭ до минимального значения, измерьте соответствующее напряжение U_RК на резисторе R_К ;

в) увеличивая с помощью потенциометра R напряжение U_КЭ повторите измерения при нескольких значениях U_КЭ, доведя его до возможно большего значения.

в) повторите измерения при R_Б = 70 и 50 кОм.

Проведенные измерения сведите в табл.2. Для расчета I_К воспользуйтесь законом Ома .

4. По полученным данным постройте семейство входных и выходных ВАХ биполярного транзистора.

5. Рассчитайте h-параметры транзистора, воспользовавшись соотношениями (1.1) и (1.2).

6. Постройте эквивалентную схему замещения транзистора, указав в ней полученные значения h-параметров.

Контрольные вопросы

1.Расскажите об устройстве, принципах работы и основных параметрах биполярных транзисторов.

2.Что такое входные и выходные вольт-амперные характеристики транзистора?

3.Каков смысл h-параметров транзистора?

4.Как определить h-параметры по ВАХ транзистора?

5. Как строится и для чего используется эквивалентная схема замещения транзистора в h-параметрах?

Таблица 1

UКЭ = 2 В	UКЭ = 5 В
RБ кОм	UБЭ В	IБ мА	RБ кОм	UБЭ В	IБ мА
…			…

Таблица 2

RБ =90 кОм	RБ =70 кОм	RБ =50 кОм
UКЭ В	URК В	IКм А	UКЭ В	URК В	IКм А	UКЭ В	URК В	IКм А

Лабораторная работа № 2