Исследование биполярных и полевых транзисторов

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Экспериментальное исследование принципа работы и характеристик биполярных и полевых транзисторов.

ЗАДАНИЕ НА ПРОВЕДЕНИЕ РАБОТЫ

Получить и построить входные и выходные вольтамперные характеристики транзисторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Биполярные транзисторы

Транзистор – полупроводниковый элемент с тремя электродами, который служит для усиления или переключения сигналов. Различают кремниевые и германиевые транзисторы. Они бывают структуры p-n-p и n-p-n. На рис. 2.1 представлена структура этих транзисторов, соответствующие выводы которых обозначаются как эмиттер – Э, база – Б и коллектор – К.

Рис. 2.1

Для каждого типа транзисторов необходимо соблюдать определённое направление токов и соответственно полярность приложенного напряжения. Условное обозначение транзистора структуры p-n-p на схеме дано на рис. 2.2. Направление стрелки в эмиттер-базовом (ЭБ) переходе указывает на тип транзистора и одновременно направление тока управления и силового или усиленного тока.

Ток управления протекает по эмиттер-базовому переходу и равен току базы. На рис. 2.3 приведена типовая входная характеристика I_Б=f(U_ЭБ) транзистора, изготовленного на основе германия. Как правило, входная характеристика снимается при U_КЭ=0, т.е. отсутствии влияния выходной цепи на входную, и при U_КЭ=5 В.

Рис. 2.2

Рис. 2.3

Усиленный ток, превышающий ток базы в b раз (b=10…200), протекающий непосредственно между эмиттером и коллектором под действием приложенного напряжения U_КЭ. Зависимость тока коллектора (рис. 2.4) от напряжения U_КЭ при некоторых постоянных токах базы называют семейством его выходных характеристик I_К=f(U_КЭ) (при I_Б=const).

Анализируя данные зависимости, можно сделать вывод, что ток коллектора, начиная с некоторого U_КЭ, практически только зависит от тока базы, т.е. транзистор является усилителем тока. При включении транзистора по схеме рис. 2.2 входной ток равен току базы, а I_Э = I_Б + I_К.

Коэффициент усиления b при U_КЭ = const .

Рис. 2.4

Коэффициент передачи тока от эмиттера к коллектору

при U_ЭБ=const ( =0,9…0,99)

Зависимость тока коллектора I_К от от напряжения называется передаточной характеристикой I_К=f(U_БЭ) (рис. 2.5).

Рис. 2.5

Аналитически передаточная характеристика описывается формулой Эберса–Молла.

,

при этом I_so=f(T, U_кэ),

I_so – обратный тепловой ток;

мВ – температурный потенциал

q – заряд электрона = 1,6 ×10^-19 Кл;

k – постоянная Больцмана = 1,38 ×10^-23 Дж/Кл;

Т – абсолютная температура = 273 +°С;

Отметим: для германиевого p-n перехода I_so»100 нA;

для кремниевого p-n перехода I_so»10 нA.

Поскольку I_К>> I_so, формула Эберса-Молла принимает вид

При объяснении работы схемы на биполярных транзисторах нельзя не учитывать такие параметры, как внутренне сопротивление эмиттера r_Э и базы r_Б, а также межэлектродной ёмкости С_ЭК и С_ЭБ.

Полевые транзисторы

Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, через который ток управляется напряжением, приложенным к управляющему электроду, при этом ток управления практически отсутствует.

На рис. 2.6 представлена структура полевого транзистора, соответствующие выводы которого обозначаются как сток – С, исток – И и затвор – И.

Рис. 2.6

Ток в транзисторе под действием приложенного напряжения протекает между стоком и истоком по каналу. Канал – это область в транзисторе, где осуществляется собственно регулирование тока.

Существуют каналы типа n и p. Каждому типу канала соответствует своя определенная полярность напряжения, приложенного к транзистору и соответствующие направления тока.

Если к затвору относительно истока приложить запирающее напряжение, сечение канала уменьшится, что приведёт к уменьшению тока через транзистор.

Существуют полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода и с изолированным затвором.

Условное обозначение полевого транзистора с затвором в виде p-n перехода и каналом типа p дано на рис. 2.7.

Полярность питающего напряжения должна быть такой, чтобы p-n переход был закрыт и ток в затворе отсутствовал.

Зависимость называется переходной. Типовая переходная характеристика полевых транзисторов с затвором на основе p-n перехода и каналом p типа дана на рис. 2.8. Пунктиром обозначена зона разброса характеристики для одного типа транзисторов.

Рис. 2.7

Рис. 2.8

Семейство выходных характеристик полевого транзистора представлении на рис. 2.9 и даёт связь параметров при U_ЗИ=const.

Основным параметром полевого транзистора является крутизна переходной характеристики.

при U_СИ=const.

Входное сопротивление полевого транзистора R_С составляет 1…50 МОм.

Рис. 2.9

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Запустить программу MultiSym. Загрузить схему исследования <ЛР№2 1.msm> . Появится схема, имеющая следующий вид:

4.2. Чтобы схема начала функционировать, нажать кнопку в верхнем правом углу окна .

4.3. Изменяя напряжение источника питания V1 от 0 до 0,9 В, снять и построить входную характеристику биполярного транзистора I_Б=f(U_ЭБ) при напряжении коллектора U_ЭК =0, 5 В (источник питания V2). Ток I_Б контролируется с помощью мультиметра ХММ1.

4.4. Изменяя выходное напряжение U_КЭ (источник питания V3) от 0 до 5 В, снимите и постройте положительную ветвь выходной характеристики биполярного транзистора I_К=f(U_КБ) при установке входного тока (I_Б) 0, 10, 20, 40 и 60 мкА. Ток I_К контролируется с помощью мультиметра ХММ2.

4.5. По выходным и входным характеристикам вычислить параметры биполярного транзистора:

при U_КЭ=const;

при U_КЭ=const.

4.6. Снять и построить переходную характеристику полевого транзистора. Загрузить схему исследования <ЛР№2 2.msm>. Появится схема, имеющая следующий вид:

Чтобы схема начала функционировать, необходимо нажать кнопку в верхнем правом углу окна .

4.7. Изменяя напряжение источника питания V1 от 0 до 3 В, снять и построить переходную характеристику полевого транзистора I_С=f(U_ЗИ) при напряжении U_СИ =10 В (источник питания V2). Ток I_С контролируется с помощью мультиметра ХММ1.

4.8. Изменяя выходное напряжение U_СИ (источник питания V2) от 0 до 5 В, снять и построить выходную характеристику полевого транзистора I_С=f(U_СИ) при напряжении U_ЗИ, равном 0, 1 и 2 В (источник питания V1). Ток I_С контролируется с помощью мультиметра ХММ1.

4.9. По характеристикам вычислить параметры полевого транзистора:

при U_СИ=const

при U_ЗИ=const.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Объяснить принцип работы биполярного транзистора и полевого транзистора.

2. Изобразите возможные схемы включения биполярного транзистора.

3. Какие основные параметры биполярного транзистора?

4. В чем различие структур n-p-n и p-n-p транзисторов?

5. Как влияет температура на работу транзистора?

6. Чем определяется коэффициент усиления напряжения в транзисторном каскаде с общим эмиттером?

7. Раскройте содержание h-параметров. Как их определить по характеристикам транзистора?

8. В каких состояниях может находиться транзистор?

9. Какие основные параметры полевого транзистора?

10. Какие существуют варианты включения биполярного транзистора? В чем преимущество схемы включения с общим эмиттером?

11. Какие существуют варианты включения полевого транзистора?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3