Исследование биполярных транзисторов

1. Цель работы: измерение статических характеристик биполярного транзистора и определение h- параметров.

2. Вопросы для подготовки к работе

2.1. Что такое транзистор?

2.2. Начертите условное изображение транзисторов на схемах.

2.3. Чем по структуре отличаются транзисторы типа p-n-p от транзисторов типа n-p-n?

2.4. Какие схемы включения транзисторов используют?

2.5. Начертите схему включения n-p-n транзистора с общим эмиттером. Укажите полярность источников напряжения и направление токов.

2.6. Начертите входные и выходные характеристики для схемы с общим эмиттером.

2.7. Поясните порядок снятия ВАХ транзистора.

2. Описание лабораторной установки

Для снятия ВАХ транзистора используют схемы, изображенные на рис. 3.1 и 3.2. На рис.3.1 приведена схема для исследования транзистора структуры n-p-n, а на рис. 3.2 – транзистора структуры p-n-p. Напряжение на схему подается от регулируемых источников U_б=0..2 В и U_кэ=0..15 В и контролируется вольтметрами РV1 и РV2. Ток базы измеряется микроамперметром РА1, а ток коллектора – миллиамперметром РА2.

3. Задание

3.1 Записать электрические параметры транзистора, используемого в работе. Основные электрические параметры транзисторов приведены в таблице 3.2, а типы транзисторов для каждой бригады указаны в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

Тип транзистора	МП11А	КТ315Г	МП42Б	ГТ308Б	МП25А	МП26Б
№ бригады

Таблица 3.2

№	Тип транзистора	Вид проводимости	Uкбmax В	Iкmax мА	h21э β	Iкбо мкА	Iбmax мА
	МП25А	p-n-p			20-50
	МП26Б	-//-			30-80
	МП39	-//-
	МП42Б	-//-			45-100
	МП11А	n-p-n			45-100		0,6
	КТ315Б	-//-			50-350		0,6
	МП10Б	n-p-n			25-50
	ГТ308Б	-//-			50-150	5,0	0,8

где U_кбmax – максимально допустимое напряжение коллектор-база

I_кmax – максимально допустимый постоянный ток коллектора

h_21э – коэффициент передачи тока в режиме малого сигнала в

схеме с ОЭ

I_кбо – обратный ток коллектора

I_бmax – максимально допустимый постоянный ток базы

3.2 Начертить схему для снятия ВАХ транзистора VТ1, включенного по схеме с ОЭ (рис.3.1 или 3.2).

3.3 Снять статическую входную характеристику транзистора VТ1, включенного по схеме с ОЭ I_б=ƒ(U_бэ) при U_кэ1=0 и U_кэ2=5В. Напряжение U_бэ изменять от наибольшего, при котором ток базы не превышает предельно допустимого значения I_б≤I_бmax , в сторону уменьшения. Снять 5-6 точек. Данные занести в таблицу 3.8.

Таблица 3.3

Uбэ,В

Iб, мА

Uкэ=0

Uкэ=5В

Ток I_бmax можно найти по формуле:

(3.1)

где I_кmax – максимальный ток коллектора (берется из таблицы 3.2); β - коэффициент усиления по току (берется среднее значение из таблицы 3.4).

3.4 Снять семейство выходных характеристик транзистора VТ1, включенного по схеме с ОЭ, I_к= ƒ(U_кэ), при фиксированных значениях тока базы I_б1=0, I_б2=0,2 I_бmax, I_б3=0,4 I_бmax, I_б4=0,6 I_бmax. Напряжение на коллекторе изменять от U_кэ=0 до U_кэ=0,5U_кэmax. Данные занести в таблицу 3.4.

Таблица 3.4

Iб,(мкА)

0,2Iбmax

0,4Iбmax

0,6 Iбmax

Uкэ, (В)

Iк, (мА)

3.5 По входным характеристикам рассчитать параметр h₁₁, а по выходным - параметры h₂₁ и h₂₂ схемы замещения транзистора.

4. Краткие сведения из теории

Рис. 3.3

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя встречно включенными и взаимодействующими p-n – переходами, предназначенный для усиления мощности электрических сигналов. В биполярном транзисторе используются одновременно два типа носителей зарядов – электроны и дырки (отсюда и название биполярный). Переходы транзистора образованы тремя областями с чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования этих областей различают транзисторы p-n-p (рис. 3.3,а) и n-p-n (рис.3.3, б) типов. В микроэлектронике главную роль играют транзисторы n-p-n типа. Области транзистора называются эмиттером, базой и коллектором.

Работа биполярного транзистора основана на взаимодействии двух p-n переходов. Это достигается тем, что толщина b базы транзистора выбирается меньше длины свободного пробега L (диффузионной длины) неосновных носителей заряда в базе (обычно b << L).

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на примере транзистора n-p-n типа, для которого концентрация основных носителей в n-области эмиттера существенно выше, чем в p-области базы, т.е. справедливо неравенство n_n>>p_p. (рис.3.4). К эмиттерному переходу приложено прямое (U_бэ), а к коллекторному - обратное (U_кб) напряжения. Такое включение источников соответствует активному режиму работы.

Пока эмиттерный ток I_э равен 0, в транзисторе существует только обратный ток коллекторного перехода I_кбо , создаваемый неосновными носителями заряда.

При повышении температуры число неосновных носителей увеличивается, и ток I_кбо возрастает. Обратный ток коллектора обычно составляет 10-100мкА у германиевых и 0,1-10мкА – у кремниевых транзисторов.

При повышении напряжения U_бэ эмиттерный переход начинает открываться. В результате через эмиттерный переход в область базы инжектируют электроны (инжекцией дырок из области базы в эмиттерную область пренебрегаем, т.к n_n>>p_p), образуя эмиттерный ток транзистора I_э.

Электроны, попавшие в область базы, частично рекомбинируют с дырками (рис.3.4), образуя ток базы I'_б.

Большая часть инжектированных электронов достигает коллекторного перехода и под действием электрического поля, создаваемого напряжением U_кб, увлекается в коллекторную область транзистора, образуя коллекторный ток I'_к. Соотношение потока электронов через коллекторный и эмиттерный переходы характеризуется коэффициентом передачи тока эмиттера:

(3.2)

Так как I_к<I_э, то коэффициент передачи тока α всегда меньше единицы. Для современных биполярных транзисторов α=0,9-0,995. Тогда:

I'_k=α·I_э (3.3)

Полный ток коллекторного вывода равен сумме токов

(3.4)

Ток в базовом выводе:

(3.5)

отсюда (3.6)

где β – коэффициент передачи тока базы.

Из (3.6) видно, что β >> 1, например, при α=0,950…0,995 коэффициент β меняется от 20 до 200.

Ток коллектора связан с током базы соотношением

I_к=β·I_б . (3.7)

Из выражений (3.4) и (3.7) следует, что транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор, поскольку значение его коллекторного тока I_к зависит от значений токов эмиттера I_э и базы I_б. При этом значение тока I_к существенно зависит от эффективности взаимодействия двух p-n переходов, которое в свою очередь обеспечивается соотношением b>>L, позволяющим уменьшить рекомбинацию инжектированных в область базы носителей заряда.

Уменьшению рекомбинации способствует также значительно меньшая концентрация основных носителей заряда в области базы по сравнению с концентрацией их в эмиттерной области.

Сопротивление обратно смещенного коллекторного перехода (при подаче на него обратного напряжения) очень велико (несколько мегаом). Поэтому в цепь коллектора можно включать нагрузочные резисторы с весьма большими сопротивлениями, не изменяя значения коллекторного тока. Соответственно в цепи нагрузки будет выделяться значительная мощность. Сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода, напротив, весьма мало (десятки Ом). Поэтому при почти одинаковых значениях эмиттерного и коллекторного токов мощность, потребляемая в цепи эмиттера, оказывается существенно меньше мощности, выделяемой в цепи нагрузки. Это указывает на то, что транзистор является полупроводниковым прибором, усиливающим мощность.

Режимы работы

Каждый переход транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают четыре режима работы транзистора.

Активный режим.На эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Именно этот режим работы соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера. К тому же он обеспечивает минимальные искажения усиливаемого сигнала (принцип работы рассмотрен выше).

Инверсный режим. К коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному - обратное. Инверсный режим работы характеризуется меньшим значением коэффициента передачи тока, поэтому как основной режим работы транзистора в схемах не применяется.

Режим насыщения. Оба перехода находятся под прямым напряжением. Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами колектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигналов.

Режим отсечки.К обоим переходам подведены обратные напряжения. Так как выходной ток в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей сигналов.

Основным режимом работы транзистора в аналоговых электронных устройствах является активный режим. Режимы отсечки и насыщения обычно применяются совместно для осуществления коммутации как силовых, так и информационных цепей. Транзистор в этом случае работает как электронный ключ.