Лабораторная работа №2.Исследование биполярных транзисторов

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомление с характеристиками биполярного транзистора, с методиками их определения для различных схем включения, получение навыков практического исследования вольт-амперных характеристик транзистора и определения его параметров.

Транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, структура которого содержит два электронно-дырочных перехода. Транзистор представляет собой монокристаллическую пластину полупроводника, в которой с помощью особых технологических приемов созданы три области, две из них имеют одинаковый тип электропроводности и разделены между собой областью с иной электропроводностью. Эта средняя область называется базой, а две другие, крайние – эмиттером и коллектором.

В зависимости от того какой из выводов транзистора является общим между входным источником сигнала и выходной цепью транзистора существуют три основные схемы включения транзистора в электрическую цепь: с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК), с общей базой (ОБ).

Основными вольтамперными характеристиками транзистора являются входная и выходная характеристики.

Зависимость Iвх =f(Uвх)|Uвых =const – называют входной статической вольт–амперной характеристикой (ВАХ), а зависимость Iвых=f(Uвых) |Iвх =const выходной статической ВАХ. ВАХ снимают в режиме по постоянному току и представляют собой зависимости постоянных токов и напряжений. Характеристики транзистора зависят от схемы его включения.

При анализе работы транзистора и расчетах усилительных схем используется система параметров малого сигнала. Наиболее употребительна система h–параметров, связывающая малые приращения (дифференциалы) напряжения на входе транзистора dU₁ и выходного тока dI₂c малым приращением входного тока dI₁ и выходного напряжения dU₂ транзистора:

dU1=h11dI1 + h12dU2, dI2=h21dI1 + h22dU2.

Указанные h-параметры, входящие коэффициентами, в уравнения имеют следующий физический смысл:

h11б = dU1/dI1» dUэб/dIэ, при Uкб= const

дифференциальное входное сопротивление транзистора (индекс Б означает, что h–параметр определен в схеме включения транзистора с ОБ). При токе эмиттера порядка 1мА входное дифференциальное сопротивление h_11б по порядку величины составляет десятки Ом;

h12б = dU1/dU2 » dUэб /dUкб, при Iэ= const

коэффициент обратной связи по напряжению, имеет величину порядка 10^-5 и, в большинстве случаев, при расчетах этим коэффициентом из-за его малости пренебрегают;

h21б = dI2 /dI1/» dIк/dIэ , при Uкб= const

коэффициент передачи тока эмиттера, основной усилительный параметр транзистора. В технической литературе этот параметр часто обознача­ется как a. Значение a всегда меньше единицы (a<1) и имеет порядок величины 0.9¸0.995. Чем ближе a к единице, тем лучше усилительные свойства транзистора;

h22б = dI2 /dU2» dIк/dUкб, при Iэ= const

выходная проводимость транзистора, в схеме с ОБ имеет величину порядка 10^-5 ¸ 10^{-7 См}.

Методика графического определения H–параметров транзистора

Располагая вольт–амперными характеристиками транзистора, можно графическим путем определить низкочастотные значения h-параметров. Для определения h-параметры необходимо задать рабочую точку, например А (I_бА, U_кэА), в которой требуется найти параметры.

Параметры h_11э и h_12э находят по входной характеристики.

Определим h_11э для заданной рабочей точки А (I_бА, U_кэА) для схемы ОЭ. На входной характеристике находим точку А, соответствующую заданной рабочей точке (рис.1.8). Выбираем вблизи рабочей точки А две вспомогательные точки А₁ и А₂ (приблизительно на одинаковом расстоянии), определим по ними dU_бэ и dI_б и рассчитаем входное дифференциальное сопротивление, по формуле:

h_11э=(dU_бэ /dI_б)|_Uкэ=const.

Приращения dU_бэ и dI_б выбирают так, чтобы не выходить за пределы линейного участка, их можно примерно принять за (10-20)% от значений рабочей точки.

Графическое определение параметра h_12э = dU_бэ /dU_кэ затруднено, так как семейство входных характеристик при различных dU_кэ>0 практически сливается в одну (рис.1.8.).

Параметры h_22э и h_21э определяются из семейства выходных характеристик транзистора I_к=f (U_кэ) (рис.1.9).

Параметр h_21э= (dI_к /dI_б) |_Uкэ=const находится в заданной рабочей точке А (I_бА, U_кэА). Для нахождения приращений выбирают две вспомогательные точки А₁ и А₂ вблизи рабочей точки А при постоянном U_кэ =U_кэ0. Приращение тока базы dI_б следует брать, как dI_б=I_б2 – I_б1, где I_б2 и I_б1 определены как токи базы в точках А₂ и А₁. Этому приращению dI_б соответствует приращение коллекторного тока dI_к = I_к2 – I_к1, где I_к2 и I_к1.определены в точках точках А₂ и А₁. Тогда дифференциальный коэффициент передачи тока базы рассчитаем по формуле h_21э= (dI_к /dI_б) )|_Uкэ=const .

Параметр h_22э=(dI_к/dU_кэ)│_Iб=const определяется по наклону выходной характеристики (рис.1.9) в заданной рабочей точке А (I_бА, U_кэА), при постоянном токе базы I_б. Для нахождения приращений выбирают две вспомогательные точки точки А^*₁ и А^*₂ . Для этих точек определяют dU^*_кэ|_{Iб = const} =U_к2 – U_к1 – приращение коллекторного напряжения, и приращение коллекторного тока dI^*_к= I^*_к2 – I^*_к1. При этом из семейства выходных характеристик следует выбирать ту характеристику, которая снята при выбранном значение тока базы I_б=I_бА .

Если рабочая точка не совпадает ни с одной траекторией приведенной на графике, то такую траекторию надо провести самостоятельно, между и по аналогии с соседними значения тока базы которых известно, и присвоить ей свое значение тока базы равное I_бА .