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 Uб=0..2 В и Uкэ=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 Uкбmax – максимально допустимое напряжение коллектор-база
Iкmax – максимально допустимый постоянный ток коллектора
h21э – коэффициент передачи тока в режиме малого сигнала в
схеме с ОЭ
Iкбо – обратный ток коллектора
Iбmax – 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 Iб=ƒ(Uбэ) при Uкэ1=0 и Uкэ2=5В. Напряжение Uбэ изменять от наибольшего, при котором ток базы не превышает предельно допустимого значения Iб≤Iбmax , 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 Iбmax можно найти по формуле:
(3.1)
где Iкmax – 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, Iк= ƒ(Uкэ), при фиксированных значениях тока базы Iб1=0, Iб2=0,2 Iбmax, Iб3=0,4 Iбmax, Iб4=0,6 Iбmax. Напряжение на коллекторе изменять от Uкэ=0 до Uкэ=0,5Uкэmax. 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 nn>>pp. (рис.3.4). К эмиттерному переходу приложено прямое (Uбэ), а к коллекторному - обратное (Uкб) напряжения. Такое включение источников соответствует активному режиму работы.
Пока эмиттерный ток Iэ равен 0, в транзисторе существует только обратный ток коллекторного перехода Iкбо , создаваемый неосновными носителями заряда.
При повышении температуры число неосновных носителей увеличивается, и ток Iкбо возрастает. Обратный ток коллектора обычно составляет 10-100мкА у германиевых и 0,1-10мкА – у кремниевых транзисторов.
При повышении напряжения Uбэ 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 nn>>pp), образуя эмиттерный ток транзистора Iэ.
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 Uкб, 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 Iк<Iэ, то коэффициент передачи тока α всегда меньше единицы. Для современных биполярных транзисторов α=0,9-0,995. Тогда:
I'k=α·Iэ (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
Iк=β·Iб . (3.7)
Из выражений (3.4) и (3.7) следует, что транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор, поскольку значение его коллекторного тока Iк зависит от значений токов эмиттера Iэ и базы Iб. При этом значение тока Iк 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.