методичка. методичка по лабам Основы электроники. Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине Основы электроники

• Название: Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине Основы электроники
• Анкор: методичка
• Дата: 13.11.2019
• Размер: 2.57 Mb.
• Имя файла: методичка по лабам Основы электроники.docx
• Тип: Методические указания; #94919
• страница: 4 из 15

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ИССЛЕДОВАНИЕ НА WORKBENCH СХЕМ НА

БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Цель работы:

Целью работы является изучение конструкции, принципов действия и

классификации широко используемых в электронике биполярных и

полевых транзисторов, а также освоение методов моделирования основных типов схем, использующих полупроводниковые транзисторы, в среде ELECTRONICS WORKBENCH.

Содержание работы:

1. Исследование параметров и характеристик транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером (с ОЭ).

2. Снятие входных и выходных ВАХ транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером (с ОЭ).

3. Снятие входных и выходных сигналов транзисторного каскада, включённого по схеме с общей базой (с ОБ).

4. Расчет усилительного каскада на полевом транзисторе, включенного по схеме с общим истоком (с ОИ).

5. Снятие входных и выходных ВАХ транзистора, включённого по схеме с общим истоком (с ОИ).

Инструменты:

Для проведения работы требуются следующие компоненты:

• 
  Биполярные транзисторы и ideal (панель Transistors, Models/motorol1 или ideal).
  
• 
  Полевой транзистор (панель Transistors, Models/njfet).
  
• 
  Функциональный генератор (панель Instruments).
  
• 
  Источники постоянного (переменного) напряжения (панель Sources).
  
• 
  Амперметры (панель Instruments).
  
• 
  Вольтметры (панель Instruments).
  
• 
  Осциллограф (панель Instruments).
  
• 
  Резисторы (панель Basic).
  
• 
  Конденсаторы (панель Basic).
  

Теоретические сведения:

Транзистор - это активный преобразователь с несколькими (обычно двумя) электронно-дырочными переходами, имеющий три (от эмиттера, базы в коллектора) или более выводов.

Транзистор представляет собой монокристалл, имеющий три области с различным типом проводимости. Транзистор с чередованием p-n-p называют транзистором прямой проводимости, а транзистор n-p-n типа - транзистором обратной проводимости.

Германиевый сплавной транзистор p-n-p типа изготовляется путём наплавления индия на пластину германия n- типа, образуя область с проводимостью p- типа. На границе p-n областей образуются p-n переходы. p-область с переходом, имеющую меньшую площадь, называют эмиттером, а имеющую большую площадь - коллектором. Средняя n- область называется основанием или базой.



а) б)

Рисунок 1. Условное обозначение транзисторов обратной (а) и прямой (б)

проводимости.
На рисунке 1а, б приведено условное обозначение транзисторов и стрелками указаны направления токов, принятые за положительные.

Рассмотрим принцип действия транзистора p-n-p (физические процессы в транзисторе n-p-n аналогичны). Концентрация основных носителей в базе много ниже концентрации основных носителей в эмиттере и коллекторе, т. е. база является высокоомным слоем. Такое соотношение концентраций достигается технологией при изготовлении (это по сплавной технологии, а при эпитаксиально–планарной технологии коллектор тоже получается высокоомным). В состоянии равновесия на границе p- и n- областей (эмиттер - база и база – коллектор) имеют место потенциальные барьеры с потенциалом “φ”.

Если к эмиттерному переходу присоединить источник постоянного напряжения с полярностью, соответствующей проводящему направлению, а к коллекторному переходу - с обратной полярностью в соответствии со знаками, указанными на рис. 2.1 а, то потенциальный барьер эмиттерного перехода снижается на величину Uэ, а коллекторного перехода увеличивается на величину Uк.

Снижение потенциального барьера эмиттерного перехода приводит к увеличению числа дырок, преодолевающих этот барьер и концентрация дырок на границе база - эмиттер увеличивается в p-n-p транзисторе.

Аналогично происходит увеличение концентрации электронов на границе эмиттер - база в n-p-n транзисторе.

Концентрация дырок на границе база - коллектор в p-n-p транзисторе уменьшается, так как потенциальный барьер коллекторного перехода увеличивается и число дырок, преодолевающих этот барьер, уменьшается.

Обычно концентрацию неосновных носителей в базе на границе коллекторного перехода (для p-n-p транзистора не основные носители в базе – дырки) принимают равной нулю, т.к. подходящие к этой границе дырки втягиваются полем перехода в коллекторную область, вследствие того, что коллекторное поле для дырок является ускоряющим. В то же время подходящие к этой границе электроны втягиваются в область базы.

Наличие градиента концентрации вызывает диффузионный ток, направленный в сторону уменьшения концентрации.

Подошедшие под действием диффузии к коллекторному переходу дырки затягиваются полем коллекторного перехода в коллекторную область транзистора. Не все дырки, вошедшие в базу, доходят до коллектора, т.к. некоторая их часть (1-10%) рекомбинирует с электронами в базовой области.

Рекомбинация дырок с электронами обуславливает рекомбинационную составляющую базового тока. Кроме рекомбинационной составляющей через базу проходят электронные составляющие эмиттерного и коллекторного токов.

Наибольшим током в транзисторе является ток эмиттера, т.к. определяется дырками, перешедшими из эмиттера в базовую область. Некоторая часть этих дырок, как уже отмечалось, рекомбинирует , обуславливая ток базы, оставшаяся часть дырок затягивается в коллекторную область, обуславливая ток коллектора (дырочную составляющую). Поэтому токи в транзисторе связаны соотношением:

I_э = I_б + I_к ,

где I_э — ток эмиттера, I_б - ток базы, I_к - ток коллектора.

Это соотношение записано без учёта очень малого по величине теплового тока коллектора I_кбо , обусловленного электронами, протекающими из коллекторного слоя в базовый, через переход база - коллектор. Отношение

,

показывающее, какая часть тока эмиттера является дырочной и инжектируется в базу, называется эффективностью эмиттера. Для получения возможно большей эффективности базу транзистора делают высокоомной, с малой концентрацией примесей, а эмиттер и коллектор - с концентрацией примесей на три-четыре порядка больше, чем в базе.

Основной величиной, характеризующей качество биполярного транзистора, является коэффициент передачи эмиттерного тока, приближённо:

0.94 – 0.995, т.е. меньше единицы.

Связь между токами в транзисторе и приложенными между его электродами напряжениями выражаются входными и выходными ВАХ транзистора. Вид характеристик зависит от его схемы включения. Возможны три схемы включения в зависимости от того, какой из электродов является общей точкой по переменному току для входной и выходной цепей:

- с общей базой (ОБ);

- с общим эмиттером ( ОЭ);

- с общим коллектором (ОК).

Рассмотрим статические характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ. Входными характеристиками называют зависимость тока эмиттера от напряжения между эмиттером и базой, снятых при нескольких неизменённых значениях напряжения между коллектором и базой: I_э =φ(U_эб) при U_кб = const.



Рисунок 2. Типовые входные (а) и выходные (б) характеристики германиевого транзистора в схеме с ОБ.
Типовая входная характеристика приведена на рисунке 2а. Входная характеристика при напряжении коллектора, равном нулю, аналогична прямой ветви ВАХ p-n перехода. При включении отрицательного напряжения между коллектором и базой характеристика смещается к оси ординат, как это показано на рисунке 2а. Это смещение соответствует увеличению тока эмиттера при заданном напряжении между эмиттером и базой. Увеличение тока эмиттера можно объяснить тем, что градиент концентрации дырок в базе увеличивается с увеличением напряжения на коллекторе, а следовательно, увеличивается ток эмиттера, пропорциональный этому градиенту.

Выходные характеристики транзистора с ОБ приведены на рисунке 2 б. При токе эмиттера, равном нулю, характеристика подобна обратной ветви ВАХ диода. Ток I_к при I_э=0 называется тепловым током транзистора и обозначается I_кбо. Выходными характеристиками транзистора в схеме ОБ называют зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и базой, снятую при нескольких неизменных значениях тока эмиттера:

I_к = φ(Uкб) при I_э = const.

Характеристики имеют значительный наклон в прямолинейной части, наличие которого объясняется эффектом Эрли. Сущность эффекта состоит в том, что при изменении напряжения U_кб меняется ширина коллекторного p-n перехода, который, смещаясь в сторону высокоомной базы, уменьшает ширину базы, а это приводит к увеличению коэффициента переноса носителей заряда через базу за счёт уменьшения рекомбинации носителей заряда в базе. Выходные характеристики в схеме с ОБ отличаются хорошей линейностью и эквидистантностью.