Основы электроники. Лаб 3. Исследование биполярного транзистора
 Скачать 0.81 Mb.
|
|
Алматы 2020 г. МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН УНИВЕРСИТЕТ САТПАЕВ Институт_____________________________________ Кафедра_____________________________________  ЛAБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 Тема: исследование биполярного транзистора.
Преподаватель Бигаливева Ж. С. Студент Жанат М. С. Специальность 6B07111 Робототехника и мехатроника ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА Цель работы: Исследование статических характеристик биполярного транзистора. Приборы и элементы, используемые в лабораторной работе
3.1 Теоретические сведения Исследуемая схема показана на рисунке 1. Статический коэффициент передачи тока  определяется как отношение тока коллектора  к току базы  : .Коэффициент передачи тока  определяется отношением приращения  коллекторного тока к вызывающему его приращению  базового тока: .Дифференциальное входное сопротивление  транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ) определяется при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер. Оно может быть найдено как отношение приращения напряжения база-эмиттер  к вызванному им приращению тока базы : . Рисунок 1 Дифференциальное входное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ через параметры транзистора определяется следующим выражением:  ,где  - распределенное сопротивление базовой области полупроводника, - дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер, определяемое из выражения: , где  - постоянный ток эмиттера в миллиамперах.Первое слагаемое в выражении много меньше второго, поэтому им можно пренебречь: .Дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер для биполярного транзистора сравнимо с дифференциальным входным сопротивлением транзистора в схеме с общей базой  , которое определяется при фиксированном значении напряжения база-коллектор. Оно может быть найдено как отношение приращения к вызванному им приращению  тока эмиттера: .Через параметры транзистора это сопротивление определяется выражением:  .Первым слагаемым в выражении можно пренебречь, поэтому можно считать, что дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер приблизительно равно:  .3.2 Порядок проведения экспериментов Результаты всех измерений и осциллограммы занести в соответствующий раздел. Эксперимент 1 - Определение статического коэффициента передачи тока транзистора 1) Собрать схему по рисунку1. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер, рассчитать статический коэффициент передачи транзистора . 2) Изменить номинал источника ЭДС  до 2,68В. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер. По полученным результатам подсчитать коэффициент . 3) Изменить номинал источника ЭДС  до 5В. Запустить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер. По полученным результатам подсчитать статический коэффициент передачи транзистора DC. Эксперимент 2 - Измерение обратного тока коллектора На схеме рисунка 1 изменить номинал источника ЭДС Еб до 0 В. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора для данных значений тока базы и напряжения коллектор-эмиттер. Эксперимент 3 - Получение выходной характеристики транзистора в схеме с ОЭ а) В схеме (рисунок 1) провести измерения тока коллектора для каждого значения Ек и Еб. Заполнить таблицу 1. По данным таблицы построить семейство зависимостей от Ек для каждого значения Еб.б) Собрать схему по рисунку 2. Включить схему. Зарисовать осциллограмму выходной характеристики, соблюдая масштаб. Повторить измерения для каждого значения Еб из таблицы 1. Осциллограммы выходных характеристик для разных токов базы зарисовать на одном графике. в) По выходной характеристике найти коэффициент передачи тока при изменении базового тока с 10 мкА до 30 мкА,  .  Рисунок 2 Эксперимент 4 - Получение входной характеристики транзистора в схеме с ОЭ 1) Вернуться к схеме собранной по рисунку 1.Установить значение напряжения источника Ек = 10В и провести измерения тока базы, напряжения база-эмиттер, тока эмиттера и коллектора для различных значений напряжения источника Еб в соответствии с таблицей 2. Обратите внимание, что коллекторный ток примерно равен току в цепи эмиттера. 2) По данным таблицы 2 построить график зависимости тока базы от напряжения база-эмиттер. 3) Собрать схему по рисунку 3. Включить схему. Зарисовать входную характеристику транзистора, соблюдая масштаб. 4) По входной характеристике найти сопротивление при изменении базового тока с 10 мкА до 30 мкА.  Рисунок 3 Эксперимент 5 - Получение входной характеристики транзистора в схеме с общей базой 1) По данным таблицы 2 построить график зависимости тока эмиттера от напряжения база-эмиттер. 2) Собрать схему по рисунку 4. Включить схему. Зарисовать осциллограмму полученной характеристики. 3) По полученной характеристике найти сопротивление при изменении эмиттерного тока с 5 мА до 10 мА. 4) Найти сопротивление по формуле , используя значение из таблицы 2 при  . Рисунок 4 3.3 Результаты экспериментов Эксперимент 1 - Определение коэффициента передачи транзистора по постоянному току 1) Напряжение источника ЭДС Еб - 5.7 В Ток базы транзистора Iб= 40.05 мкА Ток коллектора транзистора Iк= -9.279 мА Напряжение коллектор-эмиттер Uкэ= 9.99 В Статический коэффициент передачи DC= -231.7  2) Напряжение источника ЭДС Еб - 2.68 В Ток базы транзистора Iб= 19.19 мкА Ток коллектора транзистора Iк= -3.745 мА Напряжение коллектор-эмиттер Uкэ= 10 В Статический коэффициент передачи DC = -195.15  3) Напряжение источника ЭДС Ек = 5 В Ток базы транзистора Iб= 42.11 мкА Ток коллектора транзистора Iк= -8.050 мА Напряжение коллектор-эмиттер Uкэ= 9.99 В Статический коэффициент передачи DC = -191.16  Эксперимент 2 - измерение обратного тока коллектора Обратный ток коллектора Iко= 0 Ток базы транзистора Iб= 0 Напряжение коллектор – эмиттер Uкэ= 10 В  Эксперимент 3 - Получение выходной характеристики транзистора в схеме с ОЭ Таблица 3
Коэффициент передачи тока АС = 179.3  Эксперимент 4 - Получение входной характеристики транзистора в схеме с ОЭ Таблица 4
Сопротивление рассчитанное по результатам измерения Rвх=-37 кОм  Эксперимент 5 - Получение входной характеристики транзистора в схеме с ОБ  Контрольные вопросы 1.Объясните сущность процессов инжекции и экстракции неосновных носителей заряда в транзисторе. Инжекция – явление, при котором происходит увеличение концентрации неосновных носителей заряда в приконтактных областях. Явление инжекции является следствием уменьшения высоты потенциального барьера в p-n-переходе при подаче на него прямого смещения («+» на p-область и «–» на n-область). При подаче прямого напряжения электроны инжектируются из n в p область, дырки наоборот. Переходя в соседние области эти носители заряда становятся неосновными (что приводит к увеличению концентрации неосн. неосителей вблизи ОПЗ) Для несимметричного p-n перехода, (например Nд>Nа) инжекция носит односторонний характер. Главную роль играют носители заряда, инжектируемые из высоколегированного п/п в слаболегируемый п/п. Слой, из которого инжектрируются заряды – эммитер, а слой в который инжектируется – база! Экстракция – явление, при котором концентрация неосновных носителей заряда в приконтактных областях уменьшается. Явление экстракции является следствием увеличения высоты потенциального барьера в p-n-переходе при подаче на него обратного смещения («-» на p-область и «+» на n-область). При таком включении ток через переход будет носить дрейфовый характер (за счет неосновных носителей заряда) т.к. их достаточно мало, то и обратный ток через переход тоже мал. При обратном смещении увеличивается ОПЗ и увеличивается внутреннее электрическое поле, оно будет складываться с внешним. (т.к. при экстракции направление внутреннего электрического поля будет совпадать с внешним электрическим полем обратного напряжения). Это внутреннее поле будет выталкивать неосновные носители заряда из областей, прилегающих к ОПЗ, в результате чего их концентрация упадет до 0. 2. Что такое интегральный коэффициент передачи тока эмиттера? Множитель α называют коэффициентом передачи тока эмиттера. У интегральных транзисторов α = 0.99–0.995.  3. Как образуется ток базы? Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны) и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы. 4. Почему обратный ток коллектора IКБО сильно возрастает при повышении температуры. При повышении температуры обратный ток коллектора резко возрастает по экспоненциальному закону и-одновременно смещается вверх семейство характеристик коллекторного тока. 5.От чего зависит ток коллектора транзистора? Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки». 6. Какие режимы работы биполярного транзистора вы знаете? Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи. Барьерный режим. В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов. 7. Что такое многоэмиттерный и многоколлекторный транзистор? Многоэмиттерные транзисторы (МЭТ), эмиттерные области которых объединены одним внешним выводом, характеризуются большим значением отношения периметра эмиттера к его площади, что обеспечивает уменьшение сопротивления базы транзистора и увеличение плотности его эмиттерного тока. Такие транзисторы применяют главным образом в качестве мощных ВЧ и СВЧ транзисторов. Структура многоколлекторного транзистора (МКТ) такая же, как и структура МЭТ, но используется она иначе. Здесь роль эмиттера выполняет эпитаксиальный n-слой, а коллекторами являются высоколегированные n-слои малых размеров. Поэтому МКТ можно рассматривать как МЭТ в инверсном режиме. 8. Каков механизм влияние коллекторного напряжения на эмиттерную характеристику? Зависимость токов транзистора от двух меняющихся факторов значительно затрудняет анализ. Поэтому вначале рассмотрим работу транзистора в статическом режиме, то есть при отсутствии сопротивления нагрузки в цепи коллектора. В этом случае напряжения на коллекторном и эмиттерном переходах будут постоянными при изменении токов в транзисторе. При этом свойства транзистора можно характеризовать графическими зависимостями токов, называемых статическими характеристиками. 9. Зависит ли коэффициент DC от тока коллектора? Если да, то в какой степени? Обосновать ответ. Да, зависит. Чем больше ток коллектора, тем меньше значение коэффициента DC, что мы наблюдаем в первом эксперименте. 10. Что можно сказать по выходным характеристикам о зависимости тока коллектора от тока базы и напряжения коллектор-эмиттер? Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, представляют собой зависимость тока коллектора от напряжения коллектор – эмиттер при постоянном токе базы: Iк = f (Uкэ) при Iб = const. 11. Какую роль выполняет диод Шоттки в транзисторе? Диод Шоттки — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. Барьер Шоттки также имеет меньшую электрическую ёмкость перехода, что позволяет заметно повысить рабочую частоту диода. Это свойство используется в интегральных микросхемах, где диодами Шоттки шунтируются переходы транзисторов логических элементов. В силовой электронике малая ёмкость перехода (т.е. короткое время восстановления) позволяет строить выпрямители, работающие на частотах в сотни кГц и выше. 12. Приведите систему h-параметров транзистора и по статическим характеристикам транзистора определить h-параметры? Связь между малыми приращениями токов и напряжений, действующих в транзисторе, устанавливается так называемыми характеристическими параметрами. Эти параметры определяются схемой включения транзистора. Существует несколько систем характеристических параметров. Наибольшее распространение получила система h-параметров, называемая смешанной или гибридной, так как среди параметров этой системы имеется одно сопротивление, одна проводимость и две безразмерные величины. h-параметры связывают входные и выходные токи и напряжения. Зависимости между входным напряжением U1=UБЭ, входным током I1=IБ, выходным напряжением U2=UКЭ и выходным током I2=IК могут быть выражены системой двух уравнений: ΔU1=h11ΔI1+h12ΔU2, ΔI2=h21ΔI1+h22ΔU2, где: h11Э – входное сопротивление транзистора при коротком замыкании (по переменному току) на выходе транзистора; h12Э – коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе (разомкнутом входе по переменному току); h21Э – коэффициент усиления по току при коротком замыкании (по переменному току) на выходе транзистора; h22Э – выходная проводимость транзистора при разомкнутом (по переменному току) входе. h11Э=ΔUБЭ/ΔIБ при UКЭ=const; h12Э=ΔUБЭ/ΔUКЭ при IБ=const; h21Э=ΔIК/ΔIБ при UКЭ=const; h22Э=ΔIК/ΔUКЭ при IБ=const. 13. Чем дрейфовый транзистор отличается от бездрейфового? Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может существовать или отсутствовать электрическое поле. Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, то транзистор называют дрейфовым, если же поле в базе отсутствует – бездрейфовым. По принципу действия дрейфовый и бездрейфовый транзисторы одинаковы. Отличаются они только механизмом переноса носителей через базовую область. В дрейфовом транзисторе скорость носителей в базе увеличивается вследствие действия дрейфового поля, что приводит к различиям в численных значениях параметров двух типов транзисторов. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
