Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов.


Изучаемая тема: Биполярные транзисторы
Лабораторная работа № 3 «Исследование вольт-амперных характеристик биполярного транзистора»Цель работы: получить навыки снятия и анализа вольтамперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Научиться определять h-параметров по характеристикам.
В процессе занятия решаются следующие задачи:
получить базовые навыки снятия ВАХ БТ и проведения расчётов аналоговых электронных устройств;
Краткие теоретические и справочно-информационные материалы по теме занятия.
Введение
 Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. В транзисторе используются оба типа носителей - основные и неосновные, поэтому его называют биполярным.
Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение транзистора типа p-n-p:Э - эмиттер, Б - база, К - коллектор, W - толщина базы, ЭП - эмиттерный переход, КП - коллекторный переход. Переход, который образуется на границе эмиттер-база, называется эмиттерным, а на границе база-коллектор - коллекторным. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы p-n-р и n-р-n.
Условные обозначения обоих типов транзисторов, рабочие полярности напряжений и направления токов показаны на рис. 2.

Рис.2. Условные обозначения транзисторов: а) транзистор p-n-p, б) транзистор n-р-nПо технологии изготовления транзисторы делятся на сплавные, планарные, а также диффузионно-сплавные, мезапланарные и эпитаксиально-планарные (рис. 3).
Рис. 3. Разновидности транзисторов по технологии изготовления
Конструктивно биполярные транзисторы оформляются в металлических, пластмассовых или керамических корпусах (рис.4).

Рис. 4. Конструктивное оформление биполярного транзистора
Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:
1. Режим отсечки - оба p-n перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идёт сравнительно небольшой ток;
2. Режим насыщения - оба p-n перехода открыты;
3. Активный режим - один из p-n переходов открыт, а другой закрыт.
В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причём транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы.
Область транзистора, расположенная между переходами называется базой (Б). Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из них изготовляют так, чтобы из неё наиболее эффективно происходила инжекция в базу, а другую - так, чтобы соответствующий переход наилучшим образом осуществлял экстракцию инжектированных носителей из базы.
Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером (Э), а соответствующий переход эмиттерным.
Область, основным назначением которой является экстракцией носителей из базы - коллектор (К), а переход коллекторным.
Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе - обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности - инверсным.
По характеру движения носителей тока в базе различают диффузионные и дрейфовые биполярные транзисторы.
Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может присутствовать 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 (диффузионным).
Параметры транзистора как четырехполюсника. h-параметры
Биполярный транзистор в схемотехнических приложениях представляют как четырехполюсник и рассчитывают его параметры для такой схемы. Для транзистора как четырехполюсника характерны два значения тока I1 и I2 и два значения напряжения U1 и U2 (рис. 5).

Рис. 5. Схема четырехполюсника
В зависимости от того, какие из этих параметров выбраны в качестве входных, а какие в качестве выходных, можно построить три системы формальных параметров транзистора как четырехполюсника. Это системы z-параметров, y-параметров и h-параметров. Рассмотрим их более подробно, используя линейное приближение.
Система h-параметров
Система h-параметров используется как комбинированная система из двух предыдущих, причем из соображений удобства измерения параметров биполярного транзистора выбирается режим короткого замыкания на выходе (U2 = 0) и режим холостого хода на входе (I1 = 0). Поэтому для системы h-параметров в качестве входных параметров задаются ток I1 и напряжение U2, а в качестве выходных параметров рассчитываются ток I2 и напряжение U1, при этом система, описывающая связь входных I1, U2 и выходных I2, U1 параметров, выглядит следующим образом:

Значения коэффициентов в уравнении для h-параметров имеют следующий вид:
 - входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;
 - выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи;
 - коэффициент обратной связи при холостом ходе во входной цепи;
 - коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе.
Эквивалентная схема четырехполюсника с h-параметрами приведена на рисунке 6 а, б. Из этой схемы легко увидеть, что режим короткого замыкания на выходе или холостого хода на входе позволяет измерить тот или иной h-параметр.

Рис.6. Эквивалентная схема четырехполюсника:а) биполярный транзистор в схеме с общей базой; б) биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером

Рассмотрим связь h-параметров биполярного транзистора в схеме с общей базой с дифференциальными параметрами. Для этого воспользуемся эквивалентной схемой биполярного транзистора на низких частотах, показанной на рисунке 5.24а, а также выражениями для вольт-амперных характеристик транзистора в активном режиме. Получаем:

Для биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (рис. 4б) выражения, описывающие связь h-параметров с дифференциальными параметрами, будут иметь следующий вид:
Для различных схем включения биполярного транзистора (схема с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором) h-параметры связаны друг с другом. В таблице 2 приведены эти связи, позволяющие рассчитывать h-параметры для схемы включения с общей базой, если известны эти параметры для схемы с общим эмиттером.
Таблица 2. Связи между h параметрами

Дифференциальные параметры биполярных транзисторов зависят от режимов их работы. Для схемы с общим эмиттером наибольшее влияние испытывает коэффициент усиления эмиттерного тока h21э в зависимости от тока эмиттера. На рисунке 5.25 приведена эта зависимость для транзисторов КТ215 различных типономиналов. В области малых токов (микромощный режим) коэффициент усиления уменьшается вследствие влияния рекомбинационной компоненты в эмиттерном переходе, а в области больших токов (режим высокого уровня инжекции) - коэффициент усиления уменьшается вследствие уменьшения коэффициента диффузии.
Порядок работы
Внимательно ознакомьтесь с кратким и справочно-информационным материалом по теме занятия.
Соберите схему исследования транзистора, изображенную на рисунке 6. Для исследования используется транзистор MPS3709 (nationl1), отечественный аналог – КТ3102A. Рисунок 6 – Схема для исследования биполярного транзистора
Постройте таблицу для записи результатов измерений (Таблица 3)
Таблица 3 – Данные для построения входных характеристик транзистора
Установите на генераторе напряжения G2 напряжение UКЭ1=0 ВИзменяя значение тока генератора G1 от 1 до 500 мкА, запишите соответствующие значения напряжения UБЭ (вольтметр PV1) в таблицу.
Повторите измерения при выходном напряжении UКЭ2=15 В.
Постройте таблицу для записи результатов измерений (Таблица 4)
Таблица 4 – Данные для построения выходных характеристик транзистора
Установите на генераторе тока G1 ток IБ1=100 мкА
Изменяя значение напряжения генератора G1 от 0,1 до 35 В, запишите соответствующие значения тока IК (амперметр PА2) в таблицу.
Повторите измерения при входных токах IБ2=300 мкА и IБ3=500 мкА.
По результатам измерений постройте входные и выходные характеристики транзистора (используйте возможности программы MS Excel).
Определите h-параметры транзистора по полученным характеристикам.
Сделайте вывод. Вывод должен содержать описание теоретических положений, подтвержденных экспериментально в процессе выполнения работы.
Время выполнения работы 180 мин;
Контрольные вопросы
Что такое биполярный транзистор?
Из каких материалов изготавливаются транзисторы?
Сколько PN-переходов содержит биполярный транзистор?
Чем отличаются транзисторы различных типов?
Нарисуйте условные графические обозначения транзисторов различных типов.
Запишите названия выводов на рисунке.
Какие приборы необходимы для снятия характеристик транзистора?
Нарисуйте входные и выходные характеристики транзистора. Расскажите о процессах, соответствующих характерным участкам ВАХ.
Перечислите основные параметры транзисторов. Охарактеризуйте каждый из них. 
Как определить h-параметры по характеристикам транзистора.
Поясните особенности и область применения биполярных транзисторов.
Составьте отчет о проделанной работе в тетради для самостоятельных работ.
Критерии оценки:
1. Работа оценивается на «пять баллов», все основные параметры усилителя вычислены верно и выводы сделаны правильно.
2. Работа оценивается на «четыре балла» если допущена 1 ошибка в выполнении расчетов т.е. в ходе выполнения вычислений ответ был неверным у одного из параметров, выводы сделаны правильно
3. Работа оценивается на «три балла» если допущены 2 ошибки в выполнении расчетов, выводы сделаны правильно
Рекомендуемая литература
Гоошков, Б.И. Электронная техника: учебное пособие для студентов СПО[электронная версия] / Б.И. Горошков, А.Б. Горошков.- 2-е изд., стер.-М., Издательский центр «Академия», 2008-320 с.
Москатов, Е.А. Электронная техника [электронная версия] / Е.А. Москатов.- Таганрог, 2004-121 с.
Иванов, И. И Электротехника и основы электроники: Учебник [электронная версия] / И. И.Иванов, Г. И. Соловьев, В. Я. Фролов 7-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Издательство «Лань», 2012.— 736 с.Чернышов Н.Г., Моделирование и анализ схем в Electronics Workbench: Учеб.-метод. Пособие/ [электронная версия]/ Чернышов Н.Г., Чернышова Т.И. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. 52 с.

Приложенные файлы

  • docx 83389984
    Размер файла: 157 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий