Лабораторная работа №4

 

Измерение характеристик и определение параметров транзистора по схеме с общей базой

 

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Цель работы состоит в определении входных и выходных характеристик транзистора по схеме с общей базой и вычислении на этой основе h–параметров транзистора.

 

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНЗИСТОРАХ

 

В 1948 году Д. Бардин и В. Брайтен обнаружили, что по-лупроводниковые устройства с двумя p-n переходами спо-собны создавать усиление электрических колебаний по мощ-ности. Они назвали это устройство транзистором (от анг-лийских слов ”transfer” – преобразователь и “resistor со-противление).

В настоящее время промышленность выпускает плос-костные транзисторы, представляющие собой монокристалл полупроводника, в котором две области с проводимостью одного типа разделены областью с проводимостью про-тивоположного типа. Таким образом могут быть получены структуры p-n-p и n-p-n типа (рис. 1).

Между областями с разными типами проводимости обра-зуются p-n переходы. P-n переход, образующийся между эмиттером и базой, называется эмиттерным переходом (ЭП); переход, образующийся между базой и коллектором, на-зывают коллекторным переходом (КП).

Дырки (в p-n-p транзисторе), создающие эмиттерный ток, из области эмиттера попадают в очень узкую (10-50 мкм)  n-область базы, откуда большая их часть (95-99%) проходит в p-область к коллектору, образуя коллекторный ток Iк. Остальные дырки образуют ток базы Iб  Для суммы всех токов с учетом их направлений (рис. 2а) справедливо равенство Iэ+Iб+Iк=0. Следует помнить, что ток, направ-ленный к транзистору, считается положительным, от тран-зистора – отрицательным, причем направление тока опре-деляется направлением движения положительных зарядов.

 


 

Транзистор, выполняя те же функции, что и электронная лампа – триод, обладает целым рядом преимуществ: отсут-ствием цепи накала, более высоким КПД, малыми раз-мерами, весом и др.

 

 

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА

 

Рассмотрим физические основы работы так называемых биполярных транзисторов, т. е. таких, в которых ток обус-ловлен движением как основных, так и неосновных носи-телей заряда. Будем рассматривать транзистор p-n-p типа, в работе которого основную роль играют дырки. Физические основы n-p-n транзистора аналогичны основам работы p-n-p транзистора, но в нем основную роль играют электроны.

На рис. 2 изображен биполярный транзистор, включен-ный по схеме с общей базой (рис. 2а) и его условное обо-значение (рис. 2б).

 


Левый p-n переход включен в прямом направлении. При этом через него течет большой ток основных носителей – дырок. Говорят, что левая p-область инжектирует дырки в соседнюю n-область. Эта p-область, играющая роль катода в ламповом триоде, называется эмиттером. Попавшие в n-область, называемую базой, дырки с помощью диффузи-онного механизма перемещаются к правому p-n переходу, включенному в обратном направлении. Часть дырок в базе рекомбинирует с электронами. Оставшаяся часть достигает правого p-n перехода .Так как дырки в n-области являются неосновными носителями, а правый p-n переход включен в обратном направлении, то под действием ускоряющего поля правого p-n перехода дырки втягиваются в р-область. Эта р область, собирающая дырки, называется коллек-тором. База и коллектор играют соответственно роль сетки и анода в ламповом триоде.

Усилительные свойства транзистора возникают в резуль-тате взаимодействия токов эмиттера и коллектора. Опре-делим условия, при которых эти взаимодействия имеют место. Предположим, что толщина материала базы велика по сравнению с диффузионной длиной. При этом помним, что носитель заряда в полупроводнике от момента рож-дения до момента рекомбинации проходит в среднем опре-деленное расстояние, называемое диффузионной длиной. Это означает, что дырка, инжектированная в базу, не до-берется до коллектора из-за того, что она рекомбинирует в пути. Таким образом, ток эмиттера не достигнет коллек-торного p-n перехода и ни о каком взаимодействии тока эмиттера и коллектора не может быть и речи.

Для того чтобы такое взаимодействие имело место, нуж-но свести к минимуму рекомбинацию носителей в базе. Это может быть достигнуто в основном двумя путями:

1) толщина базы делается очень малой ~10-6 м, меньше, чем диффузионная длина носителей;

2) степень легирования материала базы делается малой (меньше степени легирования областей эмиттера и коллек-тора). В результате рекомбинация сводится к минимуму и ток эмиттера почти без потерь достигает коллектора. Таким образом,

 

.                                         (1)

 

Приближенное равенство (1) позволяет объяснить работу транзистора как усилителя.

Коэффициент усиления определяется формулой

 

,                                      (2)

 

где буквой А обозначен какой либо из параметров выход-ного и входного сигналов: ток (I), напряжение (U), мощ-ность (Р).

Очевидно, коэффициент усиления по току в схеме с об-щей базой  из-за неизбежной, хотя и малой реком-бинации в базе. Обычно  лежит в пределах 0,9…0,99. Другая ситуация имеет место с напряжением. Так как эмит-терный переход включен в прямом направлении, его сопро-тивление  мало. Сопротивление коллекторного перехода очень велико (он включен в обратном направлении). Так как ,то небольшое входное напряжение преобразу-ется в значительное выходное. Энергия для такого преоб-разования отбирается у источников питания, а сам транзистор выступает в качестве активного элемента (преобразователя).

Поскольку  ( – сопротивление нагрузки), а , то:

 

.                     (3)

 

Это связано с тем, что величину сопротивления нагрузки можно выбрать того же порядка, что и сопротивление кол-лекторного p-n перехода. В этой схеме коэффициент усиле-ния мощности также много больше единицы

 

          (4)

 

Следует отметить, что кроме рассмотренной схемы вклю-чения с общей базой, существуют и другие схемы включе-ния (рис. 3).

 


В схеме с общим эмиттером (рис. 3а) входной сигнал по-дается между эмиттером и базой, а снимается с резистора, подключенного к выходам эмиттера и коллектора. Входным током является ток базы. Последнее вызывает инжекцию носителей из эммитера и большой коллекторный ток . Это обстоятельство объясняет механизм усиления тока по схеме с общим эмиттером. При этом

 

(5)

 

 

 

Учитывая, что  получим  Приведем в заключение таблицу, сопоставляющую параметры раз-личных схем включения транзисторов.

 

 

Таблица 1

Параметры маломощных транзисторов в различных схемах включения

Схема

Коэффициент усиления

Сопротивление

по току

по напряжению

по мощности

входное

выходное

С общей базой

1

103

103

Едини-цы Ом

Сотни

 кОм

С общим эмитте-ром

102

104

Сотни

 Ом

Десятки

 кОм

С общим коллек-тором

10

1

10

Десят-ки кОм

Сотни

 Ом

 

Работа транзисторов по любой схеме рассчитывается исходя из параметров, связывающих его входные  и выходные  токи и напряжения.

Для анализа работы биполярных транзисторов наиболее удобными являются так называемые h-параметры, и наибо-лее распространенной схемой для их измерения – схема с общей базой (ОБ), которая используется в настоящей ра-боте. При таком способе описания транзистора в качестве независимых переменных принимаются uЭ – напряжение эмиттер-база и iК ток коллектора (ток коллектор-база). В линейном режиме эти величины связаны с током эмиттер-база (iЭ) и с напряжением коллектор-база (uK) линейной зависимостью

                                  (6)

 

В формулах (6) малыми буквами u и i обозначены напряжение и ток выходного и входного сигнала. Кроме них на электроды транзистора подают постоянное напряже-ние, задающее режим его работы. Эти постоянные напряже-ния и соответствующие им токи в систему (6) в явном виде не входят, ими определяются численные значения h-пара-метров.

Из уравнения (6) виден физический смысл h-параметров:

 

               (7)

 

Параметр h11 имеет размерность сопротивления (Ом) и является дифференциальным сопротивлением эмиттерного входа. Параметр h12 показывает, как изменение напряжения на входе сказывается на входном напряжении при iЭ =const. Этот параметр называется «коэффициент обратной связи по напряжению». Параметр  называется «коэффициент пере-дачи тока эмиттера» и по своему смыслу является коэф-фициентом усиления тока при коротком замыкании выхода по переменной составляющей. Параметр h22 с размерностью (Ом-1) имеет смысл дифференциальной проводимости кол-лекторного выхода.

Перечисленные h-параметры являются «внешними пара-метрами транзистора».

Они зависят от режима работы транзистора и от схемы его включения. Например, в схеме с общим эмиттером входным током является ток базы и все h-параметры имеют другой физический смысл и значения. Однако, зная эти внешние параметры транзистора, можно вычислить «внут-ренние параметры транзистора»: rЭ – сопротивление p-n пе-рехода эмиттер-база (переход включен в прямом направле-нии); rб – сопротивление базовой области транзистора; rk – сопротивление p-n перехода коллектор-база (переход вклю-чен в обратном направлении).

Как показано в теории транзистора, эти величины свя-
заны с его
h-параметрами в схеме с ОБ следующими соот-ношениями:

 

      (8)

 

Измеренные в работе значения этих параметров следует сравнить с типичными значениями для маломощных тран-зисторов:

 

 

Описание установки

 


Источник питания УИП1 (рис 4) подает смещение на эмиттерный p-n переход. Это напряжение регулируется с помощью потенциометров (переменных резисторов) R2 и R3. Источник питания УИП2 подает напряжение на переход коллектор-база, а его регулировка производится потенцио-метром R4. Токи базы и эмиттера измеряются комбини-рованным цифровым прибором Щ4313.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Включить установку на стенде с соответствующим но-мером работы. Переключатель «S1»поставить в положение ВКЛ. Дать прогреться приборам 5-10 минут.

2. Снять входные характеристики транзистора, включен-ного по схеме с ОБ (зависимость тока эмиттера (iЭ) от нап-ряжения эмиттер-база (uЭБ) при постоянном напряжении коллектор база (uКБ)). Характеристики снимаются при трех значениях напряжения коллектор-база: 5 В; 10 В; 15 В.

– Переключить тумблер «S2» в положение uКБ;

– Установить с помощью потенциометра R4 на стенде требуемое напряжение uКБ, контролируя  его по индикатору «Напряжение»;

– Переключить тумблер «S2» в положение uЭБ;

– С помощью потенциометров R2 и R3 установить ток iЭ в 1 мА, контролируя его по индикатору «Ток эмиттера». Этому току соответствуют значения uЭБ, измеряемые на ин-дикаторе «Напряжение»; увеличивая ток эмиттера (iЭ) по    1 мА, довести его до 7 мА. Значение тока эмиттера и соот-ветствующие ему значения напряжения uЭБ записать в табл. 2.

 

Таблица2
Входные характеристики

IЭ,

мА

 

uКБ =   5 В

uКБ = 10 В

uКБ = 15 В

uЭБ =     В

uЭБ =      В

uЭБ =      В

1

 

 

 

2

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

3. Снять выходные характеристики транзистора, вклю-ченного по схеме с ОБ (зависимость тока коллектора (iК ) от напряжения коллектор-база (uКБ) при постоянном входном токе (iЭ)). Эти характеристики снимаются при трех значе-ниях тока эмиттера : 1 мА, 3 мА, 5 мА.

– Переключить тумблер «S2»в положение «uКБ »;

Установить с помощью потенциометров R2 и R3 значения iЭ, равного 1 мА, контролируя его по индикатору «Ток эмит-тера»;

– Изменяя с помощью потенциометра R4 напряжения uКБ от 0 до 18В (контролируя его по индикатору «Напряже-ние»), измерить ток базы (iб).

Внимание! При изменении напряжения uКБ меняется входной ток iЭ, поэтому при каждом измерении тока базы поддерживайте постоянным ток эмиттера, регулируя его потенциометром R3(R2). Произведите таким образом изме-рения iб при следующих значениях напряжения: uКБ = 3, 6, 10, 14, 18 В.

– Результаты измерений запишите в таблицу 3;

– Установите новые значения входного тока (iЭ) и пов-торите все измерения в п. 3.

 

Таблица 3

Выходные характеристики

uКБ, В

iЭ  = 1 мА

iЭ  = 3 мА

iЭ  = 5 мА

iб

iк= iэ - iб

iб

iк= iэ - iб

iб

iк= iэ - iб

 

 

 

 

 

 

 

 

4. По окончании измерений выключите стенд.

 

 

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

 

1. Для обработки результатов измерений необходимо на миллиметровой бумаге построить входные и выходные ха-рактеристики транзистора, которые схематически изобра-жены на рис. 5 и 6.



Ток ik  вычисляется по формуле (12). Все h-параметры вычисляются для одной и той же рабочей точки – точки «A» на рис. 5 и 6, выбираемой в средней части вольтампер-ных характеристик.

Рекомендуется выбирать i =3 мА, u =10 В и соответ-ствующие им значения u  и i0K .

2. Параметр h11 вычисляется как дифференциальное соп-ротивление эмиттерного входа по входным характеристи-кам. Для этого на входной характеристике строится тре-угольник «ABC», как показано на рис. 5. Отрезок (AC) яв-ляется отрезком касательной к кривой в точке «A». При малом сигнале точка «C» лежит практически на самой кри-вой:

                                           (9)

 

Параметр h12 вычисляется из входных характеристик по формуле:

                                   (10)

 

где . Для вычисления этого параметра точку «B» следует брать на соседней входной характеристике, снятой при другом постоянном напряжении коллектор-база, рав-ном .

3. Параметр h22 вычисляется из выходных характеристик как дифференциальная проводимость коллекторного пере-хода по формуле:

                                    (11)

 

где  определяются из треугольника «ACD» (рис. 6). В соответствии с таблицами измерений для расчета удобно принять = 5 В.

При работе транзистора в нормальном активном режиме ток эмиттера почти равен току коллектора (iэiк), поэтому для увеличения точности измерений в данной лабораторной работе измеряется ток базы (iб), равный разности этих токов (iб=iэ-iк), откуда следует:

 

                                        (12)

 

В формуле (11) величина  вычисляется при одном и том же токе эмиттера, поэтому из формулы (12) следует:

 

                                   (13)

 

где значения токов базы в точках «A» и «C» выходной ха-рактеристики берутся из таблиц измерений. При рекомен-дуемом выборе рабочей точки  – значение тока базы при =10 В,  – значение тока базы при =15 В, причем оба эти значения берутся на одной и той же характеристике, снятой при =3 мА.

4. Параметр =|h21| вычисляется из выходной характе-ристики по формуле:

                                     (14)

 

где = разность токов коллектора в точках «A» и «E» выходных характеристик, снятых при изменении тока эмиттера на величину  Используя формулу (12), представим разность  в виде:

 

 

и формула (14) для расчета коэффициента передачи тока эмиттера примет вид

 

                                (15)

 

При нашем выборе рабочей точки и в соответствии с таблицей измерений:

 – ток базы при  =5 мА и  uk= 10 B ;

 – ток базы при  =3 мА  и  uk=10 В.

5. По формуле (8) вычисляются внутренние параметры транзисторов и сравниваются с их типичными значениями для маломощных транзисторов.

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое инжекция носителей тока?

2. В какой области биполярного транзистора происходит инжекция носителей тока?

3. Что означает термин «биполярный транзистор»? Какие еще типы транзисторов вы знаете?

4. Какую роль играют электроны в работе p-n-p тран-зистора?

5. Какую роль играют дырки в работе p-n-p транзиcтора?

6. Что такое основные и неосновные носители тока в полупроводниках?

7. Какие носители тока инжектируются в базу в p-n-p транзисторе и n-p-n транзисторе?

8. Какие физические процессы происходят в базовой области транзистора после инжекции туда неосновных носителей тока?

9. Какие параметры транзистора изменятся, если при прочих одинаковых условиях увеличить ширину базовой области (область между эмиттером и коллектором)?

10. Какие физические явления приводят к снижению уси-лительных свойств транзистора при работе на высоких частотах?

11. Почему коэффициент передачи тока эмиттера (α) мень-ше единицы?

12. Нарисуйте схему усиления тока на основе транзистора.

13. Нарисуйте схему усиления напряжения на основе тран-зистора.

14. Чем объясняется появление запирающего слоя в p-n переходе?

15. Как изменяется ширина запирающего слоя, если к p-n переходу приложить внешнее напряжение в прямом и обратном направлении?

16. Каков физический смысл h-параметров в схеме c ОБ?

17. В схеме на рис. 4 напряжение на переходе эмиттер-база устанавливается с помощью двух потенциометров R2 и R3. Зачем нужен второй потенциометр – R3?

18. В схеме на рис. 4 измеряется ток базы, хотя для вы-числения коэффициента α (см формулу 14) надо измерять ток коллектора. Что достигается при использовании данной схемы измерения?

19. Что произойдет в схеме на рис. 4, если вывод базы накоротко соединить с выводом эмиттера?

20. Что произойдет в схеме на рис. 4, если при под-ключении транзистора к схеме вывод базы будет присоеди-нен к той точке схемы, куда на схеме рис. 4 присоединен эмиттер, а вывод эмиттера будет присоединен к той точке схемы, куда на схеме рис. 4 подключена база?

21. После операций, указанных в предыдущем вопросе, какие еще надо произвести измерения в схеме, чтобы транзистор стал работать по схеме с общим эмиттером в режиме усиления тока?

22. В настоящей работе рекомендуется при измерении входных характеристик ограничиться измерением тока эмиттера до 10 мА. Чем ограничивается предельное измере-ние тока эмиттера?

23. В настоящей работе рекомендуется при измерении выходных характеристик ограничиться измерением напря-жения на коллекторе до 25 В. Чем ограничивается предель-ное напряжение на коллекторе?


24. На рис. 7а, 7б приведены две различные схемы для измерения входных характеристик транзистора в схеме c ОБ. Напряжение эмиттер-база, которое измеряется вольт-метром, изображенным на рисунках, можно плавно изме-нять. Схемы различаются способом подключения вольт-метра. Какую из схем следует применить для измерения входных характеристик транзистора в настоящей работе?

25. Из-за чего появляется ошибка при измерении вход-ной характеристики при использовании схемы, изобра-женной на рис. 7а?

26. Из-за чего появляется ошибка при измерении вход-ной характеристики по схеме, изображенной на рис. 7б.


27. На рис. 8а, 8б приведены две различные схемы для измерения выходных характеристик транзистора.

Напряжение источника питания цепи коллектор-база можно плавно изменять. Схемы различаются способом под-ключения вольтметра. Какую из схем следует применить для измерения?

28. Из-за чего появляется ошибка в измерениях при ис-пользовании схемы на рис. 8а?

29. Из-за чего появляется ошибка в измерениях при ис-пользовании схемы на рис. 8б?

30. Какие изменения надо произвести в схеме на рис. 4, чтобы можно было измерить входные и выходные пара-метры n-p-n транзистора в схеме с ОБ?

 

 

 

ForStu / Практика / Физика / МЕТОДИЧКИ+ЛАБЫ(2 курс МАТИ, 5 факультет)

Copyright © 2004-2017, ForStu

Яндекс.Метрика