Физика примеры решения задач Электротехника Задачи и лабораторные работы Математика примеры решения задач Вычислить интеграл Информатика Компьютерные сети Компьютерная математика
Исследование полевых транзисторов Исследование биполярных транзисторов Полупроводниковые выпрямители Электронный усилитель на транзисторах Лабораторная работа Исследование стабилитронов Исследование варикапов

Методические указания лабораторные работы по электронике

Лабораторная работа № 2

Исследование биполярных транзисторов

Цель работы: изучение принципа действия, исследование статических характеристик и определение дифференциальных параметров биполярных транзисторов, включенных по схемам: общая база (ОБ) и общий эмиттер (ОЭ)

Методические указания по подготовке к работе

Транзистором  называется полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n-переходами, пригодный для усиления мощности и имеющий три или более выводов. Наиболее распространены биполярные транзисторы с тремя выводами. В процессах прохождения токов биполярных транзисторов участвуют основные и неосновные носители зарядов. По порядку чередования p-n-переходов различают биполярные транзисторы структуры p-n-p и n-p-n. Принцип действия обоих типов биполярных транзисторов одинаков.

Система обозначений биполярных транзисторов состоит из буквенных и цифровых элементов. Например, КТ602А или 2Т602А. В начале обозначения ставится буква или цифра, определяющая исходный полупроводниковый материал («Г» или «К», 1 или 2). Затем идет буква, характеризующая подкласс прибора: «Т» - биполярный транзистор, «П» - полевой. После этих букв идет число, условно характеризующее частотные свойства, мощность и номер разработки транзистора. Последний элемент – буква, условно определяющая классификацию транзисторов по параметрам, изготовленных по единой технологии.

Транзистор представляет собой монокристалл полупроводника с двумя взаимодействующими p-n-переходами. При получении в кристалле полупроводника двух взаимодействующих  переходов возможно различное чередование полупроводников. Если полупроводники чередуются: дырочный, электронный и дырочный, то транзистор имеет структуру p-n-p (рис. 2.1). При чередовании полупроводников: электронный, дырочный и электронный, транзистор имеет структуру n-p-n.

Среднюю область кристалла называют базой (Б), одну крайнюю область – эмиттером (Э), а другую - коллектором (К). При изготовлении транзистора добиваются выполнения следующих условий:

концентрация основных носителей заряда в эмиттере должна значительно превышать концентрацию основных носителей заряда в базе;

ширина активной области базы, т.е. области, находящейся непосредственно между запирающими слоями эмиттерного и коллекторного p-n-переходов, должна быть меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда в базе;

площадь коллекторного перехода должна быть больше площади эмиттерного перехода.

Условные графические изображения биполярных транзисторов показаны на рис. 2.2. Работа транзисторов структуры p-n-p (рис. 2.2,а) и структуры n-p-n (рис. 2.2,б) аналогична, различие заключается в полярности подключения источников внешних напряжений и в направлении прохождения токов через электроды. 

При включении транзистора в схему один из его электродов считается входным, второй – выходным, а третий – общим. На входной и выходной электроды транзистора подаются от внешних источников напряжения, отсчитываемые относительно общего электрода. В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей, существуют три схемы включения биполярного транзистора. 

В схеме с общей базой (ОБ) (рис. 2.3,а) входным электродом является эмиттер, а выходным – коллектор. В схеме с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 2.3,б) входным электродом является база, а выходным – коллектор. В схеме с общим коллектором (ОК) (рис. 2.3.в) входным электродом является база, а выходным – эмиттер.

 


 UЭБ UКБ UБЭ UКЭ UБК UЭК 


 а) б) в)

Рис. 2.3. Схемы включения биполярного транзистора

В зависимости от величины и полярности напряжений, приложенных к входным и выходным электродам биполярного транзистора, различают следующие основные режимы его работы: отсечки, насыщения, активный и инверсный.

 Рассмотрим режимы работы и статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой.

 В режиме отсечки полярность подключения источников смещения эмиттерного (UЭБ) и коллекторного (UКБ) переходов такова, что оба p-n-перехода транзистора находятся в обратном включении

В этом случае запирающие слои на границах p- и n-областей расширяются и их сопротивления для основных носителей заряда увеличиваются. Вследствие этого через p-n-переходы проходят обратные токи коллектора IКБ0 и эмиттера IЭБ0, обусловленные движением неосновных носителей заряда. Эти токи зависят от площади p-n-перехода и концентрации неосновных носителей заряда, на которую существенное влияние оказывает температура кристалла полупроводника.

В режиме насыщения эмиттерный и коллекторный p-n-переходы транзистора находятся в прямом включении (рис. 2.4,б). В этом случае запирающие слои на границах p- и n-областей сужаются, и происходит инжекция дырок из эмиттера и коллектора в базу. В результате этого в базе накапливаются неосновные носители заряда, а через p-n-переходы проходят токи насыщения коллектора IКн и эмиттера IЭн, обусловленные движением основных носителей заряда.

Поскольку концентрация основных носителей заряда значительно больше концентрации неосновных носителей заряда, то IКн >> IКБ0 и IЭн > IЭБ0. Поэтому считают, что в режиме отсечки транзистор закрыт, а в режиме насыщения полностью открыт.

С энергетической точки зрения добротность контура характеризует отношение запасенной электромагнитной энергии контура при резонансе к средней энергии, теряемой в этом режиме на активном сопротивлении контура за один период изменения тока.

Добротность Q контура с малым затуханием можно оценить путем подсчета по осциллограмме числа периодов свободных колебаний в контуре m за интервал времени, в течение которого амплитуда собственных колебаний контура уменьшается, например, в два раза. Тогда согласно соотношению (3.12)  или egmТ=2, откуда gmТ=ln3. При этом логарифмический декремент затухания d на основании формулы (3.12) будет равен d=gT=ln2/m, а затухание d выразится как d=d/p=ln2/pm. Отсюда добротность контура будет равна

 

.

(3.15)

Последовательный колебательный контур

Последовательный колебательный контур (рис. 3.3) образуется при последовательном включении емкости C, индуктивности L и генератора эдс e(t). Для учета всех активных потерь в контуре на схемах включают эквивалентное сопротивление R. Будем считать в дальнейшем эдс гармонической, а внутреннее сопротивление генератора Ri=0. В этом случае все частотные характеристики контура называются предельными.

Для цепи, изображенной на рис. 3.3, можно записать уравнение Кирхгофа в комплексном виде

 

(3.16)

где , . Здесь Em и Im – амплитуды,  и   – комплексные амплитуды, соответственно эдс и тока. Тогда согласно методу комплексных амплитуд на основании (3.16) получим

 

(3.17)

В выражении (3.17)

 

(3.18)

называют комплексным входным сопротивлением, в котором величина

 

(3.19)

является его реактивной составляющей. ФЧХ контура при этом определяется зависимостью

 

(3.20)

Система обозначений биполярных транзисторов состоит из буквенных и цифровых элементов. Например, КТ602А или 2Т602А. В начале обозначения ставится буква или цифра, определяющая исходный полупроводниковый материал («Г» или «К», 1 или 2). Затем идет буква, характеризующая подкласс прибора: «Т» - биполярный транзистор, «П» - полевой. После этих букв идет число, условно характеризующее частотные свойства, мощность и номер разработки транзистора. Последний элемент – буква, условно определяющая классификацию транзисторов по параметрам, изготовленных по единой технологии.

Транзистор представляет собой монокристалл полупроводника с двумя взаимодействующими p-n-переходами. При получении в кристалле полупроводника  двух взаимодействующих переходов возможно различное чередование полупроводников. Если полупроводники чередуются: дырочный, электронный и дырочный, то транзистор  имеет структуру p-n-p (рис. 2.1). При чередовании полупроводников: электронный,  дырочный и электронный, транзистор имеет структуру n-p-n.

Условные графические изображения биполярных транзисторов.

При включении транзистора в схему один из его электродов считается входным, второй – выходным, а третий – общим. На входной и выходной электроды транзистора подаются от внешних источников напряжения, отсчитываемые относительно общего электрода. В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей, существуют три схемы включения биполярного транзистора. 

В схеме с общей базой (ОБ) (рис. 2.3,а) входным электродом является эмиттер, а выходным – коллектор. В схеме с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 2.3,б) входным электродом является база, а выходным – коллектор. В схеме с общим коллектором (ОК) (рис. 2.3.в) входным электродом является база, а выходным – эмиттер.

В этом случае запирающие слои на границах p- и n-областей расширяются и их сопротивления для основных носителей заряда увеличиваются. Вследствие этого через p-n-переходы проходят обратные токи коллектора IКБ0 и эмиттера IЭБ0, обусловленные движением неосновных носителей заряда. Эти токи зависят от площади p-n-перехода и концентрации неосновных носителей заряда, на которую существенное влияние оказывает температура кристалла полупроводника.

В режиме насыщения эмиттерный и коллекторный p-n-переходы транзистора находятся в прямом включении (рис. 2.4,б). В этом случае запирающие слои на границах p- и n-областей сужаются, и происходит инжекция дырок из эмиттера и коллектора в базу. В результате этого в базе накапливаются неосновные носители заряда, а через p-n-переходы проходят токи насыщения коллектора IКн и эмиттера IЭн, обусловленные движением основных носителей заряда.

Поскольку концентрация основных носителей заряда значительно больше концентрации неосновных носителей заряда, то IКн >> IКБ0 и IЭн > IЭБ0. Поэтому считают, что в режиме отсечки транзистор закрыт, а в режиме насыщения полностью открыт.

В активном режиме эмиттерный p-n-переход находится в прямом включении, а коллекторный – в обратном. Включение биполярного транзистора с общей базой в активном режиме показано на рис. 2.5. Активный режим обеспечивается соответствующей полярностью напряжений, подключенных к эмиттеру (UЭБ) и коллектору (UКБ) и отсчитываемых относительно базы.

Схема включения транзистора с общей базой в активном режиме.

Поскольку  концентрация дырок в эмиттере значительно больше концентрации электронов в базе,  то прямое включение эмиттерного p-n-перехода сопровождается значительной инжекцией  дырок в базу и незначительной инжекцией электронов из базы в эмиттер. Это обусловливает  прохождение через эмиттерный p-n-переход диффузионных токов: дырочного IЭp и электронного  IЭn. Следовательно, во внешней цепи проходит ток эмиттера

 

  (2.1) 

Отношение между составляющими тока эмиттера оценивается коэффициентом инжекции

Вследствие инжекции концентрация дырок в базе повышается и зависит от напряжения эмиттерного перехода. Концентрация инжектированных в базу дырок на границе эмиттерного перехода определяется выражением

   (2.2)

где pn0 – концентрация равновесных дырок в базе у эмиттерного перехода (при х = 0).

Таким образом, в результате инжекции дырок из эмиттера концентрация неосновных неравновесных носителей (дырок) в базе у границы с эмиттерным переходом изменяется и может значительно превышать равновесную концентрацию.

Из анализа рис. 2.6, где w – ширина базы, и формулы (2.2) следует, что градиент концентрации дырок зависит от значений напряжения UЭБ, т.е. от pБЭ. Под действием градиента концентрации происходит диффузионное движение инжектированных дырок через базу от эмиттера к коллектору. В процессе диффузионного движения часть дырок, не дойдя до коллекторного перехода, рекомбинирует с электронами. На место рекомбинировавших электронов в базу из внешней цепи (от источника UЭБ) поступают электроны, создавая совместно с электронами, уходящими из базы в эмиттер, ток базы рекомбинации IБ рек. Так как в базе концентрация электронов существенно ниже концентрации дырок, инжектированных  из эмиттера, то вероятность полной рекомбинации мала и, если диффузионная длина  дырок в базе Lp значительно больше толщины базы w, основная часть дырок достигает коллекторного перехода.


Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике