Екатеринбург,2012
Цель работы
Экспериментальное определение вольт-амперных характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером при нормальной и повышенной температурах, определение параметров транзистора.
Схема проведения измерений
Таблицы с результатами измерений
Таблица 1.
| tºС | I Б (мкА) | |||||||||||
| U КЭ = 5В | U БЭ (мВ) | 504,9 | 523,1 | 541,6 | 560,5 | 571,8 | 580,1 | 586,6 | 591,9 | |||
| U КЭ = 0В | U БЭ (мВ) | 356,6 | 374,6 | 398,3 | 416,2 | 434,1 | 462,5 | 475,7 | 480,5 | |||
| U КЭ = 5В | U БЭ (мВ) | 390,2 | 436,3 | 456,3 | 476,5 | 497,2 | 509,6 | 518,6 | 525,7 | 531,5 |
Таблица 2.
| t ºС | U КЭ (В) | 0.2 | 0.5 | |||||||
| I Б = 10 мкА | I К мкА | 521,3 | 536,7 | 539,3 | 544,9 | 561,3 | 616,4 | |||
| I Б = 30 мкА | ||||||||||
| I Б = 60 мкА | ||||||||||
| I Б = 100 мкА | ||||||||||
| I Б = 120 мкА | ||||||||||
| I Б = 60 мкА | I К мкА |
Графики входных и выходных характеристик
Входные характеристики
Выходные характеристики
Расчетная часть
h 11 = D U БЭ / D I Б [кОм].
h 11 = 
=0.265 кOм
R ВХ = U БЭ/ I Б.
R ВХ= 
=58,66 кОм
h 22 = DI К /DU КЭ [Сим].
h 22 = 
=0.03 мкСим
rK = 1/h22 [кОм]
rK = 
= 33333,3 кОм
R i = U КЭ/ I К [кОм]
R i = 
=1786 кОм
h 21 = D I К / D I Б [В]
h 21 = 
=35 В
h 12 = D U БЭ / D U КЭ
h 21 = 
=3,6 мА
6. Контрольные вопросы:
1) Биполярный транзистор представляет собой систему двух взаимодействующих р-n-переходов. В биполярном транзисторе физические процессы определяются носителями зарядов обоих знаков – основными и неосновными, что отражено в названии транзистора. В зависимости от чередования р- и n-областей различают биполярные транзисторы n-p-n структуры и p-n-p структуры.
2)
|
Рассмотрим принцип действия транзистора n-p-n структуры.
Пусть эмиттерный переход транзистора смещён в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.
Поскольку эмиттер легирован намного сильнее базы, то при прямом смещении эмиттерного перехода будет происходить инжекция электронов из эмиттера в базу. Под воздействием градиента концентрации инжектированные электроны будут двигаться по направлению к коллектору. Часть электронов рекомбинирует в базе и образует ток базы IБ. Но поскольку база тонкая, то основная часть электронов дойдет до коллекторного перехода, будет захвачена ускоряющим полем перехода и переброшена в коллектор, создавая ток коллектора.
Полный ток коллектора IК складывается из тока электронов, дошедших до коллектора, и обратного тока коллекторного перехода IКБО, не зависящего от тока эмиттера
IК = α IЭ + IКБО,
где α – статический коэффициент передачи тока эмиттера.
3) Транзистор, имеющий входную и выходную цепи, можно рассматривать как четырехполюсник. Так как у транзистора всего три вывода, то один из выводов неизбежно должен быть общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора:
· с общей базой (ОБ);
· с общим эмиттером (ОЭ);
· с общим коллектором (ОК).
Наибольшее распространение в схемотехнике получила схема ОЭ.
Как любой четырехполюсник транзистор характеризуется следующими формальными параметрами.
Входное сопротивление – h 11 = ∆ U БЭ/∆ I Б.
Выходное сопротивление – 1/ h 22 = ∆ U КЭ/∆ I К.
Коэффициент передачи по току h 21 = ∆ I R/∆ I Б, h 21 = B.
Коэффициент внутренней обратной связи h 12 = ∆ U БЭ/∆ U КЭ.
4) Нормальный активный режим: переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт) UЭБ>0;UКБ<0;
Инверсный активный режим: эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.
Режим насыщения:Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмитте рный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками UЭБ и UКБ. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ.нас) и коллектора (IК.нас).
Режим отсечки: в данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты). Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (IЭБО) И коллектора (IКБО). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).
Барьерный режим: в данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет из себя своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.
5) Основными статическими вольт-амперными характеристиками биполярного транзистора являются входные и выходные характеристики.
Под входными характеристиками понимают зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении, являющимся параметром.
Под выходными характеристиками понимают зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе, являющимся параметром.
Характеристики, снятые при разных значениях параметра, образуют семейство характеристик.
Рассмотрим статические вольт-амперные характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. В этом случае входная характеристика представляет собой зависимость тока базы IБ от напряжения база-эмиттер UБЭ при постоянном напряжении коллектор-эмиттер UКЭ:
IБ = f(UБЭ); UКЭ = const,
а выходная характеристика – зависимость тока коллектора IК от напряжения коллектор-эмиттер UКЭ при постоянном токе базы IБ:
IК = f(UКЭ); IБ = const.
6) r-параметры: сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току rэ, rк, rб, которые представляют собой:
- rэ — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
- rк — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
- rб — поперечное сопротивление базы.
7) Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».
Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.
h11 = Um1/Im1 при Um2 = 0.
Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.
h12 = Um1/Um2 при Im1 = 0.
Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.
h21 = Im2/Im1 при Um2 = 0.
Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.
h22 = Im2/Um2 при Im1 = 0.
8) h11-параметр определяет входное сопротивление транзистора.
9) h21 - параметр характеризует усилительные свойства транзистора.
7. Вывод: На ток базы изменение Uкэ влияет мало. При различных Uкэ выходные характеристики расположены очень близко друг к другу. Выходные характеристики показывают, что при увеличении Uкэ от нуля до небольших значений ток коллектора резко возрастает, а при дальнейшем увеличении Uкэ характеристики почти не возрастают, что говорит о сравнительно малом влиянии Uкэ на ток коллектора.