Краткие теоретические сведения

Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор, содержащий два взаимодействующих p-n перехода и предназначенный для генерации, усиления и преобразования сигналов электромагнитной природы. Термин "биполярный" означает, что физические процессы в приборе обусловлены движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Конструктивно транзистор представляет собой монокристалл полупроводника, в котором сформулированы чередующиеся области с разным типом проводимости. Соответственно различают транзисторы p-n-p типа и n-p-n типа. Средняя область, которая делается достаточно тонкой (что принципиально важно для работы транзистора), называется базой. Две другие - эмиттер и коллектор. База отделена от эмиттера и коллектора эмиттерным и коллекторным p-n переходами. Из названий, очевидно, что назначение эмиттера - инжектировать носителя заряда в базу, задача коллектора - экстракция носителей из базы.

В соответствии с наличием трех выводов возможны три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ) (рис. 1a), с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 1б), с общим коллектором (ОК) (рис. 1в).

Рис.1

Существует четыре режима работы биполярных транзисторов: нормальный активный, двойной инжекции, отсечки и инверсный активный. В нормальном активном режиме эмиттерный переход включен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. В режиме двойной инжекции оба перехода включены в прямом направлении. В режиме отсечки оба перехода включены в обратном направлении. В инверсном режиме коллекторный переход включен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном.

Поведение транзистора, как и любого другого прибора, в электрической цепи определяется его статическими характеристиками.

Статические характеристики - это уравнения, связывающие входные и выходные токи и напряжения.

Рис.2 – Входная и выходная характеристика транзистора, включенного по схеме с ОЭ

Наиболее часто применяются зависимости входных и выходных токов и напряжений, выраженные в h - параметрах:

(1)

(2)

h - параметры имеют простой физический смысл:

1. h11 = U1 / I1, при U2 = 0 – входное сопротивление при коротком замыкании выходной цепи;
2. h12 = U1 / U2, при I1 = 0 – коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе во входной цепи;
3. h21 = I2 / I1, при U2 = 0 – коэффициент передачи тока при коротком замыкании выходной цепи;
4. h22 = I2 / U2, при I1 = 0 – выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи.

Итак, для определения h - параметров необходим режим короткого замыкания в выходной цепи и режим холостого хода во входной. Это достаточно просто осуществляется экспериментально, поскольку указанные режимы близки к режимам работы транзистора в реальных схемах.

Порядок выполнения работы:

1. Запустить Electronics Workbench.
2. Подготовьте новый файл для работы.
3. Перенесите необходимые элементы из заданной преподавателем схемы на рабочую область Electronics Workbench. Для этого необходимо выбрать раздел на панели инструментов (Sources, Basic, Diodes, Analog Ics, Mixed Ics, Digital Ics, Digital, Indicators, Controls, Miscellaneous, Instruments), в котором находится нужный вам элемент, затем перенести его на рабочую область.
4. В соответствии с вариантом выбрать из табл. 4.1 биполярный транзистор для исследования.

Таблица 4.1

5. Определить тип транзистора: p-n-p или n-p-n?.

6. Соедините контакты элементов и расположите элементы в рабочей области для получения необходимой вам схемы (рис.2). Для соединения двух контактов необходимо щелкнуть по одному из контактов основной кнопкой мыши и, не отпуская клавишу, довести курсор до второго контакта. В случае необходимости можно добавить дополнительные узлы (разветвления). Нажатием на элементе правой кнопкой мыши можно получить быстрый доступ к простейшим операциям над положением элемента, таким как вращение (rotate), разворот (flip), копирование/вырезание (copy/cut), вставка (paste).

7. Проставьте необходимые номиналы и свойства каждому элементу. Для этого нужно дважды щелкнуть мышью на элементе.

8. Когда схема собрана и готова к запуску, нажмите кнопку включения питания на панели инструментов. В случае серьезной ошибки в схеме (замыкание элемента питания накоротко, отсутствие нулевого потенциала в схеме) будет выдано предупреждение

Рис. 2

9. Изменяя переменным резистором (при нажатии клавиши <R> сопротивление уменьшается, при нажатии комбинаций клавиш <shift>-<R> сопротивление увеличивается) входное напряжение (Uбэ) от 0 до 0,9 В, снимите зависимость базового тока (Iб) от напряжения база-эмиттер (Uбэ) при установке коллекторного напряжения (Uкэ) 0; 5; 10 В (входная характеристика транзистора Iб=f (Uбэ), (Uкэ=0 обеспечивается при выключение тумблера (клавиша «Пробел»))

Таблица 1

№ опыта	= 0В	= 5В	= 10В
	0,1		0,1		0,1
	0,2		0,2		0,2
	0,3		0,3		0,3
	0,4		0,4		0,4
	0,5		0,5		0,5
	0,6		0,6		0,6
	0,7		0,7		0,7
	0,8		0,8		0,8
	0,9		0,9		0,9

10. Изменяя переменным резистором (клавиша <T>, или <shift>-<T>) напряжение коллектора (Uкэ) от 0 до 8 В, снимите зависимость коллекторного тока (Iк) от напряжения коллектор-эмиттер (Uкэ) при установке тока базы (Iб) 0,1; 0,2 мА (выходная характеристика транзистора Iк=f(Uкэ).

Таблица 2

№ опыта
В	мА	В	мА

11. По данным измерения построить входные и выходные характеристики транзистора.

12. Определить по характеристикам транзистора графоаналитическим методом параметры транзистора:

12.1 Входное сопротивление транзистора Rвх=∆Uбэ/∆Iб;

12.2 Выходное сопротивление транзистора Rвых=∆Uкэ/∆Iк;

12.3 Коэффициент усиления транзистора β=∆Iк/∆Iб

13. Ответить на контрольные вопросы

Контрольные вопросы:

Вопросы для предварительного опроса:

1. Нарисовать электрическую схему для снятия характеристик транзистора.

2. Какие характеристики надо снять в данной работе для транзистора?

3. Графическое обозначение транзисторов p-n-p, n-p-n?

4. Как маркируются транзисторы?

Вопросы при защите работы:

1. Перечислите основные режимы работы транзисторов;
2. Какие факторы определяют усилительные свойства транзистора?
3. Какими отличительными особенностями характеризуются три схемы включения транзистора?
4. Какие существуют семейства статических характеристик транзистора?
5. Перечислите h - параметры транзистора, объясните их физический смысл и способ их экспериментального определения;
6. Почему процесс усиления по току осуществляется в схеме включения транзистора с общей базой;
7. Как влияет величина напряжения на участке коллектор - эмиттер на положение входной статической характеристики транзистора?
8. Чем объяснить увеличение входного сопротивления транзистора по схеме с общей базой?
9. Как результаты работы подтверждают основное свойство биполярного транзистора?
10. От чего зависит ток коллектора транзистора?
11. Зависит ли коэффициент β от тока коллектора? Если да, то в какой степени? Обосновать ответ.
12. Что такое токи утечки транзистора в режиме отсечки?
13. Что можно сказать по выходным характеристикам о зависимости тока коллектора от тока базы и напряжения коллектор-эмиттер?
14. Что можно сказать по входной характеристике о различии между базо-эмиттерным переходом и диодом, смещенном в прямом направлении?
15. Одинаково ли значение в любой точке входной характеристики?
16. Одинаково ли значение при любом значении тока эмиттера?
17. Как отличается практическое значение сопротивления от вычисленного по формуле?
18. Приведите обозначения биполярных и полевых транзисторов разных типов и название электродов.
19. За счет чего образуются потенциальные барьеры на переходах и как они влияют на работу транзистора?
20. Почему эмиттерный переход для нормальной работы транзистора для основных носителей должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном?
21. За счет каких носителей тока в транзисторе образуются токи эмиттера, коллектора и базы (Iэ, Iк, Iб, Iкo)? Покажите пути протекания указанных токов в транзисторах разного типа проводимости.
22. Какие схемы включения вы знаете? Укажите достоинства и недостатки каждой из схем включения.
23. Приведите входные характеристики для схемы включения транзистора с ОБ и ОЭ.
24. Приведите выходные характеристики для схемы включения транзистора с ОБ и ОЭ. Чем они отличаются друг от друга?
25. Объясните эффект модуляции базы и поясните его влияние на характеристики транзистора.