Общие сведения. Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя n-p-переходами, образованными слоями полупроводникового материала n-р-nили р-n-р-типа

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя n-p -переходами, образованными слоями полупроводникового материала n-р-n или р-n-р -типа. Он имеет три или более выводов, изготавливается на основе германия или кремнии, обеспечивает усиление мощности электрических сигналов. На рис.1 приведены структурные схемы, условные графические и буквенные обозначения транзисторов n-р-n -типа (рнс.1,а) и р-n-р -типа (рис.1,б).

Средний слой кристалла называют базой. Ее толщина мала, составляет несколько

Рис. 1

микрометров и концентрация примесей здесь значительно меньше, чем в соседних слоях.

Крайние слои называют эмиттером (Э) и коллектором (К).

Для нормальной работы транзистора между его выводами должны быть включены источники питания. Если источники включены так, что оба перехода П1, П2 находятся под обратным напряжением, то токи транзистора практически равны нулю - этот режим называют отсечкой. Если переходы транзистора имеют прямое смещение, то их сопротивление мало, и транзистор можно рассматривать как узел цепи. Такой режим работы называют насыщением. В усилительном каскаде транзистор работает в активном режиме, при этом эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном (рис.1). Прямо смещенный эмиттерный переход имеет небольшое сопротивление - несколько Ом. Коллекторный переход, при отсутствии инжекции из эмиттера, имеет очень большое сопротивление - несколько МОм, поэтому в цепь коллектора можно включать нагрузку с большим сопротивлением, практически не изменяя тока коллектора.

Под действием источника Еэ основные носители заряда из эмиттера преодолевают n-р- переход и попадают в область базы, где частично рекомбинируют с основными носителями заряда базы, образуя ток базы Iб. Так как концентрация дырок (для n-p-n -типа) и электронов (для р-n-p -типа) в базе мала, то не все инжектированные из эмиттера заряды рекомбинируют. Большинство зарядов, вследствие диффузии и поля источника Ек преодолевает коллекторный переход, и образуют ток коллектора.

Коэффициент передачи тока эмиттера

а =ΔIк/ΔIэ при Uкб=const.

В современных транзисторах база очень тонкая и a=0,99 и больше.

Когда Iэ=О, то будет небольшой ток через коллекторный переход Iко обусловленный движением неосновных носителей заряда. Рассмотренная на рис. 1 схема включения транзистора называется схемой с общей базой (ОБ), так как база является общим электродом для входной и выходной цепей. Она обеспечивает усиление сигнала по напряжению и мощности, но ток в нагрузке будет меньше, чем входной ток источника сигнала.

Наиболее часто используется в электронных устройствах схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) - рис.2,а. Входным здесь является ток базы Iб,

а выходным - ток коллектора.

Рис. 2

Коэффициент передачи тока базы схемы ОЭ

β= ΔIк/ΔIб при Uкб=const; β= а /(1-а)>>1.

Эта схема обеспечивает усиление тока и напряжения сигнала и максимальное

усиление мощности.

Основными характеристиками транзисторов ОЭ являются

1) выходные - Iк,(Uкэ) при Iб=const (рис.2,б),

2) входные - Iб(Uбэ) при Uкэ =const (рис.2,в).

Они определяют связь между постоянными составляющими токов и напряжений, дают возможность выбрать наилучший режим работы, оценить нелинейные искажения усиливаемого сигнала.

Для расчета цепей с биполярными транзисторами в настоящее время используются

h- параметры: транзистор представляют четырехполюсником и записывают уравнения четырехполюсника в h -параметрах (рис. 3).

Рис. 3

Коэффициенты четырехполюсника (h -параметры) выражаются следующим образом:

h11= ΔUбэ/Iб при Uкэ=const - входное сопротивление Rвх, Ом;

h12= ΔUбэ/Iб при Iб=const - безразмерный коэффициент обратной связи по

напряжению;

h21= ΔIк/ΔIб при Uкэ=const - безразмерный коэффициент передачи тока (β);

h22= ΔIк/ΔUкэ при Iб=const -выходная проводимость (1/Rвых), См.

h-параметры приводятся в справочниках, а также могут быть определены по

семейству входных и выходных характеристик транзистора.

В работе используются:

1) Биполярный транзистор.

2) Регулируемые источники питания.

3) Вольтметры постоянного тока для измерения входного Uбэ и выходного Uкэ напряжений.

4) Миллиамперметры постоянного тока для измерения тока базы Iб и тока коллектора Iк.

Порядок выполнения эксперимента:

1. Подготовить схему для исследования биполярного транзистора (рис.4).

Рис.4.

Регуляторы напряжения R1 и R2 установить в крайние левые положения. Включить стенд.

Данные приборов занести в таблицу 1.

Табл. 1

2.Снять семейство входных характеристик. Для этого регулятором R2 установить напряжение Uкэ и, поддерживая его неизменным, изменять регулятором R1 ток базы. Значения напряжения Uбэ и тока Iб записать в табл. 2.

Табл. 2

3. Снять семейство выходных характеристик. Для этого регулятором R1 установить постоянный ток базы и, поддерживая его неизменным, изменять регулятором R2 напряжение Uкэ и ток коллектора Iк. Значения Uкэ и Iк занести в табл. 3.

Табл. 3

4. Построить входные и выходные статические характеристики транзистора.

5. Определить h - параметры транзистора.

Содержание отчета:

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Принципиальная электрическая схема для исследования работы транзистора.

4. Таблица с данными приборов.

5. Таблицы с экспериментальными данными.

6. Графики входных и выходных характеристик транзистора.

7. Графическое определение h - параметров транзистора.

8. Выводы по работе: указать область применения транзисторов.

Контрольные вопросы:

1. Как образуется n-р -переход и каковы его свойства?

2. Каково устройство биполярного транзистора и принцип его работы в схеме с общей базой и с общим эмиттером?

3. Как изображают на схемах транзисторы n-р-n и р-n-p -типов?

4. Какова полярность напряжений между электродами транзисторов n-р-n и р-n-p -типов?

5. Какие функции выполняет эмиттер и коллектор?

6. Объясните характер входных и выходных характеристик биполярного транзистора.

7. Почему запрещается отключать вывод базы при наличии напряжения на эмиттере и коллекторе?

8. Что представляет собой обратный ток коллекторного перехода?

9. Объясните физический смысл h - параметров транзисторов и как они определяются по входным и выходным характеристикам?