РЕЖИМЫ РАБОТЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Министерство образования и науки Российской Федерации

Севастопольский государственный  университет

 

 

исследование характерисик биполярных и полевых транзисторов

 

 

Методические указания к выполнению лабораторной работы

 по дисциплине«Электроника»

для студентов дневной и заочной формы обучения

направления подготовки № 27.03.04 –

"Управление в технических системах»

 по профилю № 27.03.04

"Управление и информатика в технических системах»

 

 

Севастополь

2017

УДК 681.5

Исследование характеристик биполярных и полевых транзисторов.

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Электроника» /сост. А.Е. Осадченко– Севастополь: Издательство СевГУ, 2017. - 24 с.

 

Методические указания предназначены для студентов дневной и заочной формы обучения направления подготовки №27.03.04 –«Управление в технических системах» по профилю № 27.03.04 «Управление и информатика в технических системах»

 

 

Методические указания рассмотрены и утверждены

(протокол №2017 г.)

 

 

 

Допущено учебно-методическим центром СевГУ в качестве методических указаний.

Содержание

1. Цель работы... 3

2. Краткие теоретические сведения.. 3

2.1 Устройство и принцип действия биполярного транзистора.. 3

2.2 РЕЖИМЫ РАБОТЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА.. 6

2.3 вах БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА.. 6

2.4 ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ... 10

2.5 ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ c изолированным затвором... 11

2.6 вах полевого ТРАНЗИСТОРА.. 12

2.7 ПРЕДЕЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ТРАНЗИСТОРА.. 14

3. техническиЕ средствА ДЛЯ выполнения работы. 15

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.. 15

4. 1 СНЯТИЕ ВХОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРА.. 15

4. 2 СНЯТИЕ ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНЗИСТОРА.. 17

4. 3 СНЯТИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МДП-ТРАНЗИСТОРА.. 19

5. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.. 21

6. Содержание отчета о выполнении лабораторной работы... 22

7. Порядок защиты работы... 23

8. Контрольные вопросы... 23

Библиографический список.. 23

приложение а.. 24

 

Цель работы

Исследование характеристик биполярного и полевого транзисторов.

Краткие теоретические сведения

Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Биполярный транзистор – трёхполюсный полупроводниковый прибор с

двумя P-N -переходами. Он состоит из чередующихся областей полупроводника, имеющих электропроводность различных типов.

В зависимости от последовательности чередования n- и p-областей различают транзисторы N-P-N- и P-N-P-типов. На практике используются транзисторы обоих типов; принцип действия их одинаков. Основными носителями заряда в транзисторе N-P-N-типа являются электроны, а в P-N-P-транзисторе – дырки. Так как в кремнии электроны обладают большей подвижностью, чем дырки, то чаще используют транзисторы N-P-N-типа.

На рис.1, изображена идеализированная структура биполярного

N-P-N-транзистора, его условное обозначение на схемах и схема замещения.  Транзистор можно представить как два последовательно соединенных полупроводниковых диода, включенных встречно.

 

Рис. 1 – Биполярный N-P-N-транзистор

 

 

    На рис.2, изображена идеализированная структура биполярного

P-N-P-транзистора.

Рис. 2 – БиполярныйP-N-P-транзистор

 

При подключении к источникам питания N-P-N и P-N-P-транзисторы имеют обратные полярности напряжений. Соответственно противоположные направления имеют и токи.

Центральная область транзистора, называемая базой, заключена между коллектором и эмиттером. Толщина базы мала и не превышает нескольких микрон. Переход между базой и эмиттером называется база-эмиттерным, а между базой и коллектором – база-коллекторным.

Симметричные структуры биполярных транзисторов, показанные нарис.1 и рис.2, являются идеальными. Структура реального транзистора несимметрична (рис. 3). Площадь база-коллекторного перехода значительно больше, чем база-эмиттерного.

Рис. 3 – Структура реального транзистора

 

Рассмотрим работу N-P-N-транзистора. При включении источника тока, как показано на рис. 4, переход эмиттер – база (N-P) находится в открытом состоянии, переход коллектор – база находится в закрытом состоянии. Ток через транзистор очень мал и обусловлен тепловым током через закрытый P-N переход.

Рис. 4 – Работа N-P-N-транзистора

Этот ток называется начальным током или током насыщения. Последнее название вызвано тем, что в образовании этого тока участвуют всех свободные электроны, способные при данной температуре преодолеть потенциальный барьер. По этой причине он мало зависит от внешнего напряжения, но сильно зависит от температуры. Если подать на базу относительно эмиттера некоторое небольшое напряжение в прямом направлении (рис. 5), то возникнет ток через

Б-Э переход.

Рис. 5 – Токи через транзистор

Под действием эмиттерного тока электроны попадают в базу с проводимостью P из эмиттера с проводимостью N. При этом часть электронов заполнят дырки, находящиеся в области базы и через базовый вывод протекает ток базы Iб. Так как база очень тонкая, электрическое поле коллектора, создаваемое потенциалом коллекторного источника питания, будет вытягивать большинство электронов в коллектор. Таким образом, почти все заряды, входящие через эмиттер будут выходить через коллектор, а ток через вывод базы Iб будет намного меньше коллекторного тока Iк.

Следовательно, небольшое напряжение, приложенное к переходу база – эмиттер, способствует открыванию перехода база – коллектор, смещенному в обратном направлении. В этом состоит принцип работы биполярного транзистора. P-N-P транзистор работает аналогично при изменении полярности источников питания.

Токи транзистора, связаны соотношениями:

,                                              (1)

.                                                      

Множитель  называют коэффициентом передачи тока эмиттера. У современных транзисторов  = 0.98–0.997.

Из равенств (1) следует, что

                                         (2)

Множитель β называют коэффициентом усиления тока базы. Так как

величина  близка к 1, то  может принимать большие значения. Для кремниевых N-P-N-транзисторов оно составляет от 50 до 300.

 

РЕЖИМЫ РАБОТЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Каждый из P-N-переходов транзистора может быть смещён либо в прямом, либо в обратном направлениях. В зависимости от этого различают четыре режима работы транзистора:

       1) активный (усиления). База-эмиттерный  переход смещён в прямом направлении, а база-коллекторный – в обратном. В активном режиме ток коллектора управляется током эмиттера (или напряжением база-эмиттерный перехода) и почти не зависит от напряжения на коллекторном переходе, поскольку последний смещен в обратном направлении. Активный режим является основным, если транзистор используется для усиления сигналов;

    2) отсечки. Оба перехода смещены в обратном направлении;

    3) насыщения. Оба перехода смещены в прямом направлении.

Режимы отсечки и насыщения биполярных транзисторов являются основными, когда они работают в ключевых и логических схемах;

    4) инверсный.  База-эмиттерный переход смещён в обратном направлении,

а база-коллекторный – в прямом. При этом эмиттер играет роль коллектора, а коллектор – эмиттера. В этом режиме усиление транзистора невелико. Инверсный режим используют в некоторых цифровых схемах.

Вах БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

 

Рассмотрим транзистор, включенный по схеме, представленной на рис. 6.

Эта схема получила название  «схема с общим эмиттером» (ОЭ), так как эмиттер является общим во входной и выходной цепях.

Рис. 6 – Схема с общим эмиттером

 

Входными величинами являются напряжение база-эмиттер Uбэ и ток базы Iб , а выходными – напряжение коллектор-эмиттер Uкэ и ток коллектора  Iк .

Входная характеристикабиполярного транзистора – это зависимость тока базы Iб от напряжения база-эмиттер Uбэ при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер Uкэ:Iб = f(Uбэ )Uкэ = const .

ЕслиUкэ = 0 то поскольку база-эмиттерный переход смещён в прямом направлении - входная характеристика похожа на прямую ветвь ВАХ диода (рис.7).

Рис. 7 – Входная характеристика биполярного транзистора

 При этом ток эмиттера и напряжение база-эмиттер связаны экспоненциальной зависимостью, описывающей вольтамперную характеристику диода, смещенного в прямом направлении

,                                      (3)

где  — обратный ток база-эмиттерного перехода, – температурный потенциал.

При Uкэ>0 возникает тепловой ток через закрытый база-коллекторный переход, который направлен встречно Iб, что вызывает смещение входной характеристики транзистора вправо и вниз.

Учитывая (1), получаем связь между током коллектора и напряжением база-эмиттер

                                 (4)

Из (4) следует, что в активном режиме ток коллектора зависит от напряжения Uбэ и не должен зависеть от Uкэ.

    По входной характеристике можно рассчитать дифференциальное сопротивление база-эмиттерного перехода , величина которого существенно зависит от I_Б.

Выходная характеристика биполярного транзистора показана на рис. 8.

Рис. 8– Выходная характеристика биполярного транзистора

В активном режиме ток коллектора практически не зависит от напряжения на коллекторе, так как практически все заряды, выходящие из эмиттера попадают в коллектор. В активном режиме ток коллектора в основном зависит от тока базы.

Незначительный наклон выходных характеристик связан с уменьшением толщины базы при росте Uэк, что в свою очередь уменьшает количество рекомбинаций зарядов в базе и соответственно ток через база-эмиттерный переход.

Область отсечки лежит ниже кривой Iб = 0. В области насыщения величина напряжения Uкэ столь мала, что становится недостаточной для создания обратного смещения на коллекторном переходе. В режиме насыщения ток коллектора не зависит от тока базы, и все ветви выходной характеристики сливаются в одну.

На рис. 9 показана характеристика прямой передачи транзистора по току, для схемы с общим эмиттером, которая представляет собой связь между входным и выходным токами при U_КЭ = const.

Рис. 9 –Характеристика прямой передачи транзистора по току

По характеристике прямой передачи транзистора по току можно определить коэффициент передачи по току  в схеме с ОЭ.

Для использования биполярного транзистора в качестве усилителя в цепь коллектора подключается сопротивление Rк (рис. 10), величина напряжения на котором зависит от тока коллектора .

Выходное напряжение усилителя .

Рис. 10 – Усилитель на биполярном транзисторе

 

Для обеспечения работы усилителя в линейном режиме необходимо выбрать начальную рабочую точку на выходной характеристике, при помощи построения нагрузочной прямой. Нагрузочная прямая проводится через точки Eк/Rк на оси коллекторных токов и Ек на оси коллекторных напряжений.

Точки пересечений нагрузочной прямой с выходными характеристиками показывают выходные напряжения при различных токах базы (рис. 11).

 

Рис. 11 – Выбор начальной рабочей точки

Обычно начальная рабочая точка выбирается посередине отрезка нагрузочной прямой между областью насыщения и областью отсечки, что позволяет получить максимальную амплитуду изменений U_вых.

После выбора начальной рабочей точки по выходной характеристике можно определить начальный ток базы Iб нач., по которому при помощи входной характеристики найти начальную величину Uбэ.

Для установки начальной рабочей точки обычно используют источник питания Eк и делитель напряжения. Следует учитывать, что входные характеристики существенно зависят от температуры P-N-перехода, при ее изменении начальная рабочая точка может сдвигаться. Необходимо принимать меры по температурной стабилизации рабочей точки.

Коэффициент усиления по напряжению в схеме, показанной на рис.10 можно определить по формуле , коэффициент усиления по току по формуле .

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор (рис.12) представляет собой кристалл полупроводника, очень слабо легированного примесью (на рисунке - акцепторной), что обуславливает его малую проводимость (в данном случае P-типа). В кристалле создана область с противоположной проводимостью, образующая с основной частью кристалла –N-P-переход. От противоположных концов области сделаны выводы: исток (И) и сток (С). От N-области третий вывод-затвор (3).

Рис. 12 –Полевой транзистор с P-N-переходом

 

Если напряжение на затворе относительно истока Uзи=0, вблизи P-N-перехода образуется обедненная зона (её граница в P-области показана штриховой линией). При подаче на сток напряжение относительно истока через область пойдет ток. В обедненной зоне основные носители отсутствуют, поэтому проводящим будет канал в P-области сечением, лежащий за пределами обедненной зоны.

Из теории P-N-перехода известно, что приложение к нему обратного (запирающего) напряжения приводит к расширению обедненной зоны и, следовательно, к уменьшению проводящего сечения канала. Его сопротивление возрастает, ток уменьшается. При увеличении до некоторого Uзи называемого напряжением отсечки, проводящее сечение станет равным нулю, ток практически прекратится. Таким образом, изменяя Uзи можно управлять Ic.

Подача прямого напряжения на P-N-переход полевого транзистора не применяется, так как при прямых Uзи>0,1 В, возникает значительный ток затвора и транзистор выходит из строя.

Полевой транзистор с P-N-переходом работает при обратном напряжении, поэтому ток затвора чрезвычайно мал (порядка 10нА), а входное сопротивление, в отличие от биполярных транзисторов, очень велико.

Полевые транзисторы изготавливаются из кремния, так как невозможно получить германиевый кристалл с достаточно большим сопротивлением. Полевые транзисторы могут быть как с P-каналом, так и с N-каналом. Для последних, полярность питающих напряжений - противоположная. Условные обозначения на принципиальных схемах показаны на рис.13

 

Рис. 13 –Условные обозначения полевых транзисторов с P-N-переходом

 

---

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 576; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!