Дослідження динамічних характеристик біполярних транзисторів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Тернопільській національний технічний університет

Імені Івана Пулюя

Кафедра комп'ютерних систем та мереж

Підготовка до лабораторної роботи №3

На тему

«Дослідження динамічних характеристик біполярних транзисторів»

З дисципліни «Фізична електроніка та мікроелектроніка»

Тернопіль 2011р.

Лабораторна робота №3

Дослідження динамічних характеристик біполярних транзисторів

біполярний транзистор

Метою роботи є дослідження характеристик біполярного транзистора в навантажувальному режимі.

Короткі теоретичні відомості

Біполярний транзистор - це напівпровідниковий елемент, принцип дії якого полягає на фізичних процесах, що протікають в об'ємі провідника з двома p-n-переходами. В біполярному транзисторі може бути різна кількість переходів між областями. Найбільш поширеними є транзистори із двома n-p-переходами (або p-n-перехід), що називаються біполярними, так як їх робота базується на використанні обох типів носіїв заряду.

Біполярний транзистор представляє собою пластину германію або кремнію або іншого напівпровідника в яку встроєні три області із різною електропровідністю. Середня область називається базою. Одна крайня емітером, друга колектором.

Розглянемо фізичний процес дії одновимірної біполярної структури n-p-n-типу. На емітерний перехід подаємо пряму напругу, на колекторний перехід - зворотню напругу, в результаті емітерний перехід буде інжектувати неосновні носії в базу. В базі частина електронів рекомбінує формуючи IБ, а інша частина електронів під дією електричного поля яке створюється напругою UКБ переходить в колектор:

IЕ = IК+ IБ (2.1)

Для того щоб отримати найбільший IЕ необхідно зменшити потік дірок з бази в емітер, та рекомбінацію зарядів в області емітерного переходу. Цього можна досягти шляхом збільшення концентрації легуючої домішки в області емітера і зменшення в області бази. Крім того зменшення IБ можна одержати при умові, що ширина бази буде значно меншою ніж дифузійна довжина проникнення електронів.

Біполярний транзистор може працювати у трьох режимах в залежності від напруги на його переходах :

а) активний - режим, коли на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному зворотня;

б) режим відсічки або запирання - це режим, який досягається подачею зворотної напруги на обидва переходи;

в) режим насичення - на обидва переходи подається пряма напруга.

Основним режимом є активний. В схемах із транзисторами, як правило використовується два кола: вхідне і вихідне. Розглянемо, як працює транзистор типу n-p-n в режимі без навантаження при включенні тільки джерел живлення. Полярність джерел живлення така, що на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному - зворотня. Тому опір емітерного переходу малий. І для отримання нормального струму в цьому переході досить напруги емітера Е1, що складає десяті долі вольта. Опір колекторного переходу великий, тому напруга емітера Е2 рівна 1В.

Біполярний транзистор незалежно від його структури можна використати в якості підсилювача напруги, струму або потужності, тобто вхідний сигнал, який потрібно підсилити, подають на два електроди, а вихідний знімають з двох електродів. При цьому один електрод буде загальним для вхідного і вихідного сигналів. Він і буде визначати схему включення транзистора (із спільною базою, емітером чи колектором).

Загальна кількість параметрів, яка можлива, і, яка характеризує властивості біполярного транзистора і режими роботи може бути більшою, як 500-700. Тому був визначений мінімум основних параметрів які дозволяють вести розрахунок переважної більшості схем:

1) максимальна t переходу і мінімальна t переходу Tn.max і Tn.min;

2) максимальна P розсіювання і максимальна P розсіювання в імпульсі;

3) максимально допустима напруга переходу колектор-емітер;

4) максимально допустима напруга переходу база-емітер;

5) гранична і максимальна частоти.

Основними характеристиками, що характеризують принцип роботи біполярного транзистора є його вхідна та вихідна характеристики. Ці характеристики відносяться до статичних характеристик біполярного транзистора.

Статичні характеристики транзистора відбивають залежність між струмом і напругою у вхідних і вихідних колах біполярного транзистора. Вхідна статична характеристика - це залежність вхідного струму від вхідної напруги кола транзистора. Вихідна статична характеристика - це залежність вихідного струму від вихідної напруги кола транзистора.

Транзистор у вихідній характеристиці вступає у зону насичення через те, що струм виходу мало залежить від вихідної напруги кола транзистора. Основну частину приросту вихідного струму складає приріст вхідного струму. Оскільки на вихідній характеристиці Iвх =const, то немає приросту вихідного струму, а отже транзистор працює в режимі насичення.

На практиці найчастіше використовують змішані параметри, що характеризують роботу біполярного транзистора за допомогою вхідної та вихідної статичних характеристик. Вони позначаються - h або H. Назва змішані дана тому, що серед них є дві відносні величини - вхідний опір і провідність. Дві величини із H-параметрів визначають при короткому замиканні для змінного струму на виході, тобто при відсутності навантаження у вхідному колі. У цьому випадку на вихід транзистора подається тільки постійна напруга (U2вих =const). Інші два параметри визначають при розімкнутому для змінного струму вихідному колі, тобто коли на вхід транзистора подається тільки постійний струм (I1 =const).

а) вхідний опір - позначається буквою H11 і визначається:

H11 = ?U1/?I1 при U2 =const (2.2)

Він є опором між вхідними клемами для змінного вхідного струму при короткому замиканні на виході, тобто при відсутності змінної вихідної напруги. При такій умові зміна вхідного струму є результатом зміни вхідної напруги.

б) коефіцієнт зворотнього зв'язку по напрузі - позначається H12 і визначається:

H12 = ?U1/?U2 при I1 =const (2.3)

H12 показує яка частина вихідної змінної напруги передається на вхід транзистора внаслідок наявності в ньому внутрішнього зворотнього зв'язку. Умова I1 =const означає, що у вхідному колі немає змінного струму і, що зміна U1 залежить тільки від зміни U2. В транзисторі завжди є від'ємний зворотній зв'язок, за рахунок того, що електроди з'єднані між собою електрично та за рахунок деякого опору бази.

в) коефіцієнт підсилення по струму - позначається H21 і визначається, як відношення:

H21 = ?I2/?I1 при умові, що U2вих =const (2.4)

Цей коефіцієнт показує підсилення змінного струму транзистора в режимі без навантаження. Умова U2 =const означає, що зміна вихідного струму I2 залежить тільки від зміни Iвх. Власне тоді коефіцієнт H21 буде характеризувати підсилення струму транзистора.

г) вихідна провідність - позначається H22. Це є відношення між собою вихідних параметрів:

H22 = ?I2/?U2 при I1 =const (2.5)

Це є внутрішня провідність для змінного струму між вхідними електродами транзистора. I2 повинен змінюватися тільки під впливом вихідної змінної напруги.

Динамічним режимом роботи біполярного транзистора є режим, при якому у вихідне коло транзистора включене навантаження. Динамічні характеристики біполярного транзистора відрізняються від статичних наявністю навантажувальної прямої. Для побудови цієї прямої вибирається середня точка - точка на осі струмів. Середню точку вибирають за таким принципом: для того щоб побудувати динамічні характеристики використовують схему, яка показана на рис.2.1:

Живлення в цій схемі подається тільки з одного джерела. Напруга на емітерний перехід подається через резистор RБ. Робочу точку вибирають при умові, що напруга на резисторі навантаження RН не спадає і на колекторі ми маємо максимальний струм. Другу точку на осі струмів вибирають, прирівнюючи вихідну напругу кола транзистора до нуля. Маючи дві точки будують навантажувальну пряму. Режим роботи біполярного транзистора залежить від напруги живлення ЕЖ, опору колектора або навантаження RН і вхідного струму бази IБ при

ЕЖ = UКЕ+IК*RК

де IК - струм колектора; RК - опір навантаження. Струм колектора рівний нулю, якщо UКЕ = ЕЖ - точка А. Напруга UКЕ=0, якщо UКЕ =0, то IК = ЕЖ/RК - точка D. Лінія АВ - лінія навантаження. При IБ=0 (точка Б) - транзистор працює в режимі відсічки, точка В відповідає активному режиму, а точка С - режиму насичення. Все це і характеризує роботу біполярного транзистора при постійному струмі. Біполярний транзистор, як підсилювальний елемент характеризується такими основними параметрами:

а) коефіцієнт передачі транзистора по струму - це відношення деякої зміни вихідного струму до викликавши цю зміну деякої зміни вхідного струму.

б) коефіцієнт передачі транзистора по напрузі - це відношення деякої зміни вихідної напруги до викликавши цю зміну деякої зміни вхідної напруги

Ku = ?Uвих/?Uвх (2.6)

де ?Uвих - зміна вихідної напруги; ?Uвх - зміна вхідної напруги.

в) коефіцієнт підсилення потужності в транзисторі:

Kp = Ki*Ku (2.7)

Порядок виконання роботи

1. Використовуючи пакет прикладних програм Electronics Workbench склав схему залежності напруги живлення ЕЖ від режиму роботи транзистора за рис.2.1.

2. Ознайомився із принципом роботи даної схеми.

3. Зняв динамічні характеристики транзистора на прикладі схеми залежності напруги живлення ЕЖ від режиму роботи транзистора.

4. Побудував вольт-амперну характеристику даної схеми.

5. Побудував лінію навантаження на ВАХ даної схеми.

Висновок: на цій лабораторній роботі я досліджував характеристики біполярного транзистора в навантажувальному режимі.

Размещено на Allbest.ru