Режимы работы и схемы включения транзистора

Б И П О Л Я Р Н Ы Е

  Т Р А Н З И С Т О Р Ы

Йошкар-Ола

2011

МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электротехника, электроника и схемотехника»

модуль «Электроника»

по направлению подготовки 230100

«Информатика и вычислительная техника»

квалификация 230100.62

 

 

 

Йошкар-Ола

2011

УДК 621.317(076.5)

 

Биполярные транзисторы: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электротехника, электроника и схемотехника» (модуль «Электроника») для студентов по направлению подготовки 230100 «Информатика и вычислительная техника» /Сост. С. В. Старыгин. − Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011.

 

Определены цели и задачи изучения биполярных транзисторов, приведены краткие теоретические сведения необходимые для понимания принципа действия биполярных транзисторов, методика проведения экспериментов по исследованию характеристик и определения параметров биполярных транзисторов.

 

 

                                           © Марийский государственный технический университет, 2011

 © Старыгин С.В., 2011, составление

Цель работы: ознакомление с устройством, принципом действия, характеристиками, параметрами биполярных транзисторов.

 

УСТРОЙСТВО ТРАНЗИСТОРА

Б иполярным транзистором называют трехполюсный электропреобразовательный полупроводниковый прибор с двумя выпрямляющими электрическими переходами, способный усиливать мощность за счет инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Транзисторы называются биполярными т.к. их работа основана на использовании носителей обеих полярностей – электронов и дырок.

Устройство транзистора схематично показано на рис.1. Транзистор представляет собой пластину полупроводника, в которой создано три области различной проводимости, разделенные двумя p-n переходами.

Рис. 1

Одну из крайних областей транзистора легируют значительно сильнее, чем две другие. Эту область используют для инжекции свободных носителей и называют эмиттером. Промежуточную область называют базой. Основное назначение третьей области – коллектора – экстракция и выведение неосновных носителей из базы. Поэтому размеры коллектора больше, чем эмиттера.

В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы n-p-n и p-n-p типов. Их обозначения приведены на рис. 2.

Рис. 2

С точки зрения технологии изготовления различают сплавные, диффузионные и планарные транзисторы. В сплавных и диффузионных транзисторах крайние области создают с помощью вплавления или диффузии соответствующих примесей в базовую пластину полупроводника. В планарных (плоских) транзисторах чередование областей создают с помощью последовательной диффузии различных примесей.

 

Составной транзистор

С целью повышения коэффициента усиления по току и напряжению и получения большего входа и меньшего выхода сопротивлений применяют схему так называемого составного транзистора (рис. 23).

 

Рис. 23

На рис. 24 представлена эквивалентная схема составного транзистора.

Рис. 24

Коллекторы двух транзисторов соединены вместе и являются общим электродом, а эмиттер первого транзистора подсоединен к базе второго, из схемы следует, что , , тогда , откуда коэффициент передачи тока базы определяется: , т.е. . Величина коэффициента усиления составного транзистора может достигать нескольких тысяч.

Транзистор VT2 выбирают более мощным, чтобы его номинальный ток базы был равен номинальному току эмиттера VT1.

Сопротивление базы составного транзистора r_Б = r_Б1 равно сопротивлению базы VT1.

Сопротивление эмиттера определяется по формуле:

,

 сопротивление коллектор-эмиттер определяется .

Результирующий сквозной ток коллектора составного транзистора определяется суммой трех составляющих:

J_КОС= J_КОС1+ J_КОС2+ J_КОС1В₂= J _КОС2+(1+В₂) J_КОС1.

Частотная зависимость коэффициента передачи тока составного транзистора определяется частотными свойствами обоих транзисторов.

В схеме ОБ граничная частота ω _грБ составного транзистора близка к граничной частоте более высокочастотного транзистора.

В схеме ОЭ ω _грЭ составного транзистора не превышает граничную частоту более низкочастотного транзистора.

Если ω _грЭ2 = Кω _грЭ1, где К > > 1, то граничная частота составного транзистора определяется: .

На основе составного транзистора промышленность выпускает специальные транзисторы Дарлинтонга, схема которого представлена на рис. 25.

Рис. 25

Кроме транзисторов в схему включены диоды VD1 – ускоряющий, для повышения быстродействия; VD2 – защитный, для защиты от возможных перенапряжений и обратных выбросов напряжения. R₁ и R₂ – резисторы для согласования сопротивлений эмиттерных переходов транзисторов VT1 и VT2.

Порядок выполнения работы

Оформление отчета по лабораторной работе

По результатам измерений построить четыре графика:

− семейство  входных  характеристик  транзистора  включенного  по  схеме  ОБ I_Э = f(U_ЭБ) при U_КБ - const,;

− семейство выходных характеристик транзистора, включенного по схеме ОБ I_К = f(U_КБ) при I_Э - const,;

− семейство входных характеристик транзистора, включенного по схеме ОЭ I_Б = f(U_БЭ) при U_КЭ - const,;

− семейство  выходных  характеристик  транзистора, включенного  по  схеме ОЭ I_К = f(U_КЭ) при I_Б- const.

По семействам характеристик вычислить h-параметры транзистора для схем включения  ОБ и ОЭ. Для транзистора по схеме ОБ h-параметры определяются по следующим выражениям.

h_11Б = Δ U_ЭБ / Δ I_Э, при U_КБ − const;

h_12Б = Δ U^*_ЭБ/(U_{К2 −} U_К1), при I_Э − const;         (1)

h_21Б = Δ I^*_К/(I_Э2 − I_Э1), при U_КБ − const;

h_22Б = Δ I_К/Δ U_К, при I_Э − const.

 На рис. 30 приведен пример определения h-параметров для транзистора, включенного по схеме ОБ, по входным (рис. 30, а), и выходным (рис. 30, б) характеристикам. Приведенные обозначения токов и напряжений соответствуют выражениям (1).

 Для транзистора включенного по схеме ОЭ, построения и расчеты проводятся аналогично, по характеристикам для схемы ОЭ.

 

а)                                                                       б)

Рис. 30

 

По результатам выполненной работы оформляется отчет. Отчет по работе должен содержать следующие разделы:

− титульный лист;

− цель работы;

− рабочие схемы измерения;

− таблицы результатов;

− графики семейств характеристик;

− результаты вычисления h-параметров;

− выводы по полученным результатам.

 

2.3. Контрольные вопросы

1. Основные конструктивные элементы транзистора.

2. Режимы работы транзистора. Чем определяется режим работы?

3. Токи, протекающие в транзисторе в различных режимах работы.

4. Схемы включения транзисторов. Входные и выходные цепи транзистора.

5. Основные параметры эмиттерного и коллекторного переходов транзистора.

6. Что такое модуляция ширины базы транзистора?

7. Коэффициенты передачи тока в транзисторе.

8.  Соотношения токов транзистора. Связь входных и выходных токов.

9. Особенности вольт-амперных характеристик транзистора.

10. Линеаризация вольт-амперных характеристик.

11. H-параметры транзистора.

12. Представление транзистора в эквивалентном виде.

13. Рабочие точки на входных и выходных характеристиках.

14. Принцип усиления биполярного транзистора.

15. Работа транзистора с нагрузкой.

16. Высокочастотные свойства транзистора.

17. Работа транзистора в импульсном режиме.

18. Особенности составного транзистора.

Содержание

УСТРОЙСТВО ТРАНЗИСТОРА.………………………………………5

Режимы работы и схемы включения транзисторов………………6

Принцип действия транзистора……………………………………7

Объёмное сопротивление базы транзистора……………………..9

Модуляция ширины базы транзистора……………………………9

Коэффициенты передачи тока в схемах ОБ и ОЭ……………….10

Статические характеристики транзисторов……………………...11

Транзистор как линейный четырехполюсник……………..……..13

Эквивалентные схемы транзистора в линейном режиме….……14

Работа транзистора с нагрузкой…………………………………..16

Работа транзистора на высоких частотах………………………..18

Работа транзистора в импульсном режиме………………………20

Составной транзистор……………………………………………..21

ПРАКТИЧЕСКОЕ ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ……………………….23

Порядок выполнения работы………………………………….….23

Исследование транзистора включенного по схеме ОБ……….23

Исследование транзистора включенного по схеме ОЭ……….24

Оформление отчета по лабораторной работе……………………26

Контрольные вопросы…………………………………………….27

 

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

 

 

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электротехника, электроника и схемотехника» (модуль «Электроника») для студентов по направлению подготовки «Информатика и вычислительная техника», квалификация 230100.62.

 

 

Составитель С.В.Старыгин

 

 

Марийский государственный технический университет

424001 Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3

 

 

 

 

Б И П О Л Я Р Н Ы Е

  Т Р А Н З И С Т О Р Ы

Йошкар-Ола

2011

МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электротехника, электроника и схемотехника»

модуль «Электроника»

по направлению подготовки 230100

«Информатика и вычислительная техника»

квалификация 230100.62

 

 

 

Йошкар-Ола

2011

УДК 621.317(076.5)

 

Биполярные транзисторы: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электротехника, электроника и схемотехника» (модуль «Электроника») для студентов по направлению подготовки 230100 «Информатика и вычислительная техника» /Сост. С. В. Старыгин. − Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011.

 

Определены цели и задачи изучения биполярных транзисторов, приведены краткие теоретические сведения необходимые для понимания принципа действия биполярных транзисторов, методика проведения экспериментов по исследованию характеристик и определения параметров биполярных транзисторов.

 

 

                                           © Марийский государственный технический университет, 2011

 © Старыгин С.В., 2011, составление

Цель работы: ознакомление с устройством, принципом действия, характеристиками, параметрами биполярных транзисторов.

 

УСТРОЙСТВО ТРАНЗИСТОРА

Б иполярным транзистором называют трехполюсный электропреобразовательный полупроводниковый прибор с двумя выпрямляющими электрическими переходами, способный усиливать мощность за счет инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Транзисторы называются биполярными т.к. их работа основана на использовании носителей обеих полярностей – электронов и дырок.

Устройство транзистора схематично показано на рис.1. Транзистор представляет собой пластину полупроводника, в которой создано три области различной проводимости, разделенные двумя p-n переходами.

Рис. 1

Одну из крайних областей транзистора легируют значительно сильнее, чем две другие. Эту область используют для инжекции свободных носителей и называют эмиттером. Промежуточную область называют базой. Основное назначение третьей области – коллектора – экстракция и выведение неосновных носителей из базы. Поэтому размеры коллектора больше, чем эмиттера.

В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы n-p-n и p-n-p типов. Их обозначения приведены на рис. 2.

Рис. 2

С точки зрения технологии изготовления различают сплавные, диффузионные и планарные транзисторы. В сплавных и диффузионных транзисторах крайние области создают с помощью вплавления или диффузии соответствующих примесей в базовую пластину полупроводника. В планарных (плоских) транзисторах чередование областей создают с помощью последовательной диффузии различных примесей.

 

Режимы работы и схемы включения транзистора

Каждый из p-n переходов транзистора может быть включен либо в прямом, либо в обратном направлении. Поэтому различают 3 режима работы транзистора:

Режим отсечки – оба p-n перехода смещены в обратном направлении, при этом через транзистор текут малые обратные токи переходов: I_ЭБО и I_КБО.

Режим насыщения – оба p-n перехода смещены в прямом направлении, при этом через транзистор протекают большие прямые токи p-n-переходов: токи инжекции I_Э, I_К; ток рекомбинации I_Б.

Активный режим. Это основной режим работы транзистора, он подразделяется на два подвида:

3.1. Активный нормальный режим: эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный – в обратном;

3.2. Активный инверсный режим: эмиттерный переход смещен в обратном направлении, коллекторный – в прямом.

Основное назначение транзистора – усиление мощности входного или управляющего сигнала (в этом смысле трансформатор не является усилителем, т.к. он усиливает либо только ток, либо напряжение). Усиление обеспечивает только активный режим работы транзистора, в котором транзистор может выполнять функции активного элемента для генерирования, усиления, переключения сигналов. В режиме отсечки и насыщения транзистор практически не управляем, т.е. не способен усиливать мощность.

Постоянные напряжения смещения к полюсам транзистора могут быть подключены тремя способами.

Рис. 3

В зависимости от электрода, потенциал которого принимается за общий, различают схемы включения с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК).     

На рис. 3 представлены схемы включения p-n-p транзистора в активном нормальном режиме. Для n-p-n транзисторов полярности источников напряжения сменятся на обратные.

В подавляющем большинстве применений транзистора цепь базы или эмиттера является входной, т.к. к ним подводятся входные управляющие сигналы, а цепь коллектора – выходной, т.к. в неё включают сопротивление нагрузки, на которой формируется результирующий сигнал.

 

12345678Следующая ⇒

Поделиться: