ЛабораторнОЕ ЗАНЯТИЕ № 9

ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Цель занятия: 1.Практически ознакомиться со схемой включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ).

2. Построить выходную характеристику транзистора для различных фиксированных токов базы.

Перечень приборов.

1. Лабораторный стенд.

2. Блок №2 (схема А1).

3. Соединительные провода.

Рекомендуемая литература. 1) курс лекций; 2) (1) стр. 489 — 499; 3) (2) стр. 43 –5 5;

4) (3) стр. 200 - 205.

Контрольные вопросы.

1. Почему схема ОЭ нашла наибольшее применение?

2. Какие характеристики являются входными для схемы ОЭ?
3. Какое соотношение существует между токами в биполярном транзисторе?

4. Каким образом происходит управление проходящим через полевой
транзистор током?

5. Каковы преимущества транзистора перед электронными лампами?

Краткие теоретические сведения.

Биполярным транзистором или просто транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя р-п -переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний и представляющий собой пластину кремния или гер­мания, состоящую из трех областей. Две крайние области всегда имеют одинаковый тип проводимости, а средняя — противополож­ный тип проводимости. Транзисторы, у которых крайние области обладают электронной проводимостью, а средняя — дырочной, называются транзисторами п-р-п-типа (рис1,а); транзисторы, у которых крайние области обладают дырочной, а средняя — электронной проводимостями, называются транзисторами р-п-р-типа (рис.1,6).

Физические процессы, происходящие в транзисторах двух типов, аналогичны; различие между ними заключается в том, что полярности включения источников питания их противоположны, а также в том, что если в транзисторе п-р-п-типа электрический ток создается в основном электронами, то в транзисторе р-п-р-типа — дырками. Смежные области, отделенные друг от друга р-п-переходами, называются эмиттером Э, базой Б и коллектором К. Эмиттер является областью,испускающей (эмиттирующей) носители зарядов: электронов в транзисторе п-р-п-типа и дырок в транзисторе р-п-р-типа; коллектор — область, собирающая носители зарядов; база — средняя область, основание.

В условиях работы транзистора к левому р-п-переходу прикла­дывается напряжение эмиттер — база U_э-бв прямом направлении, а к правому р-п -переходу база — коллектор U_б-к в обратном. Под действием электрического поля большая часть носителей зарядов из левой области (эмиттера), преодолевая р-п-переход, переходит в очень узкую среднюю область (базу). Далее большая часть носителей зарядов продолжает двигаться ко второму пере­ходу и, приближаясь к нему, попадают в электрическое поле, соз­данное внешним источником U_э-к Под влиянием этого поля носители зарядов втягиваются в правую область (коллектор), уве­личивая ток в цепи батареи U_э-к. Если увеличить напряжение U_э-б, то возрастет количество носителей зарядов, перешедших из эмиттера в базу, т. е. увеличится ток эмиттера на ΔI_э-_б. При этом также увеличится ток коллектора на ΔI_б-к.

В базе незначительная часть носителей зарядов, перешедших из эмиттера, рекомбинирует со свободными носителями зарядов противоположной полярности, убыль которых пополняется новыми носителями зарядов из внешней цепи, образующими ток базыI_б. Таким образом, ток коллектора I_r=I_э — I_б окажется незначительно меньше тока эмиттера. Отношение α = ΔI_к/ΔI_э при U_б-к = const называется коэффициентом усиления по току и обычно имеет значение α= 0,9 - 0,995.

Если цепь эмиттер — база разомкнута и ток в ней равен нулю I_э=0, а между коллектором и базой приложено напряжение U_к-б, то в цепи коллектора будет протекать небольшой обратный (тепловой) ток I_ко, обусловленный неосновными носителями зарядов.

Этот ток в значительной степени зависит от температуры и является одним из параметров транзистора (чем меньше ток, тем лучшими качествами обладает транзистор).

Так как эмиттерный p-n-переход находится под прямым напря­жением, то он обладает малым сопротивлением. На коллектор­ный р-п-переход воздействует обратное напряжение и он имеет большое сопротивление. Поэтому напряжение, прикладываемое к эмиттеру, весьма мало (десятые доли вольта), а напряжение, подаваемое на коллектор, может быть достаточно большим (до нескольких десятков вольт). Изменение тока в цепи эмиттера, вызванное малым напряжением U_э, создает примерно такое же изменение тока в цепи коллектора, где действует значительно большее напряжение U_к, в результате чего транзистор усиливает мощность.

При работе транзистора в качестве усилителя электрических колебаний входное переменное напряжение U_вх(сигнал, подлежа­щий усилению) подают последовательно с источником постоянного напряжения смещения U_см между эмиттером и базой, а выходное напряжение U_вых (усиленный сигнал) снимается с нагрузочного резистора R_н.

Возможны три схемы включения транзисторов п-р-п-типа (рис.2,а) и р-п-р-типа(рис.2,6): с общей базой ОБ, с общим эмиттером ОЭ и с общим коллектором ОК. Название схемы пока­зывает, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей. Схемы включения транзисторов отличаются своими свойствами, но принцип усиления колебаний остается одинаковым.

В схеме с общей базой положительное приращение напряжения на входе U_вх вызывает увеличение тока эмиттера I_э, что приводит к увеличению как тока коллектора I_к так и напряжения выхода U_вых, причем ΔU_вых >>ΔU_вх. В схеме с ОБ источник входного напряжения включен в цепь эмиттер — база, а нагрузка и источ­ник питания — в цепь коллектор — база. Входное сопротивление схемы с ОБ мало (несколько омов или десятков омов), так как эмиттерный переход включен в прямом направлении. Выходное сопротивление схемы, наоборот, велико (сотни килоомов), так как коллекторный переход включен в обратном направлении. Малое входное сопротивление схемы с ОБ является существенным недо­статком, ограничивающим применение ее в усилителях. Через источник входного сигнала в этой схеме проходит весь ток эмит­тера и усиления по току не происходит (коэффициент усиления по току α<1). Усиление по напряжению и мощности в этой схеме может достигать нескольких сотен.

В схеме с общим эмиттером ОЭ источник входного напряжения включен в цепь эмиттер — база, а сопротивление нагрузки R_н и источник питания — в цепь эмиттер — коллектор, так что эмиттер является общим электродом для входной или выходной цепей. Входное сопротивление схемы с ОЭ больше, чем у схемы с ОБ, так как входным током в ней является ток базы, который много меньше тока эмиттера и тока коллектора. Это сопротивление составляет сотни омов. Выходное сопротивление схемы с ОЭ велико и может составлять до ста килоомов. Коэффициент усиления по току β в этой схеме определяется как отношение приращения тока коллекто­ра ΔI_к к приращению тока базы ΔI_б при постоянном напряжении на коллекторе, т. е. β= ΔI_к/ΔI₆ при U_к = const, и может иметь значения β = 10-400 для различных транзисторов. Учитывая ра­венства I_э=I_к + I_б иα = ΔI_к/ΔI_э, получим

β=ΔI_к /(ΔI_э -ΔI_к)=(ΔI_к/ΔI_э) / (1- ΔI_к /ΔI_э) = α/(1-α). Зависимость тока коллектора I_к от тока базыI₆ в схеме с ОЭ определяется формулой I_к=β(I₆+I_к.о.), где I_к.о – обратный ток р-п-перехода база — коллектор при I_э= 0. В схеме с ОБ I_к=αI_э+I_к.о..

Коэффициент усиления по напряжению K_u для схемы с ОЭ того же порядка, что и для схемы с ОБ. Коэффициент усиления по мощ­ности K_p=βK_u во много раз больше, чем в схеме с ОБ.

В схеме с общим эмиттером ОЭ при усилении входного напря­жения происходит поворот фазы выходного напряжения на полови­ну периода, т. е. на 180°: положительные приращения входного напряжения вызывают отрицательное приращение выходного и на­оборот,

В схеме с общим коллектором ОК источник входного напря­жения включается в цепь базы, а источник питания и сопротивление нагрузки - в цепь эмиттера. Входным током является ток базы, а выходным — ток эмиттера. Коэффициент усиления по току для этой схемы K_i=ΔI_э/ ΔI_б= ΔI_э/(ΔI_э -ΔI)