23043

Транзистори

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Вихідна вольтамперна характеристика ВАХ біполярного транзистора – це залежність величини струму колектора ІК від напруги між колектором та емітером UКЕ при певному струмі бази ІБ або напруги між базою та емітером UБЕ . Вихідна вольтамперна характеристика ВАХ польового транзистора – це залежність величини струму стока ІС від напруги між стоком та витоком UСВ при певній напрузі між затвором та витоком UЗВ . Виконання роботи передбачає використання осцилографа як характериографа з метою одержання на екрані двоканального...

Украинкский

2013-08-04

88 KB

10 чел.

Лабораторна робота № 4

Транзистори

Ця лабораторна робота присвячена вивченню вольт-амперних характеристик  ТРАНЗИСТОРІВ - керованих нелінійних елементів, на базі яких можна створити підсилювач

Біполярний транзистор – це напівпровідниковий прилад з двома взаємодіючими випрямляючими електричними p-n переходами і трьома виводами, підсилюючі властивості якого обумовлені явищами інжекції та екстракції неосновних носіїв заряду.

Польовий транзистор – це напівпровідникови прилад, підсилюючі властивості якого обумовлені струмом основних носіїв, що течуть по каналу, який має провідність і керується електричним полем.

Польовий транзистор з керуючим електродом – це польовий транзистор, керування струмом основних носіїв в якому відбувається за допомогою випрямляючого електричного p-n переходу, зміщеному в зворотному напрямі.

Вихідна вольт-амперна характеристика (ВАХ) біполярного транзистора – це залежність величини струму колектора ІК  від напруги між колектором та емітером UКЕ , при певному струмі бази ІБ (або напруги між базою та емітером UБЕ .

Вихідна вольт-амперна характеристика (ВАХ) польового транзистора – це залежність величини струму стока ІС  від напруги між стоком та витоком UСВ , при певній напрузі між затвором та витоком UЗВ .

 Мета роботи – дослідження властивостей  транзисторів різних типів, набуття досвіду спостереження ВАХ транзисторів на екрані осцилографа. Виконання роботи передбачає  використання осцилографа як характериографа з метою   одержання на екрані двоканального осцилографа  зображення вихіної ВАХ  транзистора, а також  побудову  сімейства ВАХ шляхом вимірювання  деякої кількості  величин струму ІК , що відповідають  певним  величинам  напруги UКЕ (для певної величини струму бази, або напруги UБЕ ) для біполярного транзистора , або  величин струму стока ІС , що відповідають певним напругам UСВ (для певної величини напруги між затвором і витоком UЗВ) і представленням результату у вигляді графіків.  

Теоретичні відомості

Основна задача, яку вирішує транзистор, подібна до функції звичайного водогінного крана: невеликим зусиллям руки примусити бути слухняним сильний напір води в трубі. Задача транзистора – за допомогою невеликого керувального струму (напруги) змусити пропорційно змінюватися потужний потік електронів.

Існує дві найбільш поширені конструкції транзисторів - біполярні та польові (уніполярні)  транзистори.

БІПОЛЯРНИЙ ТРАНЗИСТОР являє собою два p-n -переходи (Рис. 1), складених з двох  n- і одної  p-області (структура типу  n-p-n ) або з двох p- і одної  n-області (структура типу  p-n-p ). Одна з крайніх областей носить назву ЕМІТЕРА, інша – КОЛЕКТОРА, середню область називають БАЗОЮ. Для реалізації поставленої вище задачі (див. Рис. 1) база-емітерний p-n-перехід включають в прямому напрямку, а база-колекторний p-n-перехід – у зворотному (1-ша умова).

Для n-p-n-транзистора це означає наступне (Рис. 1, а). Внаслідок того, що до ділянки емітер-база прикладена напруга в прямому напрямку, опір емітерного p-n-переходу зменшується і крізь нього проходить струм, зумовлений переміщенням електронів з емітера в базу і дірок з бази в емітер. Якби концентрація дірок і електронів в базі та емітері була б однаковою, то прямий струм крізь емітерний перехід створювався б переміщенням однакового числа дірок і електронів в протилежних напрямках. Однак, (2-га умова) в транзисторах концентрація основних носіїв у базі (в даному випадку, дірок) значно менша, ніж електронів в емітері. Отже, майже увесь струм крізь емітерний p-n-перехід зумовлений електронами.

Електрони, діставшись бази, для якої вони є неосновними носіями заряду, починають рекомбінувати з дірками. Оскільки концентрація дірок в базі мала, то довжина вільного пробігу електронів велика, і, якщо (3-тя умова) шар бази зробити досить тонким, тобто меншим за довжину вільного пробігу електрона в області бази, то практично всі електрони встигнуть дістатися колекторного p-n-переходу раніше, ніж відбудеться рекомбінація. Наблизившись до колектора, електрони починають відчувати дію електричного поля, яке створюється джерелом напруги, що включене між колектором і базою. Це поле для електронів є прискорювальним і тому вони швидко втягуються з бази в колектор і беруть участь у створення колекторного струму.

Приймаючи до уваги малий ступінь рекомбінації дірок з електронами в області бази, можна вважати струм колектора таким, що приблизно дорівнює струму емітера. Ті електрони, які все ж таки рекомбінують в області бази з дірками, беруть участь у створенні струму бази. Таким чином, струм бази дорівнює різниці струмів емітера і колектора:

 Іб = Іе - Ік.      (1)

Чим менша величина струму бази порівняно зі струмом колектора, тим вища ефективність керувальної дії транзистора. Відношення струму колектора до струму бази називають коефіцієнтом підсилення за струмом транзистора:

 В =  Ік/Іб.      (2)

Типове значення В для реальних транзисторів – порядку 100. Таким чином, невеликий вхідний струм в колі бази дозволяє керувати в 100 разів більшим струмом в колі колектора.

Принцип дії транзисторів типу p-n-p не відрізняються від розглянутого вище, лише в область бази вводяться з емітера не електрони, а дірки. Полярність прикладеної до переходів напруги – також протилежна (Рис. 1, б).  На рис. 1 також показані умовні позначення біполярних транзисторів на електричних схемах. Стрілка в позначеннях емітера вказує прямий напрямок струму база-емітерного переходу.

ПОЛЬОВІ ТРАНЗИСТОРИ історично були запропоновані раніше біполярних. Однак, відсутність необхідних технологій не дозволила втілити більш просту ідею керування. Польовий транзистор являє собою трьохелектродний прилад, в якому струм створюють основні носії заряду під дією повздовжнього електричного поля, а керування величиною цього струму здійснюється поперечним електричним полем, що створюється напругою, прикладеною до керувального електрода.

За конструктивними особливостями всі польові транзистори поділяються на дві групи: 1) польові транзистори з p-n-переходом та 2) польові транзистори з ізольованим затвором (МДНП- або МОНП-транзистор).

На рис. 2 наведено схематичне зображення конструкції польового транзистора з p-n-переходом і схема його включення. Тонкий шар напівпровідника типу n-(або p-), обмежений з двох боків p-n-переходами, називають КАНАЛОМ. Канал включають в електричне коло за допомогою двох омічних електродів, один з яких називають ВИТОКОМ (рос. ИСТОКОМ), а другий – СТОКОМ. Вивід, який приєднується в поперечному напрямку до областей p- (або n-) типу, є керувальним і носить назву ЗАТВОРА. Величина струму в каналі (за відсутності керувальної дії затвора) залежить від напруги, прикладеної між стоком і витоком, та опору напівпровідникової пластинки між цими виводами. Якщо для транзистора з n-каналом до затвора прикласти негативну відносно витоку напругу, то це призведе до збільшення товщини p-n-переходу і, відповідно, до зменшення площі перерізу каналу. Зі зменшенням перерізу каналу збільшується опір між стоком та витоком, що призводить до зменшення величини струму крізь канал.

Таким чином, керування струмом каналу здійснюється напругою на затворі, яка відповідає зворотній на керувальному p-n-переході. Оскільки керувальний струм дуже малий, то потужність керування – мізерна. В той же час струм каналу може бути досить великим, а керувальний вплив може знижувати його до нуля. Напруга на затворі, при якій струм крізь канал припиняється, називають НАПРУГОЮ ВІДСІЧКИ.

Польові транзистори з ізольованим затвором мають структуру метал-діелектрик (оксид) – напівпровідник. Тому їх часто називають МДНП- або МОНП-транзисторами (Рис. 3). Основою приладу служить пластинка (підкладка) з монокристалічного кремнію p-типу. Області стоку та витоку являють собою ділянки кремнію, сильно леговані домішками n-типу. Відстань між стоком та витоком – приблизно 1 мкм. Як діелектрик може використовуватись плівка двохокису кремнію, яка вирощується при високій температурі.

В залежності від полярності напруги, яка прикладається до затвора (відносно витоку), канал  може збіднюватися або збагачуватися носіями заряду (електронами). При негативній напрузі на затворі електрони провідності виштовхуються з області каналу в об`єм напівпровідника підкладки. При цьому канал збіднюється носіями заряду, що призводить до зменшенню струму в каналі. Позитивна напруга на затворі сприяє втягненню електронів з підкладки в канал. В цьому режимі, що отримав назву режиму збагачення, струм каналу зростає. На рис. 4 вказані умовні позначення транзисторів з  ізольованим затвором, котрі працюють в різних режимах.

СХЕМА ВКЛЮЧЕННЯ І ХАРАКТЕРИСТИКИ

Транзистор в еквівалентних схемах включення розглядається як активний чотирьохполюсник (Рис. 5). Оскільки транзистор має тільки три виводи (емітер, базу, колектор або витік, затвор, стік), то в схемі чотирьохполюсника один з виводів є спільним для входу і виходу. В залежності від того, який з виводів транзистора вибрано спільним,

розрізняють три схеми включення: зі спільною базою (затвором), спільним емітером (витоком) та спільним колектором (стоком).

Для дослідження властивостей транзистора звичайно використовують так звані ВХІДНІ та ВИХІДНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ. Вхідна характеристика – це залежність вхідного струму від вхідної напруги. Вихідна – залежність вихідного струму від вихідної напруги. В кожній зі схем включення вхідними і вихідними будуть різні ланки транзистора, тому й характеристики в різних схемах включення будуть відрізнятися.

Однією з найпоширеніших схем включення є схема зі спільним емітером (Рис. 6, а). Вхідною характеристикою в цьому випадку є функція струму бази від напруги між базою та емітером при постійній напрузі колектор-емітер (Рис. 6, б), а вихідною – зв`язок між струмом колектора і напругою між колектором та емітером при фіксований напрузі база-емітер (Рис. 6, в). Іноді замість вхідної характеристики користуються так званою ПЕРЕДАВАЛЬНОЮ – залежністю струму колектора від база-емітерної напруги при постійній напрузі колектор-емітер – як більш інформативною (Рис. 6, г).

Одною з особливостей біполярного транзистора є той факт, що колекторний струм на вихідній характеристиці мало змінюється після досягнення певного значення. Напруга, при котрій характеристика має вигин, називають напругою насичення Uнас (див. Рис. 6, в).

Іншою особливістю є те, що малої зміни вхідної напруги виявляється достатньо, щоб викликати відносно великі зміни колекторного струму. Це досить добре видно з передавальної характеристики, яка являє собою таку ж діодну експоненту, як і вхідна характеристика, з тією відмінністю, що поправочний коефіцієнт m в цьому випадку з великою точністю дорівнює одиниці.

Звичайно транзистор використовують в схемах підсилення відносно невеликих змінних напруг. Тому для розрахунку таких схем вводять деякі параметри транзисторів, зручні для опису його властивостей на тій чи іншій ділянці вольт-амперних характеристик. Назвемо деякі найбільш вживані. Залежність колекторного струму від напруги колектор-емітер на ділянці насичення вихідної характеристики описується ДИФЕРЕНЦІАЛЬНИМ ВИХІДНИМ ОПОРОМ – Rвих = dUке/dIк при Uбе = const. ДИФЕРЕНЦІАЛЬНИЙ ВХІДНИЙ ОПІР можна визначити за вхідною характеристикою Rвх = dUбе/dIб при Uке = const. Оскільки ця характеристика описується такою ж експоненційою функцією як і передавальна, то колекторний струм пропорційний базовому. Коефіцієнт пропорційності В = Iк/Iб називають СТАТИЧНИМ КОЕФІЦІЄНТОМ ПІДСИЛЕННЯ ЗА СТРУМОМ. Однак пропорційність має місце тільки в обмеженій області струму, тому що В залежить від Iк. Ця залежність показана на рис. 7. ДИФЕРЕНЦІАЛЬНИЙ КОЕФІЦІЄНТ ПІДСИЛЕННЯ ЗА СТРУМОМ в робочій точці визначається виразом:

  = dIк/dIб при Uке = const.

Залежність цієї величини від Iк також показана на рис. 7.

На рис. 8 зображено сімейство характеристик типового польового транзистора з керувальним p-n-переходом. Можна відмітити, що якісно ці характеристики подібні до характеристик біполярних транзисторів. При цьому стік відповідає колектору, витік – емітеру, а затвор – базі біполярного транзистора. Відмінність полягає в діапазоні напруг затвор-витік. Напруга, при якій струм Iс сягає мінімального значення, називають НАПРУГОЮ ВІДСІЧКИ. При напругах затвор-витік, більших за Uвідс, передавальна характеристика польового транзистора, представлена на рис. 8, а, описується рівнянням:

 Ic = Ic0 (1 - Uзв/Uвідс)2 ,     (3)

тут Ic0 – струм стоку при Uзв = 0. На практиці ця величина для польового транзистора з керувальним p-n-переходом є граничною, тому що позитивних напруг затвор-витік намагаються уникати, щоб не втрачати переваг, зумовлених малим струмом затвора.

З виразу (3) випливає, що струм стоку при Uзв = Uвідс повинен дорівнювати нулю. Фактично це виконується лише наближено. Тому правильніше було б визначити значення Uзв, при якому величина струму стоку сягає кількох мікроамперів. Отримане таким чином значення не завжди задовольняє рівність (1). Тому зручніше обчислювати величину  (Іс)1/2 як функцію Uзв та екстраполювати отриману пряму лінію до значення струму Іс = 0.

За передавальною характеристикою польового транзистора можна визначити такий його параметр, як КРУТИЗНА –  S = dIс/dUзв при Uсв = const. Максимального значення крутизна сягає при Іс = Іс0.

На рис. 8, б наведені вихідні характеристики польового транзистора. При малих значеннях Uсв струм Іс зростає приблизно пропорційно Uсв. Польовий транзистор в цій області режимів еквівалентний омічному опору, величина якого може керуватися напругою Uзв. В зоні насичення струму залишкова залежність струму від напруги Uзв характеризується як і у біполярного транзистора ДИФЕРЕНЦІАЛЬНИМ ВИХІДНИМ ОПОРОМ – Rвих = dUзв/dIс при Uсв = const.

Серед важливих характеристик транзисторів слід також вказати граничні параметри, які не можна перебільшувати. До них відносять максимально припустимі струми і напруги, а також (особливо для потужних транзисторів) максимально припустима потужність розсіювання. На рис. 9 зображено область припустимих значень напруг і струмів вихідної характеристики транзистора, зумовлених різними процесами, котрі відбуваються в ньому: максимальним колекторним струмом Ік.макс, максимальною тепловою потужністю розсіювання Рмакс, лавинним пробоєм і максимальною напругою колектор-емітер Uке. макс. Максимальна потужність розсіювання збільшується, якщо транзистор встановити на спеціальний тепловідвід (радіатор).

Для проведення лабораторної роботи використані: генератор гармонічних сигналів ГЗ-118, двоканальний осцилограф С1-83, аналогові або цифрові мікро-(мілі)амперметр та вольтметр, блок живлення (+15В,0,-15В), макетна плата.

Блок-схема експериментальної установки та потрібні з’єднання наведено нижче.

Вхідний сигнал беруть від генератора сигналів і подають на макет. Вихідні сигнали подають на І та ІІ канали осцилографа. Блок живлення використовують тільки у випадку вимірювань ВАХ “по точкам” (з міліамперметром і вольтметром).  

Для отримання вольт-амперних характеристик транзисторів знову можна скористатися можливостями двоканального осцилографа в режимі характериографа. Як Ви пам’ятаєте, для цього потрібно до горизонтально відхилювальних пластин (канал І в режимі X-Y) прикласти напругу, котра відкладається за горизонтальною віссю відповідної характеристики, а до вертикально відхилювальних пластин (канал ІІ) – напругу, котра пропорційна струму крізь досліджуваний об`єкт (в нашому випадку – транзистор).

На рис. 10 наведено схему пристрою, призначеного для вимірювання вихідних характеристик біполярних (а) та польових (б) транзисторів за схемою зі спільним емітером (стоком). До особливостей цієї схеми  слід віднести наявність додаткового джерела напруги для отримання сімейств вихідних характеристик при різних напругах на базі (затворі) транзистора за допомогою потенціометра. Крім того, вимірювання струму колектора замінене вимірюванням струму емітера внаслідок неможливості здійснення заземлення резистора, з якого знімали б напругу, пропорційну струмові колектора, і завдяки малій різниці між цими струмами (при коефіцієнті підсилення за струмом транзистора, більшому ніж 50, похибка не перебільшуватиме 2%).

Полярність напруги, котра подається в колекторне коло, повинна відповідати типу транзистора, що досліджується, і не повинна змінювати знак. Тому в схемі встановлено діод, який запобігає подачі зворотної півхвилі напруги від генератора гармонічних сигналів Г3-118.


Порядок виконання роботи

1. На макетному полігоні побудувати схему для вимірювання вольт-амперних характеристик транзисторів.

2. Отримати на екрані осцилографа і зарисувати сімейство (не менше п`яти) вихідних характеристик транзисторів, запропонованих викладачем.

3. Визначити з отриманих характеристик наступні параметри біполярного транзистора:

коефіцієнт підсилення за струмом і його залежність від Іке;

вихідний опір;

напругу насичення і її залежність від Іке;

польового транзистора:

крутизну;

напругу відсічки;

вихідний опір;

максимальний струм стоку Iс макс при Uзв = 0.

ЛІТЕРАТУРА

1. Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники. К.: Вища школа, 1989.- С.112-154.

2. Гершунский Б.С. и др. Справочник по основам электронной техники. К.: Вища школа.-С.280-300, 317-329.

3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982. - С.28-66.

4. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник / Под общ. ред. Н.Н.Горюнова. - М.: Энергоиздат,  1983.

ДОДАТОК

Позначення та маркірування транзисторів здійснюється за принципом, подібному до діодів.

Перша буква (або цифра) позначає матеріал:

 Г (або 1) - германій (Ge),

 К (або 2) - кремній (Si),

 А (або 3) - арсенід галію (GaAs).

Друга буква – тип приладу:

 Т - біполярний транзистор,

 П - польовий транзистор.

Далі йдуть три (або чотири) цифри, перша з яких (третій символ) позначає потужність та частотні властивості транзистору:

 1 - низькочастотний

 2 - середньочастотний      }малої потужності

 3 - високочастотний

 4 - низькочастотний

 5 - середньочастотний      }середньої потужності

 6 - високочастотний

 7 - низькочастотний

 8 - середньочастотний      }великої потужності

 9 - високочастотний

Наступні дві (три) цифри вказують номер розробки і, відповідно, визначають параметри конкретного транзистора, котрі вказуються в каталогах виробника або довідниках (див. наприклад, [4]).

Далі можуть йти літери, що відрізняють транзистори даної розробки.

Наприклад: КТ815Г – кремнієвий біполярний середньочастотний транзистор великої потужності,

 ГТ349А – германієвий біполярний  високочастотний транзистор малої потужності,

 2П1103А – кремнієвий польовий низькочастотний транзистор малої потужності.

В Таблиці 1 наведений зовнішній вигляд деяких транзисторів і вказані їх найбільш важливі параметри.


Рис. 1. Умовні позначення і схеми підключення джерел живлення для біполярних транзисторів типу n-p-n (а)  і  типу p-n-p (б).

Рис. 2. Умовні позначення і схеми підключення джерел живлення для польових транзисторів з
p–n-переходом:  а) канал n-типу
,  б) канал p-типу.

Рис. 3. Будова польового транзистора з ізольованим затвором.

Рис. 4. Умовні позначення польових транзисторів з ізольованим затвором: зі збагаченням і каналом p-типу (а)  і n-типу (б); зі збідненням і каналом p-типу (в)  і  n-типу (г).

(а)

(б)

Рис. 10. Схема пристрою для вимірювання вихідних характеристик біполярних (а)

та польових (б) транзисторів в схемі зі спільним емітером.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

4517. Продуктивність, забійні показники та якість м’яса курчат-бройлерів при згодовуванні ферментного препарату лодозим Респект 110.76 KB
  Метою даної роботи було вивчення впливу ферментного препарату Респект на забійні показники та якість м'яса бройлерів. У роботі проведено вивчення літературних наукових повідомлень з даної тематики. досліджено вплив ферментного препарату на швидкість та інтенсивність росту курчат.
4518. Особенности конструирования фрез Победа для обработки зубчатого колеса 17.68 MB
  Введение В настоящее время в машиностроении нашли применение крупногабаритные зубчатые колеса модулем 30 мм и более. Для нарезания зубьев на этих колесах используют модульные дисковые и пальцевые фрезы. При фрезеровании зубьев мн...
4519. Насосні станції. Навчально-методичний посібник 1.59 MB
  Вступ Ефективність роботи над курсом Насосні станції забезпечується путівником у вигляді структурованих модулів, в яких визначена послідовність виконання навчальних дій та характер їх виконання у вигляді символів. Основні положення при виконанні р...
4520. Радиоприемные устройства. Конспект лекций 1.58 MB
  Радиоприемные устройства В упрощенном изложении представлены принципы построения, основные схемотехнические и системотехнические решения и теоретические основы радиоприемных устройств. Рассмотрены структурные схемы радиоприемных устройств различного...
4521. Слово в телеэфире: Очерки новейшего словоупотребления в российском телевещании 868.5 KB
  Введение Растущее число научных и учебно-методических публикаций, в которых общекультурные, этические, социальные проблемы рассматриваются сквозь призму языковых явлений, свидетельствует о далеко не исчерпанных возможностях отечественной лингвистики...
4522. Автоматизированные информационно-управляющие системы 194.04 KB
  Цель работы Целью работы является изучение методов статистического моделирования временных рядов. Теоретическая часть Методы моделирования одномерных временных рядов Динамика рядов показателей состояния участков территориальных систем в общем случае...
4523. Практическое использование методов и средств диагностики 20.13 KB
  Практическое использование методов и средств диагностики Классификация диагностического оборудования В настоящее время нет достаточно четкой и полной классификации диагностического оборудования. Это создает определенные трудности при решении многих ...
4524. Расчет состава шихты, материального и теплового балан-сов агломерационного процесса 338.5 KB
  Введение Расчет агломерационной шихты ведут с целью определения такого соотношения между ее компонентами, которое обеспечит получение агломерата заданного качества. В простейшем случае при заданном расходе руды и коксовой мелочи необходимо вычислить...
4525. Грошово-кредитні системи зарубіжних країн 989 KB
  Розглянуто етапи еволюції грошово-кредитних систем, охарактеризовано їхні основні складові. Проаналізовано грошово-кредитну політику країн із розвиненою економікою. Окремий розділ присвячено огляду діяльності міжнародних валютно-кредитних та фінансо...