Задание и порядок выполнения работы

1. Начертить принципиальную схему для измерения ВАХ полевого транзистора в схеме с общим истоком с указанием полярности измерительных приборов и источников питания. Выписать из приложения 4 тип и основные параметры исследуемого транзистора.

2. Снять семейство выходных характеристик полевого транзистора.

Собрать схему измерения (рис. 18).

Рис. 18. Схема для исследования ВАХ полевого транзистора

На графике-заготовке для выходных характеристик построить кривую допустимой мощности. Напряжение сток-исток U_си выставить равным 10 В. Экспериментально определить напряжение отсечки U_отс, т. е. такое напряжение на затворе, при котором I_c = 1 мкА. Снять семейство выходных характеристик для значений U_зи=0; 0,2U_отс; 0,4U_отс; 0,6U_отс; 0,8U_отс, изменяя U_си от 0 до 10 В.

Указать значение тока насыщения I_с.нас и напряжения насыщения U_{си нас}, используя выходную ВАХ для U_зи=0.

3. Снять семейство проходных характеристик для U_си=0,5 В; 1 В; 2 В; U_{си. нас}; U_си>U_си.нас.

Обработка экспериментальных данных

1. Определить крутизну S_макс характеристики, снятой для U_си.нас в точке U_зи=0.

2. Определить напряжение отсечки, используя соотношение

U_отс = 2I_с.нас / S_макс

3. Определить крутизну и внутреннее сопротивление полевого транзистора при U_си > U_си.нас и U_зи=0,4U_отс.

Выполнение отчета

Отчет по лабораторной работе выполняется индивидуально каждым студентом и должен содержать:

1. название и цель работы;

2. схемы проведения измерений с указанием типов измерительных приборов;

3. параметры исследованного полевого транзистора;

4. графики измеренных ВАХ;

5. результаты обработки экспериментальных данных;

6. выводы по результатам работы.

Вопросы для самоконтроля и подготовки к защите

1. Перечислить основные типы полевых транзисторов и дать им краткую характеристику.

2. Нарисовать упрощенную структуру полевого транзистора с управляющим переходом и описать принцип его работы.

3. Нарисовать семейства выходных ВАХ и ВАХ передачи полевого транзистора с управляющим переходом.

4. Каким образом может быть использован полевой транзистор с управляющим переходом при работе на крутой и пологой областях выходных ВАХ?

5. Что такое крутизна полевого транзистора и как она определяется по ВАХ?

6. Что такое напряжения отсечки и как оно определяется по ВАХ?

7. Что такое начальный ток стока и как он определяется по ВАХ?

8. Нарисовать схему снятия ВАХ полевого транзистора с управляющим переходом с n- и p- каналом.

9. Каким образом влияет изменение температуры на ВАХ полевого транзистора с управляющим переходом?

10. Перечислить основные достоинства полевых транзисторов по сравнению с биполярными.

Лабораторная работа № 4 исследование биполярного транзистора в режиме переключения

Цель работы – изучение работы биполярного транзистора в ключевом режиме, исследование влияния режима работы транзистора и элементов схемы ключа на длительность переходных процессов в ключевой схеме.

Краткие сведения о работе биполярного транзистора в ключевом режиме

На основе биполярного транзистора может быть построен электронный ключ - устройство, которое под действием управляющего сигнала замыкает или размыкает электрическую цепь. При этом транзистор в режиме отсечки эквивалентен разомкнутому ключу, а в режиме насыщения – замкнутому. На рис. 19, а, б представлены схема и временные диаграммы работы простейшего ключа на p-n-p транзисторе, включенном в схеме ОЭ. Для ряда пояснений на рис 19, в приведены выходные ВАХ биполярного транзистора и нагрузочная прямая для выходной цепи ключа.

Рис. 19. Схема ключа на биполярном транзисторе (а), упрощенные временные диаграммы его работы (б), выходные ВАХ биполярного транзистора с нагрузочной прямой (в)

При U_вх=U_зап>0 транзистор заперт, т. е. находится в режиме отсечки (рис. 19, в, точка А), т. к. оба его перехода под обратным напряжением. Через нагрузку протекает чрезвычайно малый обратный коллекторного перехода I_кбо, а напряжение на коллекторе U_кэ=Е_к - I_кбоR_к≈ Е_к. Если теперь на вход подать отпирающее напряжение U_отп<0 и увеличивать его по модулю, то возрастает базовый ток I_б и рабочая точка транзистора двигается по нагрузочной прямой от т. А вверх. При этом I_к возрастает, а |U_кэ| уменьшается, а также уменьшается напряжение на коллекторном переходе |U_кб|. Пока оно остается обратным, транзистор остается в активном режиме. Транзистор переходит в режим насыщения, когда напряжение на коллекторном переходе меняет знак, т. е. становится прямым. Для этого нужно, чтобы I_б превысил базовый ток насыщения I_бн, тогда при дальнейшем росте I_б ток коллектора остается неизменным и равным коллекторному току насыщения I_кн = βI_бн, а U_кэ также остается неизменным и равным U_{кэ нас} (рис. 19, в, точка В). С другой стороны

I_кн = (Е_к - U_{кэ нас}) / R_к ≈ Е_к / R_к ,

т. к. обычно U_{кэ нас} << Е_к . Таким образом, в режиме насыщения транзистор эквивалентен замкнутому ключу, т. к. ток через нагрузку R_к, равный I_кн, определяется R_к и Е_к и практически не зависит от транзистора. Для характеристики режима насыщения вводится параметр, называемый степенью насыщения

S = I_б / I_бн = βI_б / I_кн

Обычно S выбирают в пределах 2 – 10. Входное напряжение, обеспечивающее режим насыщения с заданным значением S, определяется следующим образом:

U_отп = I_б R_б + U_{бэ нас},

причем I_б = SI_бн = SI_кН/β.

Переход транзистора из режима отсечки в режим насыщения и наоборот происходит не мгновенно. Длительность процессов включения и выключения определяется процессами накопления и рассасывания зарядов в базе транзистора, а также перезарядом емкостей его переходов. На рис. 20 представлены временные диаграммы работы ключа для случая, когда длительность импульса входного напряжения соизмерима с длительностью переходных процессов в схеме.

На интервале 0…t₁ входное напряжение U_вх=U_зап>0, транзистор находится в режиме отсечки. В момент t₁ напряжение на входе скачком меняется на U_отп<0, но I_к остается близким к 0, а U_кэ остается практически равным -Е_к, т.е. наблюдается задержка включения. U_бэ не может измениться мгновенно, т. к. происходит заряд входной емкости ключа C_вх=C_эб+C_кб через R_б. Поэтому U_бэ уменьшается с постоянной времени τ_вх= R_бC_вх, стремясь к уровню U^-. В момент t₂ U_бэ достигает порогового значения U_{бэ пор}, при

Рис. 20. Переходные процессы в ключе на биполярном транзисторе

котором транзистор начинает открываться (примерно 0,3 В для германиевых и 0,6 В для кремниевых транзисторов). Время задержки включения t_зд можно найти по формуле

На интервале t₂-t₃ ток базы остается неизменным и равен I_{б отп}., а i_к возрастает с постоянной времени τ_{β экв} = τ_β + βR_кC_кб и стремится достигнуть уровня βI_{б отп}. Однако в

момент t₃ транзистор входит в режим насыщения и i_к ограничивается величиной I_кн. Время нарастания коллекторного тока t_н= t₃-t₂ можно определить следующим образом:

Напряжение U_кэ на интервале t₁-t₃ меняется синхронно с током коллектора, достигая в момент t₃ значения U_{кэ нас}. Время, необходимое для перевода ключа в замкнутое состояние, называют временем включения:

t_вкл= t_зд + t_н

Обычно t_зд значительно меньше t_н, поэтому при выполнении экспериментальной части данной лабораторной работы измерение t_зд не проводится.

Пока транзистор находится в режиме насыщения, за счет инжекции носителей заряда из эмиттера и коллектора в базу происходит накопление в базе избыточного заряда. Этот процесс можно охарактеризовать постоянной времени накопления τ_нак, которая обычно превышает τ_{β экв}. За время порядка 3τ_нак накопление избыточного заряда в базе завершается. Очевидно, с ростом степени насыщения накопленный в базе заряд возрастает. Далее до момента смены полярности входного напряжения токи и напряжения в схеме остаются неизменными.

В момент t₄ входное напряжение вновь становится равным U_зап. Имеет место бросок обратного тока базы I_{б зап} = U_зап / R_б, обусловленный движением неосновных носителей, накопленных в базе на этапе насыщения, обратно в эмиттер. На интервале t₄-t₅ этот ток остается постоянным. Пока в базе транзистора сохраняется избыточный заряд, транзистор насыщен, поэтому на интервале t₄-t₅ коллекторный ток также остается постоянным и практически равным I_кн. Токи базы и коллектора на интервале t₄-t₅, а также рекомбинация носителей заряда в базе являются причиной рассасывания заряда в базе, т. е. уменьшения накопленного в базе заряда с постоянной времени τ_нак. Время рассасывания t_р= t₅-t₄ может быть определено по формуле

.

В момент t₅ процесс рассасывания заряда в базе завершается, транзистор переходит из режима насыщения в активный режим. На интервале t₅-t₆ коллекторный ток уменьшается с постоянной времени τ_{β экв}, стремясь к уровню -βI_{б зап}. Однако в момент t₆ коллекторный ток уменьшается до I_кбо, близкого к нулю, и транзистор входит в режим отсечки. Время спада тока коллектора t_с= t₆-t₅ может быть определено по формуле

.

Базовый ток на интервале t₅-t₆ также плавно уменьшается от I_{б зап} практически до 0.

Время, необходимое для перевода ключа в разомкнутое состояние, называют временем выключения:

t_выкл= t_р + t_с

Следует отметить, что если в выходной цепи ключа имеется емкость C_вых, то одновременно с запиранием транзистора происходит заряд C_вых через резистор R_к. При больших τ_вых = R_кC_вых этот процесс может продолжаться даже после перехода транзистора в режим отсечки, тогда на интервале t₅-t₆ напряжение U_кэ меняется от -U_{кэ нас} до -Е_к медленнее, чем i_к, т. е. время спада выходного напряжения t`_с > t_с.