Питання і завдання для повторення:

2. 1. Що таке напівпровідниковий стабілітрон?

   2. Що називають пробоєм р-n- переходу?

   3. Які існують види пробою р-n- переходу і в чому їх принципова різниця?

   4. Які види пробою використовуються в стабілітронах?

   5. Намалюйте вольт-амперну характеристику стабілітрона, вкажіть на ній ділянку стабілізації.

   6. Поясніть принцип роботи найпростішої схеми стабілізації напруги.

   7. Перерахуйте основні параметри стабілітронів.

   8. Що таке ТКН і як він визначається?

   9. Чим обмежений мінімальний та максимальний струми стабілізації?

   10. Перерахуйте області застосування стабілітронів.

Лабораторна робота № 3. Дослідження біполярного транзистора.

Мета: вивчення принципу дії та властивостей біполярного транзистора, дослідження його характеристик, ознайомлення з основними параметрами та використанням біполярних транзисторів.

Програмне забезпечення: програмне забезпечення комп'ютерного моделювання електронних схем (програма Electronic Workbench).

Основні теоретичні відомості

Транзистором називають електронний напівпровідниковий прилад, призначений для посилення, генерування та перетворення електричних коливань. Зазвичай виділяють два класи транзисторів: біполярні транзистори (БТ) й польові транзистори.

У БТ струм через кристал обумовлений рухом носіїв заряду обох знаків (і електронів, і дірок).

У польових транзисторах протікання струму через кристал обумовлено рухом носіїв заряду одного знака (електронів чи дірок).

БТ називають напівпровідниковий прилад з двома взаємодіючими pn-переходами і трьома виводами. Він має структуру, що складається з чергуються областей з різними типами електропровідності: npn або pnp (мал.3.1).

Принцип роботи БТ обох структур однаковий, вони відрізняються тільки полярністю підключення джерел живлення. Розглянемо роботу БТ на прикладі структури npn. У пластину напівпровідника p-типу з низькою концентрацією дірок наплавляються з двох сторін таблетки донорної домішки. Атоми донорної домішки проникають в кристал, створюючи n-області. Між n-областями і напівпровідником p-типу утворюються pn-переходи. При цьому в одній n-області створюють велику концентрація домішок (на рис. - У лівій n-області), ніж в іншій. Найменша концентрація домішки залишається в середній області p-типу. Зовнішня область з найбільшою концентрацією домішки називається емітером, друга зовнішня область - колектором, а внутрішня область - базою. Електронно-дірковий перехід між емітером і базою називають емітерний перехід, а між колектором і базою - колекторним переходом. Відповідно до концентрацією основних носіїв заряду база є високоомній областю, колектор - низкоомной, а емітер - самої низкоомной. Товщина бази дуже мала і становить одиниці мкм; площа колекторного переходу в кілька разів перевищує площу емітерного переходу.

Мал. 3.1. Пристрій і умовні графічні позначення біполярних транзисторів: а - npn-структури; б - pnp-структури (стрілка емітера спрямована у напрямку прямого струму в переході база-емітер)

Застосування БТ для посилення електричних коливань засноване на його принципі дії як керованого електронного приладу. У схемі включення транзистора (рис.3.2) до емітерного переходу повинен бути доданий пряму напругу, а до колекторному - зворотне. Якщо на емітерний перехід немає напруги, то через колекторний перехід протікає дуже невеликий зворотний струм Iкобр. У порівнянні з робочим струмом їм можна знехтувати для спрощення міркувань і вважати, що в колекторному ланцюзі струму немає, тобто транзистор закритий.

При подачі на емітерний перехід прямої напруги від джерела харчування Ее відбувається інжекція носіїв заряду з емітера в базу, де вони є неосновними. Для транзистора npn цими носіями заряду є електрони. Рух електронів в процесі інжекції через емітерний перехід створює струм емітера Iе. Електрони, що перейшли в базу, мають поблизу pn-переходу підвищену концентрацію, що викликає дифузію їх в базі. Товщина бази дуже мала, тому електрони в процесі дифузії опиняються поблизу колекторного переходу. Велика їх частина не встигає рекомбінувати з дірками бази і втягується пришвидшує електричним полем колекторного переходу в область колектора. Відбувається екстракція електронів під дією зворотної напруги з бази в колектор. Рух електронів в процесі екстракції з бази в колектор створює струм колектора Ік. Незначна частина інжектіруемих з емітера в базу електронів рекомбінують в області бази з дірками, кількість яких поповнюється із зовнішнього кола від джерела Ее. За рахунок цього в ланцюзі бази протікає струм бази Iб. Він дуже малий з-за невеликої товщини бази і малої концентрації основних носіїв заряду - дірок. За цих умов число рекомбінацій, що визначають величину струму бази, невелика.

Мал.3.2. Схема підключення БТ до джерел живлення

Струм колектора управляється струмом емітера: якщо збільшиться струм емітера, то практично пропорційно зросте струм колектора. Струм емітера може змінюватися у великих межах при малих змінах прямої напруги на емітерний перехід.

Струми трьох електродів транзистора пов'язані співвідношенням:

Iе = Ік + Iб.

Струм бази значно менше струму колектора, тому для практичних розрахунків часто вважають Ік = Iе.

Принцип дії pnp-транзистора аналогічний розглянутому, але носіями заряду, що створюють струми через pn-переходи в процесі інжекції і екстракції, є дірки; полярність джерел Ее і Ек повинна бути змінена на протилежну, відповідно зміняться і напрямки струмів у ланцюгах. На підставі розглянутих процесів можна зробити висновок, що БТ як керований прилад діє за рахунок створення транзитного (проходить) потоку носіїв заряду з емітера через базу в колектор і управління струмом колектора шляхом зміни струму емітера. Таким чином, біполярний транзистор управляється струмом.

Струм емітера як прямої струм pn-переходу змінюється значно при дуже малих змінах напруги на емітерний перехід і викликає, відповідно, великі зміни струму колектора.

На цьому засновані підсилювальні властивості транзистора. Досліджувана схема показана на рис.3.3. Статичний коефіцієнт передачі струму

.

Коефіцієнт передачі струму визначається відношенням приросту колекторного струму до викликає його приросту базового струму:

.

Диференціальне вхідний опір БТ в схемі з загальним емітером (ОЕ) визначається при фіксованому значенні напруги колектор-емітер. Воно може бути знайдено як відношення приросту напруги база-емітер до викликаного їм збільшенню струму бази :

.

Диференціальне вхідний опір БТ у схемі з ОЕ через параметри транзистора визначається наступним виразом:

,

де - Розподілений опір базової області, - Диференціальний опір переходу база-емітер, визначається з виразу:

rЕ = 25/IЕ, де IЕ - постійний струм емітера (в мА). Оскільки << , То можна використовувати формулу: .

Мал.3.3

Диференціальний опір для БТ порівнянно з диференціальним вхідним опором БТ у схемі із загальною базою , Яке визначається при фіксованому значенні напруги база-колектор:

.

Через параметри БТ це опір визначається виразом:

.

Оскільки. <<Rе, то можна вважати, що .