Практическая работа №17 биполярный транзистор

Цель работы: Изучить принцип работы, схемы включения, усилительные свойства и характеристики биполярных транзисторов.

Вопросы к работе:

1. Дать определение транзистора и его областей: эмиттер, коллектор, база.

2. Каким образом происходит усиление сигнала в транзисторе?

3. Записать определение и величину коэффициента усиления по току.

1. Что называют тепловым током?

4. Какими сопротивлениями обладают эмиттерный и коллекторный переходы?

5. Начертить схемы включения транзисторов:

а) с общей базой

б) с общим эмиттером

в) с общим коллектором

7. Начертить статические характеристики биполярного транзистора p-n-p-типа. включенного по схеме с общим эмиттером. Дать пояснение.

8. Пояснить устройство плоскостного германиевого транзистора p-n-p-типа.

9. Достоинства и недостатки биполярных транзисторов.

10. Рассмотрев схемы включения транзисторов, заполнить таблицу 1:

Таблица 1

Параметры	Схема ОЭ	Схема ОБ	Схема ОК
К I
К U
КР
Rвх
Rвых
Фазовый сдвиг между Uвых и Uв х

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя р-n-переходами, предназначенный для усиления и генерирова­ния электрических колебаний и представляющий собой пластину крем­ния или германия, состоящую из трех областей. Две крайние области всегда обладают одинаковым типом проводимости, а средняя — про­тивоположной проводимостью. Транзисторы, у которых крайние об­ласти обладают электронной проводимостью, а средняя — дырочной проводимостью, называются транзисторами n-p-n-типа (рис.1, а): транзисторы, у которых крайние области обладают дырочной, а сред­няя электронной проводимостями — транзисторами р-n-р-типа (рис.1, б). Физические процессы, происходящие в транзисторах двух типов, аналогичны и различие между ними заключается в том, что по­лярности включения источников питания их противоположны, а также в том, что если в транзисторе n-p-n -типа электрический ток создается в основном электронами, то в транзисторе р-n-р-типа — дырками. Смежные области, отделенные друг от друга p-n-переходами, называ­ются эмиттером Э, базой Б и коллектором К.

Эмиттер является областью, испускающей (эмиттирующей) но­сители зарядов электронов в транзисторе n-p-n -типа и дырок в тран­зисторе р-n-р-типа, коллектор — область, собирающая носители зарядов, б а з а — средняя область, основание.

В условиях работы транзистора к левому р-n-переходу приклады­вается напряжение эмиттер — база U_э в прямом направлении, а к правому р-n-переходу—напряжение база—коллектор Uк — в обрат­ном. Под действием электрического поля большая часть носителей зарядов из левой области (эмиттера), преодолевая р-n-переход, пере­ходит в очень узкую среднюю область (базу). Далее большая часть но­сителей зарядов продолжает двигаться ко второму переходу и, прибли­жаясь к нему, попадает в электрическое поле, созданное внешним ис­точником U_K. Под влиянием этого поля носители зарядов втягиваются в правую область (коллектор), увеличивая ток в цепи батареи Uк .

Коллектор

Если увеличить напряжение Uэ, то возрастает количество носителей зарядов, перешедших из эмиттера в базу, т. е. увеличится ток эмиттера на некоторую величину ΔIэ. При этом также увеличится ток коллекто­ра на величину ΔIк.

Эмиттер База Коллектор

Рис. 1. Принцип работы и условное обозначение транзистора: a —n-p-n, б—р-п-р

В базе незначительная часть носителей зарядов, перешедших из эмиттера, рекомбинирует со свободными носителями зарядов проти­воположной полярности, убыль которых пополняется новыми носите­лями зарядов иа внешней цепи, образующими ток базы I_б. Таким обра­зом, ток коллектора Iк=Iэ-Iб окажется меньше тока эмиттера, незначительно отличаясь от последнего. Отношение α=ΔIк/ΔIэ, при Uк=const называется к о э ф ф и ц и е н т о м у с и л е н и я п о т о к у и обычно имеет значение α=0,9÷0,995.

Если цепь эмиттер — база разомкнута и ток в ней равен нулю

Iэ=0, а между коллектором и базой приложено напряжение Uк, то в цепи коллектора будет проходить небольшой обратный (тепловой) ток I_ко, обусловленный неосновными носителями зарядов. Этот ток в сильной степени зависит от температуры и является одним из пара­метров транзистора (меньшее его значение соответствует лучшим ка­чествам транзистора).

Так как левый (эмитгерный) р-n-переход находится под прямым напряжением, то он обладает малым сопротивлением. На правый же (коллекторный) p-n-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 Uэ, создает примерно такое же изменение тока в цепи коллектора, где действует значительно большее напряжение U_к, в резуль­тате чего транзистор осуществляет усиление мощности.

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.

Рис. 2. Схемы включения с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором транзисторов:

а - n-p-n, б -р-п-р

Возможны три схемы включения транзисторов n-р-n-типа (рис. 2, а) и р-n-р-типа (рис. 2, б): 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 ΔU_вх вызывает увеличение тока эмиттера I_э, что приводит к увеличению как тока коллектора I_к так и напряжения выхода ΔU_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 эмитгерный 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 ее 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 по 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 и 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 кило-омов. 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 / ΔI_к при U_к=const и может иметь значения β=10÷200 для различных транзисторов. Учитывая равенства

I_э= I_к- I_б, α= ΔI_к/ ΔI_э

получим

Коэффициент усиления по напряжению К_U для схемы с ОЭ того же порядка, что и для схемы с ОБ. Коэффициент усиления по мощности К_P=К_iК_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°, как это видно из схемы: положительные прира­щения входного напряжения вызывают отрицательнее 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

В ходное сопротивление схемы с ОК велико (десятки килоомов) а выходное сопротивление мало (до 1÷2 кОм). Коэффициент усиления по напряжению схемы с общим коллектором ОК К_U=0,9÷0,95 т е близок к единице, и эту схему часто называют эмиттерным повтори­телем. Схема с общим коллектором ОК используется для согласования отдельных каскадов усиления, источника сигнала или нагрузки с усилителем.

Рис.

3. Статические характеристики транзистора типа р-п-р, включенного по схеме с общим эмиттером:

а – входные , б – выходные

Характеристиками транзистора называются зависимости между токами и напряжениями во входной и выходной цепях. При разных схемах включения транзистора входные и выходные цепи различны, следовательно, и характеристики представляют собой зависимости различных величин для каждой схемы включения.

Так, для схемы с общим эмиттером ОЭ входной цепью является цепь базы и входная характеристика отражает зависимость тока базы от напряжения эмиттер — база при постоянном напряжении между эмиттером и коллектором, т. е. I_б = f (U_эб) при U_эк=const. Выходной цепью для этой схемы является цепь коллектора и выходной характе­ристикой — зависимость тока коллектора от напряжения эмиттер — коллектор при неизменном токе базы, т. е. I_к = f (U_эк) при I_б=const. На рис. 3, a и б показан примерный вид входных и выходных характеристик транзистора типа p-n-p. При малых значениях напря­жения между эмиттером и базой U_эб ток базы растет медленно из-за большого сопротивления р-n-перехода, которое с увеличением тока уменьшается. С увеличением коллекторного напряжения U_эк входные характеристики смещаются вправо, т. е. с увеличением U_эк необ­ходимо повысить напряжение U_эб, для того чтобы ток базы остался

неизменным. Выход­ные характеристики показывают, что в рабочей области на­пряжение U_эк незна­чительно влияет на коллекторный ток I_к , так как в основном он зависит от количе­ства дырок, инжек­тируемых в базу, т. е. от тока эмиттера.

Рис. 4. Устройства плоскостного германиевого тран­зистора типа р-п-р:

1 — кристаллодержатель, 2 — коллекторный переход, 3 — база, 4 — вывод базы, 5 —вывод эмиттера, 6 — эмиттер, 7— эмиттерный переход, 8 — коллектор, 9 — вывод коллектора

Устройство плос­костного германиево­го транзистора р-п-р-типа показано на рис. 4. Базой является пластина 3 из кристаллического германия с электронной проводимостью. С двух сторон в пластину вплавлены индиевые электроды, служащие эмиттером 5 и коллекто­ром 8. При плавлении индия между каждым из этих электродов и гер­маниевой пластиной — базой образуются области с дырочной прово­димостью и создаются эмиттерный 7 и коллекторный 2 р-n-переходы. Коллектор 8 крепится на кристаллодержателе 1, от которого наружу проходит вывод коллектора 9. Выводы от эмиттера 5 и базы 4 изоли­рованы от корпуса стеклянными проходными изоляторами. Транзис­тор помещается в металлический корпус.

Транзисторы по сравнению с электронными лампами имеют сле­дующие преимущества: большую механическую прочность и долго­вечность, постоянную готовность к работе, малые габариты и массу, низкое напряжение питания и высокий кпд; кроме того, отсутствует цепь накала и, следовательно, упрощена схема и нет потребления мощности для разогрева катода.

К недостаткам транзисторов относится зависимость режима ра­боты его от температуры окружающей среды, небольшая выходная мощность, чувствительность к перегрузкам, разброс параметров, вследствие которого отдельные транзисторы одного типа значительно отличаются друг от друга по своим параметрам.