Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова» (ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова») Кафедра «Радиотехника» Дисциплина «Электроника» Отчет по лабораторной работе «Исследование статических характеристик и параметров биполярных транзисторов» Выполнил: Студент гр. Б21-761-1з Толстогузов И.В. Преподаватель: профессор кафедры «Радиотехника» Демаков Юрий Павлович Ижевск 2023 1. Цель работы Целью лабораторной работы является исследование основных статических характеристик и параметров биполярных транзисторов, знакомство с методикой измерения характеристик и обработкой экспериментальных данных. 2. Задание на выполнение работы Задание 1. Измерить входную и управляющие характеристики выданного биполярного транзистора Задание 2. Измерить семейство выходных характеристик Задание 3. Обработать результаты, полученные в ходе лабораторной работы 3. Описание лабораторной установки, методики измерений, параметры исследуемых приборов Объект исследования: биполярный транзистор МП37Б. Его характеристики: Структура N-p-n, Ge, сплавной h21Э fh21Э(fT), МГц IK доп, мА UКЭ ДОП, В РК ДОП, мВт τК, мкс СК(10В), пФ 20...50 1,0 20 15 150 - 40 Лабораторная работа выполняется на специальном лабораторном стенде с использованием измерительных приборов: вольтметров и амперметров. Рисунок 1 - Схема подключения оборудования Рисунок 2 - Пример схемы соединений при выполнении лабораторной работы 2 В ходе работы, собрав схему измерения, при постоянном потенциале между коллектором и эмиттером (UКЭ = 5В) измерили входные (IБ = f(UБЭ)) и управляющую (IК = f(UБЭ)) характеристики транзистора. Результаты измерений занесли в Таблицу 1, по данным которой были составлены соответствующие графики (График 1 и График 2). Затем, при переменном UКЭ, и последовательно применяемым постоянным токам базы IБ 50, 100, 150 и 200 мкА, произвели измерение выходных характеристик транзистора (Таблица 2). Опираясь на полученные данные, построили семейство выходных характеристик (График 3) и выходную характеристику транзистора при токе базы 100 мА (График 4). По приведенным формулам рассчитали h-параметры транзистора. 4. Экспериментальные результаты (таблицы, графики), результаты расчётов. Таблица 1 — Входные и управляющие характеристики биполярного транзистора МП37Б Параметр Единицы измерения Результаты измерений ЕБ В 3,71 3,35 3 2,7 2,4 2 1,7 1,6 1,4 1,2 0,9 0,4 UБЭ В 0,23 0,22 0,22 0,21 0,21 0,2 0,2 0,2 0,19 0,18 0,17 0,14 IБ мкА 329 296 267 236 206 175 146 135 114 99 65 26 IК мА 20 18 16 14 12 10 8 7 6 5 3 1 Таблица 2 — Выходные характеристики транзистора МП37Б IБ, мкА 50 100 150 200 Результат измерений UКЭ В 0,03 0,08 0,1 0,2 1 2 3 4 8 10 12 15 IK мА 0,12 0,8 1,2 1,8 1,9 1,9 2 2 2,2 2,3 2,4 2,5 UКЭ В 0,03 0,06 0,08 0,1 0,12 0,15 0,2 1 2 4 8 15 IK мА 0,3 1 1,8 2,6 3 3,7 4 4,2 4,4 4,6 5 5,6 UКЭ В 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,2 0,8 1,5 4 8 15 IK мА 0,6 0,7 1,5 3 4 5 6,5 7 7,3 8 9 11 UКЭ В 0,02 0,04 0,08 0,1 0,12 0,14 0,2 1 4 8 10 15 IK мА 0,2 1 3,3 5,3 6,5 8 9,3 10 11 13 13,5 14 3 4 5 6 Обработка результатов измерений Из линейной аппроксимации Графика 4 видим что UКЭ.НАС = 0,2 В, IК.НАС = 4 мА. Выходное сопротивление тр-ра в режиме насыщения (при UКЭ < UКЭ.НАС): 𝑟К.НАС = 𝛥𝑈КЭ 0,12 = = 40(Ом) 𝛥𝐼𝐾 3 ∗ 10−3 Выходное сопротивление тр-ра в активном режиме (при UКЭ > UКЭ.НАС): 𝑟𝐾 = 𝛥𝑈КЭ 15 = = 2586(Ом) 𝛥𝐼К 5.8 ∗ 10−3 Определение h-параметров транзистора в точке UКЭ = 5 В, IБ = 100 мкА: 0,18 БЭ Входное сопротивление тр-ра: ℎ11Э = 𝛥𝑈 = 99∗10−6 = 1,82 ∗ 10−3 (Ом) 𝛥𝐼 Б −3 5∗10 𝐾 Коэффициент усиления по току: ℎ21 = 𝛥𝐼 = 99∗10−6 = 50,5 𝛥𝐼 Б 𝛥𝐼𝐾 Выходная проводимость: ℎ22 = 𝛥𝑈 КЭ = 5∗10−3 8 7 = 0,625 ∗ 10−3 = 0,625(мСм) 5. Вывод В ходе выполнения лабораторной работы мы исследовали основные характеристики биполярного транзистора, а также получили представление о методике их определения. Результаты прямых и косвенных измерений, полученных при выполнении работы, примерно соответствуют табличным значениям характеристик исследуемого транзистора. 6. Контрольные вопросы 1. Какие физические процессы положены в основу работы транзистора? Что такое коэффициент инжекции, коэффициент переноса, коэффициент усиления тока эмиттера и как связаны между собой? В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: инжекция из эмиттера в базу, диффузия через базу, рекомбинация в базе, экстракция из базы в коллектор. Коэффициент инжекции γЭ показывает, какую часть составляет полезный ток инжекции электронов из эмиттера в базу в полном токе эмиттера. Коэффициент переноса χБ показывает, какая часть электронов, инжектируемых из эмиттера в базу, достигает коллекторного перехода; значение χБ тем ближе к единице, чем меньше электронов рекомбинирует в базе при их движении к коллектору. Коэффициентом усиления по току называется отношение приращения тока на выходе к приращению тока на входе. Также различают коэффициенты усиления по напряжению и мощности, которые находятся аналогичным способом. 2. Что такое модуляция толщины базы и какое она оказывает влияние на работу транзистора? Изменение толщины базы транзистора в результате изменения ширины слоев пространственных зарядов р-п переходов при изменении напряжения на них называется модуляцией толщины базы или эффектом Эрли. Изменение ширины базы существенно влияет на физические процессы в ней. Изменяется соотношение между током коллектора и базы, плотность 8 диффузионного дырочного тока тоже изменяется. Уменьшение толщины базы снижает число рекомбинаций дырок при их диффузии через базу и увеличивает коэффициент переноса дырок χ и ток коллектора Iк. Увеличение толщины базы (при Uэ.п.=const) приводит к уменьшению тока эмиттера. 3. Какими дифференциальными сопротивлениями и ёмкостями характеризуется транзистор? Упрощенную схему транзистора можно получить из нелинейной динамической модели заменой эмиттерного и коллекторного диодов их дифференциальными сопротивлениями, устанавливающими связь между малыми приращениями напряжения и тока. При подобном упрощении, транзистор будут характеризовать: - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (RЭ); - дифференциальное сопротивление коллектора (RK); - сопротивление базы (rББ); - барьерная емкость эмиттерного перехода (Сэ); - барьерная емкость коллекторного перехода (СК); 4. Какой вид имеют статические характеристики в схемах с ОЭ, ОБ, ОК? Статические характеристики транзистора в схеме с ОБ 9 Статические характеристики транзистора в схеме ОЭ Статические характеристики транзистора в схеме ОК 5. Перечислите первичные и h-параметры транзистора и покажите, как определяются коэффициенты усиления тока α и β по характеристикам. Первичные параметры характеризуют связь между постоянными составляющими тока и напряжения в транзисторе. К ним относятся резистивные элементы схемы замещения транзистора: сопротивления базы, коллектора и эмиттера. Вторичные параметры характеризуют связь между переменными составляющими токов и напряжений на входе и выходе транзистора. В этом случае транзистор рассматривается как четырёхполюсник и для оценки его свойств используется система уравнений формы Н. В области частот до сверхвысокочастотного диапазона вторичные параметры обозначаются через малые h. БЭ Входное сопротивление транзистора находится из соотношения: ℎ11Э = 𝛥𝑈 𝛥𝐼 Б 𝐾 Коэффициент усиления по току определяется как: ℎ21 = 𝛥𝐼 𝛥𝐼 Б 10 𝛥𝑈БЭ Коэффициент обратной связи задаётся соотношением ℎ12 = 𝛥𝑈 КЭ 𝛥𝐼𝐾 Выходная проводимость может быть найдена из формулы: ℎ22 = 𝛥𝑈 КЭ 6. Объясните физический смысл коэффициента переноса носителей тока в базе. Если ширина базы меньше длины пробега носителей заряда, не все дырки успевают рекомбинировать с электронами базы — какая-то их часть будет втягиваться в коллектор. Коэффициент, показывающий, какая часть дырок достигает коллекторного перехода, называется коэффициентом переноса. Т.е. его можно определить как вероятность переноса через базу электронов, инжектированных через эмиттерный переход, до коллекторного перехода без рекомбинации. 7. Чем обусловлено появление обратного тока коллектора? Ток коллектора обусловлен экстракцией неосновных носителей базы в коллектор за счет электрического поля обратно смещенного коллекторного перехода. При UКБ = 0 на переходе остается только контактная разность потенциалов, и величина контактного поля оказывается достаточной для экстракции в коллекторную область всех неосновных носителей, пришедших в базе к переходу база-коллектор. 8. Как объясняется название транзистора «биполярный»? Биполярный транзистор был назван так, потому что его работа предполагает движение двух носителей заряда: электронов и дырок в одном и том же кристалле. 11 9. Нарисуйте и укажите области активного режима, отсечки и насыщения на статических характеристиках транзистора с ОЭ. Семейство статических характеристик в схеме с ОЭ выходных АР — активный режим PH — режим насыщения РО — режим отсечки 10. Нарисуйте и объясните построение Т-образной эквивалентной схемы транзистора. Эквивалентные схемы необходимы необходимы для определения определения входных и выходных параметров или характеристик транзистора. Т-образная схема записывается через физической структуры транзистора. Т-образная эквивалентная схема для n-p-n транзистора с ОБ, где: r“э — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода r`б — объемное сопротивление базовой области r“б — диффузное сопротивление базовой области СК — барьерная емкость коллекторного перехода 12 11. Какая схема отличается большей температурной стабильностью – с общей базой или с общим эмиттером? Температурная зависимость статических характеристик транзистора в схеме с общей базой значительно меньше по сравнению со схемой с общим эмиттером. 12. Что такое предельная частота fβ? Частота, на которых модуль коэффициента передачи тока базы β в схеме с ОЭ уменьшается в √2-раз (3дБ) по сравнению с его значением на низкой частоте β0, называется предельной частотой коэффициента передачи тока базы. 13
