Исследование полевых транзисторов Полупроводниковые выпрямители Операционный инвертирующий усилитель Исследование полупроводниковых выпрямительных диодов Методика проведения исследований и обработки результатов эксперимента

Лабораторные работы по электронике

Логические основы цифровой интегральной техники. Реализация логических функций в базисах И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Кодирование сигналов в цифровых устройствах. Микросхемотехника базовых логических элементов: ключевые полупроводниковые схемы; энергетические соотношения в ключевых схемах; переходные процессы в ключевых схемах; базовые потенциальные логические элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ),

Лабораторная работа № 2

Исследование биполярных транзисторов

Цель работы: изучение принципа действия, исследование статических характеристик и определение дифференциальных параметров биполярных транзисторов, включенных по схемам: общая база (ОБ) и общий эмиттер (ОЭ)

Методические указания по подготовке к работе

Транзистором  называется полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n-переходами, пригодный для усиления мощности и имеющий три или более выводов. Наиболее распространены биполярные транзисторы с тремя выводами. В процессах прохождения токов биполярных транзисторов участвуют основные и неосновные носители зарядов. По порядку чередования p-n-переходов различают биполярные транзисторы структуры p-n-p и n-p-n. Принцип действия обоих типов биполярных транзисторов одинаков.

Система обозначений биполярных транзисторов состоит из буквенных и цифровых элементов. Например, КТ602А или 2Т602А. В начале обозначения ставится буква или цифра, определяющая исходный полупроводниковый материал («Г» или «К», 1 или 2). Затем идет буква, характеризующая подкласс прибора: «Т» - биполярный транзистор, «П» - полевой. После этих букв идет число, условно характеризующее частотные свойства, мощность и номер разработки транзистора. Последний элемент – буква, условно определяющая классификацию транзисторов по параметрам, изготовленных по единой технологии.

Транзистор представляет собой монокристалл полупроводника с двумя взаимодействующими p-n-переходами. При получении в кристалле полупроводника двух взаимодействующих  переходов возможно различное чередование полупроводников. Если полупроводники чередуются: дырочный, электронный и дырочный, то транзистор имеет структуру p-n-p (рис. 2.1). При чередовании полупроводников: электронный, дырочный и электронный, транзистор имеет структуру n-p-n.

Среднюю область кристалла называют базой (Б), одну крайнюю область – эмиттером (Э), а другую - коллектором (К). При изготовлении транзистора добиваются выполнения следующих условий:

концентрация основных носителей заряда в эмиттере должна значительно превышать концентрацию основных носителей заряда в базе;

ширина активной области базы, т.е. области, находящейся непосредственно между запирающими слоями эмиттерного и коллекторного p-n-переходов, должна быть меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда в базе;

площадь коллекторного перехода должна быть больше площади эмиттерного перехода.

Условные графические изображения биполярных транзисторов показаны на рис. 2.2. Работа транзисторов структуры p-n-p (рис. 2.2,а) и структуры n-p-n (рис. 2.2,б) аналогична, различие заключается в полярности подключения источников внешних напряжений и в направлении прохождения токов через электроды. 

При включении транзистора в схему один из его электродов считается входным, второй – выходным, а третий – общим. На входной и выходной электроды транзистора подаются от внешних источников напряжения, отсчитываемые относительно общего электрода. В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей, существуют три схемы включения биполярного транзистора. 

В схеме с общей базой (ОБ) (рис. 2.3,а) входным электродом является эмиттер, а выходным – коллектор. В схеме с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 2.3,б) входным электродом является база, а выходным – коллектор. В схеме с общим коллектором (ОК) (рис. 2.3.в) входным электродом является база, а выходным – эмиттер.

 


 UЭБ UКБ UБЭ UКЭ UБК UЭК 


 а) б) в)

Рис. 2.3. Схемы включения биполярного транзистора

В зависимости от величины и полярности напряжений, приложенных к входным и выходным электродам биполярного транзистора, различают следующие основные режимы его работы: отсечки, насыщения, активный и инверсный.

 Рассмотрим режимы работы и статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой.

 В режиме отсечки полярность подключения источников смещения эмиттерного (UЭБ) и коллекторного (UКБ) переходов такова, что оба p-n-перехода транзистора находятся в обратном включении

В этом случае запирающие слои на границах p- и n-областей расширяются и их сопротивления для основных носителей заряда увеличиваются. Вследствие этого через p-n-переходы проходят обратные токи коллектора IКБ0 и эмиттера IЭБ0, обусловленные движением неосновных носителей заряда. Эти токи зависят от площади p-n-перехода и концентрации неосновных носителей заряда, на которую существенное влияние оказывает температура кристалла полупроводника.

В режиме насыщения эмиттерный и коллекторный p-n-переходы транзистора находятся в прямом включении (рис. 2.4,б). В этом случае запирающие слои на границах p- и n-областей сужаются, и происходит инжекция дырок из эмиттера и коллектора в базу. В результате этого в базе накапливаются неосновные носители заряда, а через p-n-переходы проходят токи насыщения коллектора IКн и эмиттера IЭн, обусловленные движением основных носителей заряда.

Поскольку концентрация основных носителей заряда значительно больше концентрации неосновных носителей заряда, то IКн >> IКБ0 и IЭн > IЭБ0. Поэтому считают, что в режиме отсечки транзистор закрыт, а в режиме насыщения полностью открыт.

Методические указания к выполнению лабораторных работ по исследованию полевых и биполярных транзисторов В основе развития электроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронной аппаратурой. В связи с этим, знание основных свойств полупроводниковых приборов, ознакомление с их конструкцией и элементами технологии изготовления, а также методикой измерения параметров, является основополагающим для грамотного проектирования радиоэлектронных схем.

Входное сопротивление полевого транзистора  велико, т.к. управляющий p-n-переход включается в обратном направлении. Поэтому в цепи затвора протекает небольшой ток затвора Iз. Большое входное  сопротивление полевых транзисторов является их существенным преимуществом  по сравнению с биполярными транзисторами. Условные графические изображения и схемы включения полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом представлены на рис. 1.3. В условных графических изображениях сплошной вертикальной линией обозначен канал полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом.

Упрощенная структура МДП–транзистора с индуцированным каналом p-типа показана на рис. 1.5,а. В полупроводнике n-типа, называемом подложкой, методом диффузии образованы две p+-области, не имеющих между собой электрического соединения. Одна из них называется стоком, другая – истоком. Эти области отделены друг от друга двумя включенными встречно p-n-переходами, образованными на границах p- и n-областей. Поэтому если между стоком и истоком включить источник постоянного напряжения Uси, то в цепи пойдет очень маленький ток, обусловленный обратным током p-n-переходов.

К дифференциальным параметрам полевых транзисторов относятся: проводимость прямой передачи, или крутизна характеристики управления

В активном режиме эмиттерный p-n-переход находится в прямом включении, а коллекторный – в обратном. Включение биполярного транзистора с общей базой в активном режиме показано на рис. 2.5. Активный режим обеспечивается соответствующей полярностью напряжений, подключенных к эмиттеру (UЭБ) и коллектору (UКБ) и отсчитываемых относительно базы.

Вид характеристик зависит от способа включения транзистора. Для однозначного установления зависимости между токами и напряжениями транзистора достаточно иметь два семейства характеристик. На практике наибольшее применение получили входные и выходные характеристики. Характеристики прямой передачи и обратной связи применяются редко и могут быть легко получены из входных и выходных характеристик путем перестроения.

С энергетической точки зрения добротность контура характеризует отношение запасенной электромагнитной энергии контура при резонансе к средней энергии, теряемой в этом режиме на активном сопротивлении контура за один период изменения тока.

Добротность Q контура с малым затуханием можно оценить путем подсчета по осциллограмме числа периодов свободных колебаний в контуре m за интервал времени, в течение которого амплитуда собственных колебаний контура уменьшается, например, в два раза. Тогда согласно соотношению (3.12)  или egmТ=2, откуда gmТ=ln3. При этом логарифмический декремент затухания d на основании формулы (3.12) будет равен d=gT=ln2/m, а затухание d выразится как d=d/p=ln2/pm. Отсюда добротность контура будет равна

 

.

(3.15)

Последовательный колебательный контур

Последовательный колебательный контур (рис. 3.3) образуется при последовательном включении емкости C, индуктивности L и генератора эдс e(t). Для учета всех активных потерь в контуре на схемах включают эквивалентное сопротивление R. Будем считать в дальнейшем эдс гармонической, а внутреннее сопротивление генератора Ri=0. В этом случае все частотные характеристики контура называются предельными.

Для цепи, изображенной на рис. 3.3, можно записать уравнение Кирхгофа в комплексном виде

 

(3.16)

где , . Здесь Em и Im – амплитуды,   и  – комплексные амплитуды, соответственно эдс и тока. Тогда согласно методу комплексных амплитуд на основании (3.16) получим

 

(3.17)

В выражении (3.17)

 

(3.18)

называют комплексным входным сопротивлением, в котором величина

 

(3.19)

является его реактивной составляющей. ФЧХ контура при этом определяется зависимостью

 

(3.20)

Примерный перечень лабораторных работ 1. Базовые интегральные логические элементы. 2. Синтез минимизированных функционально-устойчивых комбинационных схем. 3. Интегральные триггеры. 4. Функциональные цифровые устройства последовательностного типа. 5. Устройства обработки сигналов на основе операционных усилителей. 6. Исследование характеристик интегральных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.
Изучение вращения плоскости поляризации в магнитном поле (эффект Фарадея)