ВВЕДЕНИЕ. "Исследование биполярного транзистора"

"Исследование биполярного транзистора"

Цель работы: Изучение устройства и принцип действия биполярных транзисторов. Снятие статических характеристик и определение по ним параметров транзисторов.

Теоретическое обоснование работы

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n - переходами и тремя или более выводами. Он представляет собой полупроводниковый кристалл, в котором две крайние области с однотипной электропроводимостью разделены областью противоположной электропроводности. В зависимости от электропроводности этих трех областей различают транзисторы n-p-n и p-n-p типа (рис.1,а). Термин "биполярный" подчеркивает, что в работе таких транзисторов играют роль оба типа носителей зарядов - электроны и дырки. В настоящее время более распространены n-p-n транзисторы, которые и будем рассматривать ниже.

Реальные биполярные транзисторы являются ассиметричными прибораим. Их p-n - переходы существенно различаются (рис.1,б) - один из них (n₁-p) имеет гораздо меньшую площадь, чем другой (n₂-p). Асимметрия наблюдается и в концентрации примесей слой n₁ (см. рис.1,б) имеет большую концентрацию примесей, чем слой n₂. Средний слой транзистора называют базой, крайний сильно легированный слой меньшей площади (n₁) - эмиттером, а слой с большей площадью (n₂) - коллектором. Соответственно, n₁-p - переход называют эмиттерным, а n₂-p - переход коллекторным.

Конструктивно транзистор представляет собой полупроводниковый кристалл, часть поверхностей которого (базы, эмиттера и коллектора) покрывается металлической пленкой. К этим пленкам привариваются или припаиваются внешние выводы всех электродов транзистора. Сам кристалл укрепляют на кристаллодержателе и помещают в герметизированный корпус (рис.1,в), а выводы через изоляторы в дне корпуса выводят наружу. В мощных транзисторах коллектор часто непосредственно соединяют с основанием, что увеличивает рассеиваемую на нем мощность. В этом случае коллекторным выводом служит основание корпуса транзистора.

Взаимодействие между p-n переходами обеспечивается малой шириной базы w, которая у современных транзисторов не превышает 1 мкм. Основные свойства транзистора определяются процессами в его базе.

в)

Рис.1. Биполярный транзистор

На каждый p-n переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. Соответтственно различают четыре режима работы транзистора:

режим отсечки - на оба перехода подано обратное напряжение;

режим насыщения - на оба перехода подано прямое напряжение;

активный - на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный переходобратное;

инверсный - на эмиттерный переход подано обратное

напряжение, а на коллекторный переход - прямое.

Рассмотрим работу n-p-n транзистора в активном режиме. В этом случае источник питания подключается к эмиттерному переходу в прямом направлении ("-" на эмиттере), и через эмиттерный переход проходит прямой ток. При этом из эмиттера в базу будут инжектроваться электроны, а из базы в эмиттер - дырки. Однако, так как эмиттер легирован значительно сильнее, чем база, поток электронов будет много больше и именно он будет определять процессы, происходящие в транзисторе. Инжектированные из эмиттера электроны в базе оказываются неосновными носителями зарядов и будут двигатся, главным образом, за счет диффузии, стремясь равномерно распределяться по всему объему базы.

Так как толщина базы мала, большинство электронов не успевает рекомбинировать в ней и достигает коллекторного перехода. Вдлизи коллекторного перехода поток электронов попадает под действие электрического поля этого обратно смещенного перехода. Это вызывает быстрый дрейф электронов через коллекторный переход в область коллектора, где он становятся основными носителями зарядов и легко доходят до коллекторного вывода, создавая ток во внешней цепи транзистора.

Дрейф электронов через коллекторный переход снижает их концентрацию в области базы, что создает направленную диффузию инжектируемого эмиттером потока электронов. Однако, небольшая часть электронов, инжектированных эмиттером, все же успевает рекомбинировать в область базы. Поэтому не все электроны, прошедшие через эмиттерный переход, доходят до коллекторного перехода. Вследствие этого ток коллектора I_к всегда оказываетсяменьше тока эмиттра I_э. Рекомбинация электронов в базе вызывает соответствующий ток во внешней для базы цепи - ток базы I_б. Между токами эмиттера, коллектора и базы существует очевидное соотношение:

Для характеристики биполярного транзистора вводят два параметра: коэффициент передачи тока базы и тока эмиттера. Коэффициент передачи тока эмиттера называют отношение I_к/I_э, которое определяет долю носителей зарядов, инжектированных в базу и достигших вследствие диффузии коллектора. Для современных транзисторов этот коэффициент близок к единице (0.900...0.997). Коэффициентом передачи тока базы называют отношение I_к/I_б, его типичное значение 100-150.

Свойства биполярного транзистора полностью определяются его вольт-амперных характеристик, которые выражают взаимосвязь между четырьмя величинами: входными и выходными токами и напряжениями. Всего таких семейств шесть, в качестве основных выбирают два - семейство входных характеристик I_вх(U_вх) и семейство выходных характеристик I_вых(U_вых). При этом вид этих характеристик транзистора зависит от схемы его включения. Различают такие схемы включения: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Очевидно, что при любой схеме включения физические процессы, происходящие в транзисторе, не меняются, но существенно меняются входные и выходные величины.

В усилительных каскадах с общим коллектором К_и = 0,9¸ 0,99. Из схемы этого каскада видно, что выходное напряжение практически совпадает по фазе с входным. Поскольку выходное напряжение усилительных каскадов с общим коллектором мало отличается от входного численно и по фазе, их часто называют эмиттерными повторителями. Так как значение К_U близко к единице, входное сопротивление эмиттерного повторителя много больше входного сопротивления h₁₁ транзистора и достигает нескольких сотен килоом.

Таким образом, эмиттерный повторитель обладает большим входным и малым выходным сопро­тивлениями. Следовательно, его коэффициент усиления по току может быть очень высоким. Эмиттерный повторитель обычно применяют для согласования высокоомного источника усиливаемого напряжения с низкоомным нагрузочным устройством.

Усилительный каскад с общей базой имеет примерно такой же коэффициент усиления по напряжению, как и в каскаде с общим эмиттером, но коэффициент усиления по току у него меньше единицы, так как выходным является коллекторный ток, а входным — эмиттерный ток, который несколько больше коллекторного тока. Таким образом, коэффициент усиления по мощности К_р = K_uK_I каскадов с общей базой значительно меньше, чем каскадов с общим эмиттером. Другие недостатки усилительных каскадов с общей базой — малое входное и сравнительно большое выходное сопротивления. Вследствие этого усилительный каскад с общей базой применяют очень редко.

В схеме с ОЭ (рис.2,а) входными характеристиками является семейство I_б=f(U_БЭ) при U_КЭ=const (рис.2,б). Выходными характеристиками транзистора в схеме с ОЭ является семейство I_к=(U_кэ) при I_б=const (рис.2,в). Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ проходят через начало координат и при U_кэ>0 не заходят в область прямого напряжения на коллекторном переходе. При небольшом положительном напряжение U_кэ зависимость I_к=(U_кэ) имеет значительную крутизну, а пологие участки практически параллельны оси абсцисс.

а)

б) в)

Рис.2. а) схема включения транзистора с общим эмиттером;

б) входные характеристики биполярного транзистора;

в) выходные характеристики биполярного транзистора.

Семейство входных и выходных характеристик биполярного транзистора содержат подробную информацию, которая при анализе транзисторных схем в ряде случаев оказывается излишней. При рассмотрении транзистора как элемента схемы при малом переменном сигнале удобнее представить его в виде четырехполюсника (рис.3,а) и описать параметрами четырехполюника.

в)

Рис.3. а) схема включения транзистора с общим эмиттером;

б) входные характеристики биполярного транзистора;

в) выходные характеристики биполярного транзистора.

Наиболее удобный для описания биполярного транзистора является система h - параметров:

- параметр, имеющий размерность сопротивления, характеризующий входное сопротивление и представляющий собой отношение изменения напряжения на входе и вызвавшему его изменению входного тока в режиме короткого замыкания по паременному току на выходе транзистора; значение h₁₁ определяется наклоном входной характеристики транзистора в режиме короткого замыкания по переменному току на выходе:

- безразмерный параметр, характеризующий внутреннюю обратную связь между входной и выходной цепями и представляющий собой отношение изменения напряженя на выходе в режиме холостого хода во входной цепи по переменному току:

- безразмерный параметр, характеризующий прямую связь по току между выходной цепями и представляющий собой отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению входного тока в режиме короткого замыкания входной цепи по переменному току;

Где параметр h₂₁ является одним из важнейших параметров транзистора:

- параметр, имеющий размерность проводимости, характеризующий выходную проводимость и представляющий собой отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению выходного напряжения в режиме холостого хода входной цепи по переменному току: значение h₂₂ определяется наклоном выходной характеристики транзистора.

Конкретные значения h - параметров различны для различных схем включения транзистора, поэтому в схеме с ОБ и ОЭ добавляются индекс "б" и "э" соответственно.

h - параметры позволяют построить удобные для анализа эквивалентные схемы включения транзистора (с ОЭ) согласно (2) и (3) эквивалентная схема транзистора имеет вид рис.3,б, где h_11э, h_12э, h_21э и h_22э - h - параметры в схеме с ОЭ. Эту эквивалентную схему можно использовать для исследований транзисторных схем при малом переменном сигнале в широком частотном диапазоне. Для более узкого диапазона частот с учетом того, что значение h_21э мало (10^-3), эквивалентная схема биполярного транзистора упрощается (рис.3,в). Последней эквивалентной схемой мы и будем пользоваться при анализе усилителей.

В настоящее время транзисторы являются весьма распостраненными полупроводниковыми приборами, с помощью которых успешно осуществляются как усилительные, так и переключающие функции.

Порядок проведения работ

Для проведения лабораторной работы необходимы:

ГТ - генератор тока, ГН2 - генератор напряжения, АВМ1 - ампервольтметр, АВМ2 - расположенные на лицевой панели стенда, а также осцилограф, транзистор германиевый МП-40.

1. Собирается схема согласно лицевой панели №6 (см. рис.4).

2. Ручки регулирования ГТ установить в крайние левые положения.

Тумблер "АВМ1 - АВО" в положение "АВ0"

Тумблер "АВМ2 - МВ" в положение "АВМ2"

На осциллографе: чувствительность 0,1 В/дел

вход – открытый.

Ручки регулятора ГН2 в крайнее левое положение.

Предел измерения АВМ1 - "10 мА"

АВО - "100 мкА"

АВМ2 - "10 В"

На передней панели включить тумблер "АВО".

После проверки правильности монтажа схемы преподавателем, включить тумблер "Сеть".

Рис.4. Схема для измерения параметров биполярного транзистора.

3. Изменяя ток базы I_б замеряют напряжение U_бэ на переходе база-эмиттер при U_кэ = const. Данные заносят в таблицу 1.

4. После снятия входной характеристики ручки регулировок ГТ и ГН2 привести в исходное состояние.

5. Изменяя напряжение ГН2 от ОВ до IОВ при токах базы 0, 20, 50, 80 (мкА) замеряют ток коллектора I_к. Данные заносят в таблицу 2.

6. Ручки управления установить в исходное состояние выключить стенд, осциллограф. Отсоединить провода.

По табл. 1 и 2 построить входную и выходную характеристики транзистора МП40.

7. По входным и выходным вольт-амперным характеристикам транзистора МП40 рассчитать h - параметры: h_11э; h_12э; h_21э; h_22э.

8. Ответить на контрольные вопросы.

Таблица 1

Таблица 2

Контрольные вопросы

1. Что такое транзистор и для чего он используется?

2. Чем отличаются транзисторы типа p-n-p от транзисторов типа n-p-n?

3. Какие схемы включения транзисторов используют и их особенности?

4. Каковы соотношения между токами коллектора, эмиттера и базы?

5. Что такое h - параметры транзистора?

6. Как определить по характеристикам коэффициент усиления транзистора по току h₂₁ в схеме с общим эмиттером?

ВВЕДЕНИЕ

Во всем мире признано, что наиболее эффективными являются активные формы обучения. Важное место среди них занимает метод компьютерных деловых игр. Его суть – управление виртуальным экономическим объектом, деятельность которого имитирует компьютер.

Компьютерные деловые игры серии «БИЗНЕС-КУРС» уже более 15 лет разрабатываются совместными усилиями лаборатории имитационного моделирования и деловых игр Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ им. М.В. Ломоносова и ООО «Высшие компьютерные курсы бизнеса».

За эти годы были созданы и совершенствовались (через ряд последовательных версий) следующие самостоятельные программы данной серии:

· «БИЗНЕС-КУРС: Предприятие»;

· «БИЗНЕС-КУРС: Корпорация»;

· «БИЗНЕС-КУРС: Корпорация Плюс»;

· «БИЗНЕС-КУРС: Максимум».

Во всех этих программах пользователь управляет виртуальным предприятием, действующим в условиях конкуренции. В программы заложена интегральная оценка эффективности управления, называемая игровым рейтингом. Задача пользователя – добиться как можно большего значения этого показателя к концу игрового курса.

Конкретные программы отличаются набором возможных управленческих решений и объемом отчетно-аналитической информации, предоставляемой пользователю на каждом шаге игры. Каждая следующая программа (в перечисленном порядке) сохраняет все содержание предыдущей и включает в себя ряд дополнительных моментов, связанных с углублением проблематики управления предприятием.

Деловые игры серии «БИЗНЕС-КУРС» предназначены для высших учебных заведений экономического профиля, курсов подготовки и переподготовки управленческих кадров, а также – для самообразования лиц разных категорий. Они позволяют развить навыки управления, получить конкретные знания по широкой тематике, связанной с финансово-хозяйственной деятельности предприятий.

Говоря конкретнее, эти программные продукты можно использовать в преподавании (изучении) следующих учебных дисциплин и тем:

· Производственный менеджмент

· Маркетинг

· Финансовый менеджмент

· Бухгалтерский учет

· Финансовая (бухгалтерская) отчетность

· Управленческая отчетность

· Налогообложение и налоговая отчетность

· Финансовая отчетность по международным стандартам (МСФО)

· Анализ финансово-хозяйственной деятельности

· Антикризисное управление

· Рынок ценных бумаг

Особенность программ серии «БИЗНЕС-КУРС» заключается в том, что вопросы бухгалтерского учета, отчетности и налогообложения отражены здесь в строгом соответствии с российским законодательством.

Но, может быть, самое важное то, что эти деловые игры показывают комплексную картину деятельности организации и место в ней каждого элемента системы управления. Студенты обычно не получают такой картины в результате изучения отдельных учебных предметов. Здесь же они могут объединить, закрепить и расширить свои знания, выступив в роли руководителя предприятия, видящего картину в целом, обладающего всей полнотой власти в принятии управленческих решений и в то же время условно несущего за них «полную ответственность».

Деловые игры серии «БИЗНЕС-КУРС» снабжены подробной справочной системой, где не только объясняются специфические правила игры, но и даются детальные объяснения по всем вопросам, носящим общетеоретический характер, т.е. затрагивающих указанные выше учебные дисциплины и темы как таковые.

Можно сказать, что, благодаря справочной системе, данные программы представляют собой своеобразные интерактивные учебники по управлению, учету и финансам с огромным количеством примеров, порождаемых действиями самих пользователей.

Деловые игры серии «БИЗНЕС-КУРС» представлены в двух вариантах.

Индивидуальный вариант может использоваться для самообразования и самостоятельных занятий в рамках очных учебных программ, а также при заочном и дистанционном обучении. Здесь пользователь, управляя организацией, один на один конкурирует с компьютером.

Коллективный вариант предназначен для проведения групповых занятий в компьютерном классе под руководством Администратора игры (преподавателя). Участники коллективной игры разбиваются на команды, каждая из которых руководит своей фирмой, конкурируя с другими командами (фирмами) на рынке готовой продукции. Передача информации между компьютерами команд и Администратора осуществляется по локальной сети или через внешние носители.

Побеждает та команда, которая к концу игрового курса добьется наибольшего значения игрового рейтинга.

Желание выйти победителем порождает у участников игры повышенный эмоциональный настрой, который способствует эффективному усвоению навыков и знаний, заложенных в компьютерную программу.

Обычно в коллективной игре участвуют 5-10 команд по 2-3 человека в каждой. Для полноценного проведения игры требуется от 12 до 36 учебных часов. Ее можно проводить как в рамках интенсивных краткосрочных семинаров, так и на протяжении целого семестра с включением в сетку занятий.

Коллективная игра особенно эффективна в сочетании с традиционными формами обучения – лекциями и семинарами. Она позволяет проиллюстрировать и закрепить теоретический материал, существенно оживляет учебный процесс, оставляя незабываемые впечатления у ее участников.

Ныне поддерживаемые компьютерные деловые игры «БИЗНЕС-КУРС: Максимум» и «БИЗНЕС-КУРС: Корпорация Плюс» получили следующие образовательные грифы:

· Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области менеджмента в качестве программного комплекса по управленческим специальностям (май 2011 г.).

· Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области финансов, учета и мировой экономики в качестве электронного учебного пособия по специальностям «Бухгалтерский учет, анализ и аудит», «Финансы и кредит», «Мировая экономика» и «Налоги и налогообложение» (ноябрь 2009 г.).

В настоящее время эти деловые игры используются в образовательном процессе на экономическом факультете, факультете государственного управления, в московской школе экономики МГУ им. М.В. Ломоносова, а также в целом ряде других учебных заведений страны. На базе их коллективных вариантов ежегодно проводится около 10 студенческих олимпиад в разных регионах России, причем эти мероприятия организуются по инициативе местных учебных заведений, использующих эти программные продукты в учебном процессе.

В данном учебном пособии дается полное авторское описание наиболее насыщенной деловой игры данной серии – «БИЗНЕС-КУРС: Максимум». До этого элементы программы описывались лишь в рамках ее справочной системы.

Пособие предназначено для студентов и преподавателей, которые уже знакомы с программой или хотели бы с ней ознакомиться, а также для всех лиц, кого интересуют активные формы обучения и компьютерные технологии в образовании.

Пособие содержит подробные объяснения по всем дисциплинам и темам, перечисленным выше. В конце пособия приводится обширный словарь использованных терминов по финансово-хозяйственной деятельности предприятий. Все это образует учебный и справочный материал, который может быть полезен не только при работе с данной программы, но и независимо от нее. В этом смысле программа выступает лишь как способ представления в одном месте разнообразной проблематики управления предприятием в современных условиях.

Следует подчеркнуть, что в основе любой компьютерной деловой игры лежит та или иная математическая (имитационная) модель управляемого экономического объекта и его внешнего окружения. Качество игры во многом определяется содержанием ее математической модели, хотя очень важным является и качество программной реализации такой модели.

Математическая модель, лежащая в основе программ серии «БИЗНЕС-КУРС», прошла длинный, эволюционный путь развития, начавшийся с одной научной публикации в 1993 г. [21]. С тех пор модель претерпела многочисленные изменения. Появлялись новые виды управленческих решений, новые отчетно-аналитические разделы, учитывались частые изменения российского законодательства.

Так, в программе «БИЗНЕС-КУРС: Максимум» дана новая возможность покупать оборудование в лизинг, а также покупать средства производства и продавать продукцию на условиях коммерческого кредита. Одновременно можно проводить операции факторинга. Здесь впервые представлена отчетность по МСФО. В описываемой версии 1.5 данной программы учтены новые (2010 г.) требования Минфина РФ к составлению бухгалтерской (финансовой) отчетности.

Об этом и многом другом будет рассказано в настоящем учебном пособии.