Исследование биполярных и полевых транзисторов

Исследование биполярных и полевых транзисторов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Восточно-Сибирский государственный технологический университет"

Факультет Электротехнический

Кафедра Электронно-вычислительные системы

Курсовая работа

Исследование биполярных и полевых транзисторов

Исполнитель:

студент очной формы обучения

группы 659

Руководитель работы

Ветлужский А.Ю.

Нормоконтролер Мадыев А.П.

Улан-Удэ 2011

Задание по подготовке курсовой работы

. Дисциплина Электроника

. Тема КР Исследование биполярных и полевых транзисторов

. Срок сдачи студентом законченной КР___________

. Исходные данные к КР Транзистор КТ301Ж n-p-n типа. Схема включения - схема с общим эмиттером. Величина напряжения питания Eп= 5 В. Сопротивление нагрузки Rн=3 кОм

Тип транзистора - КП103Ж с затвором на основе p-n перехода и p-каналом. Схема включения - с общим истоком. Величина напряжения питания Eп= 20 В. Сопротивление нагрузки Rн= 3 кОм

. Перечень подлежащих разработке в КР вопросов или краткое содержание КР:

В ходе выполнения курсовой работы необходимо для заданных типов транзисторов определить их параметры и статические характеристики, в соответствии условиями задания выполнить анализ работы транзисторов с нагрузкой в выходной цепи, рассчитать параметры эквивалентной схемы и малосигнальные параметры транзисторов, определить отечественные и зарубежные аналоги заданных усилительных элементов.

. Перечень графического материала (при наличии чертежей или плакатов): __________________

. Дата выдачи задания ________

Руководитель Ветлужский А.Ю.

Содержание

Введение

. Теоретическая часть

.1 Биполярный транзистор КТ301Ж

.1.1 Общие сведения

.1.2 Максимально допустимые параметры

.1.3 Электрические параметры

.1.4 Вольтамперные характеристики

.2 Полевой транзистор КП103Ж

.2.1 Общие сведения

.2.2 Максимально допустимые параметры

.2.3 Электрические параметры

.2.4 Вольтамперные характеристики

. Расчетная часть

.1 Биполярный транзистор КТ301Ж

.1.1 Исходные данные для расчетов

.1.2 Построение нагрузочной прямой

.1.3 Определение малосигнальных параметров

.1.4 Расчет величин элементов эквивалентной схемы транзистора

.1.5 Определение граничных и предельных частот транзистора

.1.6 Определение частотных зависимостей Y-параметров

.2 Полевой транзистор КП103Ж

.2.1 Исходные данные для расчетов

.2.2 Построение нагрузочной прямой

.2.3 Определение малосигнальных параметров

.2.4 Расчет величин элементов эквивалентной схемы транзистора

.2.5 Определение граничных и предельных частот транзистора

.2.6 Определение частотных зависимостей Y-параметров

Вывод

Список литературы

Введение

Транзистором называется полупроводниковый преобразовательный прибор, имеющий не менее трёх выводов и способный усиливать мощность. Классификация транзисторов производится по следующим признакам:

·        По материалу полупроводника - обычно германиевые или кремниевые;

·        По типу проводимости областей (только биполярные транзисторы): с прямой проводимостью (p-n-p - структура) или с обратной проводимостью (n-p-n - структура);

·        По принципу действия транзисторы подразделяются на биполярные и полевые (униполярные);

·        По частотным свойствам:

НЧ (<3 МГц);

СрЧ (3ч30 МГц);

ВЧ и СВЧ (>30 МГц);

·        По мощности: Маломощные транзисторы ММ (<0,3 Вт), средней мощности СрМ (0,3ч3Вт), мощные (>3 Вт).

1. Теоретическая часть

.1 Биполярный транзистор КТ301Ж

.1.1 Общие сведения

Корпус металлический, герметичный, с гибкими выводами (рисунок 1). Масса транзистора не более 0,5 г.

Рисунок 1 - Биполярный транзистор КТ301Ж

.1.2 Максимально допустимые параметры

Гарантируются при температуре окружающей среды Тс. от минус 55єС до плюс 85єСк max = 10 мА постоянный ток коллектораэ max = 10 мА постоянный ток эмиттераэб max = 3 В постоянное напряжение эмиттер-базакб max = 20 В постоянное напряжение коллектор-базакэ max = 20 В постоянное напряжение коллектор-эмиттер при к.з. между эмиттером и базойк max = 150 мВт постоянная рассеиваемая мощность коллектора при Tc от минус 55єС до плюс 60єС

Тn max = 120єС температура перехода, п-к = 0,6 єС/мВт тепловое сопротивление переход-корпус

.1.3 Электрические параметры

Работа транзистора характеризуется параметрами, определяющими усилительные и частотные свойства в режимах усиления, переключения и отсечки, а также максимально допустимыми режимами эксплуатации. Электрические параметры транзистора приведены в таблице 1.

Таблица 1 Электрические параметры транзистора КТ301Ж

.1.4 Вольтамперные характеристики

Входные статические характеристики транзистора изображены на рисунке 2, выходные - на рисунке 3.

Рисунок 2 - Входные статические характеристики транзистора

Рисунок 3 - Выходные статические характеристики транзистора

.2 Полевой транзистор КП103Ж

.2.1 Общие сведения

Корпус металлический, с гибкими выводами (рисунок 4,а) и пластмассовый (рисунок 4,б). Масса для обоих типов 1 г.

Рисунок 4,а - Полевой транзистор КП103Ж

Рисунок 4,б - Полевой транзистор КП103Ж

.2.2 Максимально допустимые параметры

Гарантируются при температуре окружающей среды Тс. от минус 55єС до плюс 85єСсз max = 15 В суммарное напряжение сток-затворси max = 10 В постоянное напряжение сток-исток= 12 мВт постоянная рассеиваемая мощность транзистора

.2.3 Электрические параметры

Работа транзистора характеризуется параметрами, определяющими усилительные и частотные свойства в режимах усиления, переключения и отсечки, а также максимально допустимыми режимами эксплуатации. Электрические параметры транзистора приведены в таблице 2.

Таблица 2 Электрические параметры транзистора КП103Ж

.2.4 Вольтамперные характеристики

Входные статические характеристики транзистора изображены на рисунке 5, выходные - на рисунке 6.

Рисунок 5 - Входные статические характеристики транзистора

Рисунок 6 - Выходные статические характеристики транзистора

2. Расчетная часть

.1 Биполярный транзистор КТ301Ж

.1.1 Исходные данные для расчетов

Транзистор типа n-p-n, включен в схему с общим эмиттером. Напряжение источника питания Eп = 5 В, сопротивление нагрузки Rн = 3 кОм.

.1.2 Построение нагрузочной прямой

Для построения нагрузочной прямой используем уравнение

п = Uкэ + Iк*Rн.

Приравнивая Iк =0, получаем первую точку Uкэ =5В.

Приравнивая Uкэ =0В, получаем вторую точку Iк =1,6мА.

Построение нагрузочной прямой показано на рисунке 7.

Рисунок 7 - Нагрузочная прямая выходной ВАХ

Фиксируем параметры режима покоя - Iк0 =0,9 мА, Uкэ0 =1,5 В, Iб0 =7 мкА.

Для определения Uбэ0 на входных вольтамперных характеристиках построим рабочую прямую. На пересечении с Uкэ = 10 В опустим перпендикуляр на ось абсцисс.

Определение Uбэ0 на входных вольтамперных характеристиках показано на рисунке 8.

Рисунок 8 - Построение рабочей прямой

бэ0 = 0,37 В.

Определим графическим способом параметры:

∆ Uкэ = 1,3В∆ Uбэ = 0,02В

∆ Iк = 0,8мА∆ Iб = 7мкА

2.1.3 Определение малосигнальных параметров

Входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока:

 = 0,02 / 7 * 10-6 = 2,8 кОм

Коэффициент передачи по току при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока:

 = 0,8 * 10-3 / 7 * 10-6 = 114,2

Выходная проводимость транзистора при разомкнутом входе для переменной составляющей тока (холостой ход входной цепи):

 = 0,8 * 10-3 / 1,3 = 0,61мСм

Коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе для переменной составляющей:

 = (12,5 * 0,00061) / 0,807 * 10-3 = 9,4

.1.4 Расчет величин элементов эквивалентной схемы транзистора

На рисунке 9 изображена физическая малосигнальная эквивалентная схема биполярного транзистора.

Рисунок 9 - Физическая малосигнальная эквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиаколетто)

Емкость коллекторного перехода Ск =10 пф

Емкость эмиттерного перехода Сэ =80 пф

Постоянная времени τн =2000 пс

Модуль коэффициента передачи тока |h21э| =1,5

Сопротивление эмиттерного перехода эмиттерному току:

 = 30,9 Ом

Сопротивление эмиттерного перехода базовому току:

 = 3,5 кОм

Крутизна характеристики транзистора:

 = 40 мА/В

Выходное сопротивление транзистора (сопротивлением внешней утечки между коллектором и эмиттером):

транзистор биполярный полевой мощность

 = 4,1 кОм

Сопротивление коллекторного перехода:

 = 375 Ом

Объемное сопротивление базы:

 = 200 Ом

.1.5 Определение граничных и предельных частот транзистора

Предельная частота передачи тока в схеме с ОЭ:

 = 0,44 МГц

Граничная частота передачи тока:

 = 30 МГц

Максимальная частота генерации транзистора:

 = 24,4 МГц

Предельная частота транзистора по крутизне:

.1.6 Определение частотных зависимостей Y-параметров

Рассчитаем значения частот:

wh21Э = 2p¦ h21Э = 2,76 Мрад/с

wS = 2p¦S = 499,8 Мрад/с

Проводимость прямой передачи (крутизна проходной характеристики), которую определяют при коротко замкнутом для переменной составляющей выходе транзистора:

 = (40 * 10-3) / (√ 1+(w*2000*10-12)2)

При w = 100 Мрад/с|Y21(ω)| = 39,2 мСм

При w = 200 Мрад/с|Y21(ω)| = 37,1 мСм

При w = 300 Мрад/с|Y21(ω)| = 34,4 мСм

При w = 400 Мрад/с|Y21(ω)| = 31,2 мСм

При w = 500 Мрад/с|Y21(ω)| = 28,3 мСм

При w = 800 Мрад/с|Y21(ω)| = 21,2 мСм

При w = 1100 Мрад/с|Y21(ω)| = 16,5 мСм

По полученным данным построим график зависимости |Y21(ω)| (рисунок 10).

Рисунок 10 - График зависимости |Y21(ω)|

Входная проводимость, которую определяют при короткозамкнутом для переменной составляющей выходе транзистора:

 = (1 / 2,8*103)*√((1+(w/2,76*106)2 ) / (1+(w/499,8*106)2 )

При w = 100 Мрад/с|Y11(ω)| = 12,6 мСм

При w = 200 Мрад/с|Y11(ω)| = 24 мСм

При w = 300 Мрад/с|Y11(ω)| = 33 мСм

При w = 400 Мрад/с|Y11(ω)| = 40 мСм

При w = 500 Мрад/с|Y11(ω)| = 45,6 мСм

При w = 800 Мрад/с|Y11(ω)| = 54,6 мСм

При w = 1100 Мрад/с|Y11(ω)| = 58,7 мСм

По полученным данным построим график зависимости |Y11(ω)| (рисунок 11).

Рисунок 11 - График зависимости |Y11(ω)|

.2 Полевой транзистор КП103Ж

.2.1 Исходные данные для расчетов

Транзистор с каналом p-типа, включен в схему с общим истоком. Напряжение источника питания Eп = 20 В, сопротивление нагрузки Rн = 3 кОм.

.2.2 Построение нагрузочной прямой

Для построения прямой используем уравнение

п = Uси + Iс*Rн.

Приравнивая Iс =0, получаем первую точку Uси.=20 В.

Приравнивая Uси=0, получаем вторую точку Iс =6,6 мА.

Построение нагрузочной прямой изображено на рисунке 12.

Рисунок 12 - Нагрузочная прямая выходной ВАХ

Фиксируем параметры режима покоя - Iс0 = 0,3 мА, Uси0 = 19 В, Uзи0 = 0,5 В.

.2.3 Определение малосигнальных параметров

Крутизна характеристики полевого транзистора:

 = (0,55*10-3) / 0,5 = 1,1 мА/В

Внутреннее сопротивление транзистора:

 = 4 / 0,1*10-3 = 40 кОм

Статический коэффициент усиления:

 = 1,1 * 40 = 44

2.2.4 Расчет величин элементов эквивалентной схемы транзистора

На рисунке 13 изображена эквивалентная схема полевого транзистора.

Рисунок 13 - Эквивалентная схема полевого транзистора

СЗС = 8 пФ проходная емкость

СЗИ = 20 пФ входная емкость= 40 кОм внутренне сопротивление транзистора= 1,1 мА/В крутизна характеристики транзистораКАН = 15,8 кОм сопротивление канала в рабочей точке

.2.5 Определение граничных и предельных частот транзистора

Предельная частота проводимости прямой передачи полевого транзистора:

¦S = 1/(2p×RКАН ×СЗИ) = 0,5 МГц

Граничная частота усиления полевого транзистора

¦ГР = S/(2p×ССИ) = 17,5 МГц

.2.6 Определение частотных зависимостей Y-параметров

wS = 2p¦S = 3,14 МГц

Входная проводимость, которую определяют при короткозамкнутом для переменной составляющей выходе транзистора:

При ω = 1 Мрад/сY11(ω) = 26,85 мкСм

При ω = 2 Мрад/сY11(ω) = 44,25 мкСм

При ω = 3 Мрад/сY11(ω) = 63,1 мкСм

При ω = 8 Мрад/сY11(ω) = 101,69 мкСм

При ω = 13 Мрад/сY11(ω) = 132,23 мкСм

При ω = 18 Мрад/сY11(ω) = 166,38 мкСм

По полученным данным построим график зависимости Y11(ω) (рисунок 14).

Проводимость обратной передачи, которую определяют при короткозамкнутом для переменной составляющей входе транзистора:

При ω = 1 Мрад/сY12(ω) = 2,82 мкСм

При ω = 2 Мрад/сY12(ω) = 4 мкСм

При ω = 3 Мрад/сY12(ω) = 4,89 мкСм

При ω = 8 Мрад/сY12(ω) = 8 мкСм

При ω = 13 Мрад/сY12(ω) = 10,19 мкСм

При ω = 18 Мрад/сY12(ω) = 12 мкСм

По полученным данным построим график зависимости Y12(ω) (рисунок 15).

Рисунок 15 - График зависимости Y12(ω)

Проводимость прямой передачи, которую определяют при короткозамкнутом для переменной составляющей выходе транзистора:

При ω = 1 Мрад/сY21(ω) = 1049,9 мкСм

При ω = 2 Мрад/сY21(ω) = 929,8 мкСм

При ω = 3 Мрад/сY21(ω) = 789,6 мкСм

При ω = 8 Мрад/сY21(ω) = 394,8 мкСм

При ω = 13 Мрад/сY21(ω) = 227,3 мкСм

При ω = 18 Мрад/сY21(ω) = 108 мкСм

По полученным данным построим график зависимости Y21(ω) (рисунок 16).

Рисунок 16 - График зависимости Y21(ω)

Выходная проводимость, которую определяют при короткозамкнутом для переменной составляющей входе транзистора:

При ω = 1 Мрад/сY22(ω) = 30,8 мкСм

При ω = 2 Мрад/сY22(ω) = 43,82 мкСм

При ω = 3 Мрад/сY22(ω) = 59,5 мкСм

При ω = 8 Мрад/сY22(ω) = 146,15 мкСм

При ω = 13 Мрад/сY22(ω) = 235,3 мкСм

При ω = 18 Мрад/сY22(ω) = 324,9 мкСм

По полученным данным построим график зависимости Y22(ω) (рисунок 17).

Рисунок 17 - График зависимости Y22(ω)

Вывод

В ходе выполнения курсовой работы определены параметры и статические характеристики транзисторов. Для биполярного транзистора КТ301Ж графически определены h - параметры: h11Э = 2800 Ом - входное сопротивление, h21Э = 114,2 - коэффициент передачи по току при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока, h12Э = 9,4 - коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе для переменной составляющей тока, h22Э = 0,61 мСм - выходная проводимость транзистора при разомкнутом входе для переменной составляющей тока.

Для полевого транзистора КП103Ж графически определены: крутизна характеристики - S= 1,1 мА/В, внутреннее сопротивление Ri = 40 кОм, статический коэффициент усиления µ.= 44.

В соответствии условиями задания рассчитаны параметры эквивалентной схемы, определены граничные и предельные частоты транзисторов.

Для биполярного транзистора записаны выражения для модулей ½Y21(w)½, ½Y11(w)½ и построены графики этих зависимостей от частоты. Из графиков следует, что при увеличении частоты, проводимость прямой передачи убывает, а входная проводимость возрастает.

Для полевого транзистора записаны выражения для модулей Y-параметров и построены графики данных зависимостей от частоты. Входная проводимость |Y11(w)|, проводимость обратной передачи |Y12(w)|, выходная проводимость |Y22(w)|: - линейно возрастают с увеличением частоты; а проводимость прямой передачи - |Y21(w)| линейно убывает с увеличением частоты.

Список литературы

1.      Валенко В.С., Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств, ─ М.: "Додэка", 2001

2.      Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник / Под ред. Н.Н. Горюнова. М.: Энергоатомиздат, 1985

.        Транзисторы для аппаратуры широкого применения.: Справочник / Под ред. Б.Л. Перельмана. М.: Радио и связь, 1981

.        Тугов Н.М. Полупроводниковые приборы: учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1990

.        Москатов Е.А. Справочник по полупроводниковым приборам, - Таганрог, 2004

.        Москатов Е.А. Электронная техника, - Таганрог, 2004