Изучение работы транзистора

 

Цель работы: познакомиться с устройством и принципом работы транзистора, определить коэффициент усиления транзистора. Определить обратный ток коллектора.

 

8.1 Краткие теоретические сведения

 

Транзисторами (полупроводниковыми триодами) называют полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления и генерирования колебаний параметров электрического тока. Они представляют собой полупроводниковый кристалл с тремя областями различной примесной проводимости, образующими два встречных р-п-перехода, взаимодействующими между собой через конструктивно тонкий промежуток, называемый базой. Соответственно в зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы р-n-p-типа (рис.8.1, а) и n-р-n-типа (рис.8.1, б). Один из р-п-переходов называется эмиттерным переходом или просто эмиттером (Э на рис. 8.1), а второй – коллекторным или коллектором (К на рис. 8.1). К каждой из областей припаяны металлические электроды для включения прибора в электрическую цепь.

Внизу на рис. 8.1 под каждым из рисунков представлены символические обозначения соответствующих транзисторов в электрических схемах.

Принцип усилительного действия транзистора состоит в следующем. Усиливаемый сигнал U_вх (рис. 8.2) подается в эмиттерный переход, где источник внешнего напряжения Б_Э включен в пропускном (прямом) направлении и малые изменения напряжения ведут к значительным изменениям тока эмиттера. В коллекторный переход источник тока Б_К включается в запорном (обратном) направлении и в идеальном случае ток в цепи коллектора должен отсутствовать без наличия тока эмиттера. Однако благодаря тому, что база тонкая, ее размеры не превышают в обычных транзисторах 0,025 мм, что во много раз меньше диффузионной длины носителей тока, основные носители тока, поступающие в базу, не успевают рекомбинировать и создать, таким образом, эмиттерный ток, а захватываются электрическим полем коллекторного р‑п‑перехода. Электрическое поле этого перехода всегда направлено так, что оно способствует захвату носителей тока, поступающих в базу (см. рис. 8.2). В коллекторной цепи ставится источник тока Б_К, за счет энергии которого осуществляется усиление сигнала.

Поступившие в коллектор основные носители (порядка 98…99%) захватываются этим источником тока и создают ток через большое нагрузочное сопротивление R_н, что ведет к усилению входного сигнала по напряжению (см. рис. 8.2).

Описанная выше картина процессов в транзисторе является схематичной. Примесная проводимость полупроводников существует на фоне основной проводимости базового кристалла, то есть германия или кремния, которая, являясь проводимостью смешанного типа, поставляет наряду с основными носителями тока и неосновные. Внутренние электрические поля р‑п-переходов, препятствуя движению основных носителей данного примесного полупроводника, способствуют движению неосновных носителей в зоны противоположной примесной проводимости – через р‑п-переходы идет обратный ток. Обратный ток, будучи в миллионы раз меньше прямого, создает все-таки сложности в работе приборов. В частности, из-за высокого сопротивления р‑п-перехода обратному току происходит избыточное нагревание кристалла и увеличение его собственной проводимости.

При достаточно высокой температуре, когда примесные центры истощаются (см. п. 4.1), прямой и обратный токи практически выравниваются, а р-п-переходы исчезают, прибор выходит из строя. Для соблюдения температурного режима работы транзисторов их необходимо устанавливать на теплоотводящую пластинку, которая является частью теплового радиатора прибора. Это приводит к лишним потерям энергии и увеличивает габариты прибора, а значит, и всего устройства, где транзисторы используются. Серьезным недостатком полупроводниковых триодов является то, что их нормальная работа возможна только в сравнительно узком температурном интервале. Для германия температура перехода к собственной проводимости - порядка 100°С. При этой температуре резко увеличивается собственная проводимость, и управление потоками носителей тока становится невозможным. По этой причине верхний предел германиевых транзисторов поддерживается не выше 55…75°С.

При низких температурах энергии теплового движения оказывается недостаточно для ионизации необходимого количества примесей, перевода их в зону проводимости. Это приводит к сильному увеличению сопротивления прибора и к нарушению режима его работы. Для обычных полупроводниковых триодов нижний предел рабочих температур достигает ‑55°С. Тем не менее транзисторы имеют ряд преимуществ перед, например, ламповыми триодами, использовавшимися до транзисторов: они малогабаритны, безинерционны, потребляют мало энергии, устойчивы к механическим нагрузкам, что определило их широкое применение в радио-, теле- и электротехнике.

Усиление по напряжению и мощности, создаваемое транзисторами, определяется их собственными свойствами, но зависит также от параметров схем включения в электронных схемах.

В зависимости от того, какой из электродов будет общим для входного и выходного сигналов, различают три основные схемы включения транзисторов.

а) Схема с общей базой. В схеме с общей базой (рис. 8.3) входной сигнал действует между эмиттером и базой. Входным является ток эмиттера, а выходным - ток коллектора. Так как ток эмиттера больше тока коллектора, то усиления по току не происходит. Коэффициент усиления по току

(8.1)

Эта схема усиливает только по напряжению и мощности и имеет малое входное и большое выходное R_н сопротивления.

б) Схема с общим эмиттером. В схеме с общим эмиттером входной сигнал действует между базой и эмиттером (рис. 8.4), а нагрузка включается между коллектором и эмиттером. Входным является ток базы, а выходным - ток коллектора. Эта схема усиливает и по току и по напряжению. Ее входное и выходное сопротивления велики.

Коэффициент усиления по току β этой схемы определяют по семейству статических вольтамперных характеристик, то есть по зависимости тока коллектора I_К от напряжения между эмиттером и коллектором U_КЭ при различных фиксированных значениях тока базы (рис. 8.5):

(8.2)

Коэффициенты усиления α и β связаны между собой соотношениями:

(8.3)

которые позволяют по значению одного из коэффициентов вычислить другой.

в) Схема с общим коллектором. В схеме с общим коллектором (рис. 8.6) входной сигнал поступает на управляющий переход эмиттер - база, проходя через нагрузку R_н , а сама нагрузка включается между эмиттером и коллектором и выходное сопротивление составляет лишь часть входного. Это приводит к тому, что коэффициент усиления схемы по напряжению всегда меньше единицы. Коэффициент усиления схемы по току равен:

(8.4)

Эта схема используется для согласования каскадов, обладающих большим выходным сопротивлением и малым входным.

 

Незатухающие электромагнитные колебания создаются генераторами электромагнитных колебаний, представляющие собой автоколебательные системы.

return false">ссылка скрыта

На рис. 8.7, а представлена принципиальная схема генератора электромагнитных незатухающих колебаний. В колебательном контуре L₁R₁C возникают затухающие свободные колебания, частота которых определяется параметрами контура. Энергия контура восстанавливается от источника тока Б через устройство обратной связи, являющее собой, например, транзистор, открытие которого регулируется ЭДС индукции, наводящейся в катушке связи L₂. Источник тока Б_с и сопротивление смещения R регулируют величину порции энергии, необходимой для компенсации потерь в контуре (см. рис. 8.7 б). Если вместо сопротивления R использовать микрофон или другое устройство, то электромагнитные колебания будут модулированы по интенсивности, например, звука (рис. 8.7).

 

 

8.2 Экспериментальная установка и метод

 

Исследуется транзистор П201, включенный по схеме с общим эмиттером (см. п. 8.1, б). Это германиевый транзистор р-п-р-типа. Транзистор установлен на теплоотводящем радиаторе, как это предусмотрено инструкцией его эксплуатации.

Для исследования работы транзистора выполняются два упражнения. В первом упражнении строятся его статические вольтамперные характеристики (см. рис. 8.5). По характеристикам, с использованием формул типа (8.2), определяется коэффициент усиления по току b и по формуле (8.3) рассчитывается коэффициент передачи тока a. Для построения характеристик используется экспериментальная установка, принципиальная схема которой приведена на рис. 8.8. Транзистор Тр питается от источника тока Ис. Напряжение в цепи «коллектор-эмиттер» регулируется реостатом, включенным по схеме потенциометра П. Измеряется напряжение вольтметром V. Коллекторный ток измеряется миллиамперметром mA_к. Ток в цепи «эмиттер-база» (ток базы) регулируется магазином сопротивлений М, имеющим три декадника с кратностями, соответственно, ´10 000 Ом, ´1 000 Ом и ´100 Ом. Измеряется ток базы базовым миллиамперметром mA_б.

 

Второе упражнение посвящено измерению обратного тока коллектора, для чего используется установка, схема которой приведена на рис. 8.9.

Эмиттер отсоединен. На базу подается положительный потенциал. Напряжение в цепи «база-коллектор» регулируется потенциометром П и измеряется вольтметром V. Ток в цепи измеряется микроамперметром mA. Обратите внимание, что полярность его подключения обратная той, что была в схеме упражнения 1 (рис. 8.8).

 

8.3 Упражнения

 

8.3.1 Упражнение 1. Исследование работы транзистора