КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
п.3. Принцип действия полупроводникового триода ⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2 Полупроводниковый триод можно рассматривать как систему из двух р-п переходов (2-х диодов), соединенных последовательно навстречу друг другу. Эту систему называют р-п-р (или п-р-п) переходом. (рис.2).
Рис.2. Схема полупроводниковых триодов.
Триод состоит из двух слоев примесного полупроводника одного типа разделенных тонкой прослойкой того же полупроводника другого типа проводимости. Эта прослойка имеет форму тонкой пленки значительной площади сечения и поэтому рассматриваемые триоды называют плоскостными, в отличие от точечных триодов, в которых площадь сечения р-п-р перехода является весьма незначительной. Принцип действия плоскостных и точечных триодов одинаков. Рассмотрим механизм усиления триодом на примере р-п-р транзистора, который представляет собой кристалл, в котором существует три области проводимости: две крайние - с дырочной проводимостью р и одну среднюю - с электронной п. На рис.3. представлена идеализированная схема транзистора. При отсутствии внешних напряжений на границах средней области образуются контактные разности потенциалов Uэ и Uк, условно показанные на рис.3 в виде батарей. Контакты, соединяющие указанные 3 области с внешней цепью, называются эмиттером Э, коллектором К, базой Б. Транзистор включен по схеме с общей базой. Источник усиливаемого напряжения Uвх включается в цепь эмиттера, а сопротивление нагрузки Rм в цепь коллектора.
Рис.3.
Не вдаваясь в подробности, рассмотрим принцип действия транзистора. Подключение батареи eэ компенсирует контактную разность потенциалов Uэ. В этом случае дырки из области эмиттера двигаются в область базы. При этом эмиттер как бы инжектирует дырки в базу. В этом отношении он подобен катоду электронной лампы. Если включено также напряжение eк между коллектором и базой, то тем самым будет создано электрическое поле между эмиттером и коллектором. Под действием этого поля дырки, инжектированные в базу, будут продолжать свое движение по направлению к коллекторному переходу и, дойдя до него, будут втянуты в коллектор. Следует иметь в виду, что коллекторный переход не препятствует, а помогает указанному (слева направо) движению дырок. Он является запорным только для перемещения дырок в обратном направлении из коллектора в базу и сдерживает переход электронов из базы в коллектор. Если входное напряжение меняется во времени по определенному закону Uвх=f(t), то количество перешедших в базу дырок, а следовательно, и коллекторный ток будут меняться по тому же закону (линейному режиму). Плоскостной транзистор можно представить в виде четырехполюсника (рис.4). Напряжение на входе U1 и ток на выходе J2 связаны с напряжением на выходе U2 и током на входе J1 уравнениями:
U1 = h11J1 + h12U2, (1)
J2 = h21J1 + h22U2. (2)
h11, h12, h21, h22 - параметры четырехполюсника, которые необходимо определить для полной его характеристики. Параметры транзистора, являющегося четырехполюсником, наиболее просто найти из уравнений в двух режимах работы транзистора. 1) В режиме короткого замыкания на выходе (U2=0). Из уравнений (1) и (3) получаем: - входное сопротивление транзистора, - коэффициент усиления по току. 2) В режиме холостого тока на выходе (J1=0). Аналогично из уравнений (1) и (2) получаем: - обратный коэффициент усиления транзистора по напряжению, - проводимость транзистора. Наряду с рассматриваемой схемой включения транзистора с общей базой, существуют схемы с общим коллектором и общим эмиттером. Очевидно, для каждого из трех способов включения транзистора параметры h11, h12, h21, h22 будут отличаться друг от друга. Таким образом, существуют следующие параметры: h11d, h12d, h21d, h22d - общая база, h11к, h12к, h21к, h22к - общий коллектор, h11э, h12э, h21э, h22э - общий эмиттер. Если известны параметры для схемы с общим эмиттером, то параметры для остальных схем включения можно определить из следующих уравнений. Для схемы с общей базой Б: ; ; ; ; (3) Для схемы с общим коллектором К: h11к = h11э; h12к = 1-h12э h21к = -(1+h21э); h22к = h22э (4) Параметры транзистора для низких частот можно определить по его стратегическим характеристикам. При этом нет необходимости в трудно осуществимых режимах короткого замыкания и холостого хода. На схеме (рис.5) цепь эмиттера представляет собой вход, а коллектора - выход, т.е. Jб=J1; Uэ=U1; Jк=J2; Uк=U2. Тогда исходные уравнения для четырехполюсника можно представить в виде: Uэ = h11эJб + h12эUк, (5) Jк = h21эJб + h22эUк. (6)
Схема цепи для снятия вольтамперных характеристик триода. В схеме использованы следующие приборы: ГТ.108 А - германиевый триод, Ак - милиамперметр на 15 мА для измерения тока через коллектор Jк, Аб - миллиамперметр на 1 мА для измерения тока через базу, Vк - вольтметр на 30 В для измерения напряжения Uк между коллектором и базой, Vэ - вольтметр на 1 В для измерения напряжения эмиттера - база Uэ, Rк - сопротивление на 1230 Ом, R1 и R2 - потенциометры, которые приключаются соответственно к селеновому выпрямителю (15 В) и к кенотронному выпрямителю (0,4 В), К1 и К2 - рубильники. Рассмотрим теперь 2 условия проведения опыта: 1) Ток в цепи базы не меняется (Jб=const). Дифференцируя уравнение (3) по Uк получаем: . Из уравнения (4) имеем: . 2) Напряжение между коллектором и базой не меняется (Uк=const). Из уравнения (3) и (4) получаем: ; . В конечных приращениях параметры транзистора можно переписать в виде: - входное сопротивление транзистора (7), - коэффициент усиления по току (8), - коэффициент усиления по напряжению (9), - выходное сопротивление транзистора (10). Таким образом, для определения всех параметров достаточно снять семейства характеристик. 1) Выходных - зависимость тока коллектора Jк от напряжения Uк на коллекторе при различных значениях тока Jб в цепи базы: и .
На графиках выбираются участки наиболее близкие к прямолинейным.
Отсюда находятся DJк1, DJк2, DUк затем в соответствии с формулами (10) и (8) определяются: - коэффициент усиления по току (11) - выходное сопротивление транзистора (12) 2) Входных - зависимость тока базы Jd от напряжения Uэ между базой и эмиттером при различных напряжениях Uк на коллекторе: и
На графиках выбираются участки наиболее близкие к прямолинейным.
Из этого семейства кривых находятся DUd, DUd2, DJd и затем в соответствии с формулами (9) и (7) определяются:
- входное сопротивление транзистора (13), - коэффициент усиления транзистора по напряжению (14). На графиках выбираются участки наиболее близкие к прямолинейным. Это соответствует режиму работы триода в радиотехнических схемах.
п.3. Порядок выполнения работы
Для выполнения работы используется схема с общим эмиттером (рис.5). Схема дается в готовом (собранном) виде. 1. Поставить подвижный контакт потенциометров R1 и R2 в нулевое положение (положение "а" на рис.5). 2. Замкнуть рубильник К1 и потенциометром R1 установить показания миллиамперметра Аd на 20 мА. 3. Замкнуть рубильник К2 и потенциометром R2 установить показания вольтметра Vк на 1 В, измерить ток Jк. Затем, устанавливать последовательно показания вольтметра Vк на 1, 2, 3, 4, 5 В, снять соответственно показания миллиамперметра Ак. При этом следует каждый раз следить за тем, чтобы ток Jd оставался равным 20 мА. Данные поместите в следующую таблицу.
4. Произвести измерения, аналогичные указанным выше, при токе Jd = 0,8 мА На основании полученных данных построить характеристики Jк = f(Uк) при Jd = const 5. Пользуясь полученными графиками, определить коэффициент усиления по току и выходное сопротивление транзистора (см. формулы (11) и (12) и рис.6). 6. Замкнуть рубильник К2 и установить с помощью потенциометра R2 напряжение на коллекторе Uк = 0 (4) В. В последующем перед каждым измерением проверять значения Uк и в случае изменения устанавливать на 0 и (4) В. 7. Замкнуть рубильник К1 и с помощью потенциометра R1 установить показания вольтметра Vэ на 0,16 В. После этого замерить показания тока через базу Jd. Снять измерения Jd, меняя показания вольтметра Vэ через 0,04 В до значения 0,4 В. Данные измерения записать в виде таблицы
8. Повторить вышеуказанные измерения для постоянного напряжения на коллекторе Uк = 8 В. По полученным данным построить характеристики Jd = f(Uэ) при Uк = const 9. Пользуясь полученными графиками, определить входное сопротивление и коэффициент усиления по напряжению (см. формулы (13), (14) и рис.7). 10. Студенты ЭТФ вычисляют параметры для схем с общей базой и коллектором (см.формулы (3) и (4)). Контрольные вопросы 1. Каков принцип действия транзистора? 2. Что называется параметрами транзистора и как они определяются? 3. Зависят ли параметры транзистора от способа его включения? Почему? 4. Почему кривая проходит выше кривой ? 5. Почему кривая проходит ниже кривой ? Литература 1. Яворсккий В.М., Детлаф А.А., Милковская Л.Б. Курс физики, т.2, 1966, с.394-397. 2. Савельев И.В., Курс общей физики, т.2, 1968, с.221-227. 3. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики, т.2, 1972, с.184-186. 4. Дзюбин И. Путешествие в страну лилипутов. М., 1970.
|