СНЯТИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ТРИОДА

В.В. Мухаев, к.ф.-м.н., доцент

Д.В. Мухаева, к.т.н., ст. преподаватель

Улан-Удэ

2008 г.

СНЯТИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ТРИОДА

Приборы и принадлежности:

Схема цепи для снятия вольтамперных характеристик триода с общим эмиттером (Триод германиевый, марка – ГТ. 108 А) представлена на рис.1.

Рис.1. Схема цепи для снятия вольтамперных характеристик триода с общим эмиттером.

1. Транзистор ГТ 108 А.

2. Миллиамперметр ( - для измерения тока через коллектор . Максимальное значение не должно превышать 50 мА).

3. Миллиамперметр ( - для измерения тока через базу, максимальное значение не должно превышать 0,4 мА).

4. Вольтметр ( - для измерения напряжения между коллектором и базой. не должно превышать 15 В).

5. Вольтметр ( - для измерения напряжения эмиттер – база. не должно превышать 0,4 В).

6. и потенциометры, которые подключаются соответственно к выпрямителю (15В) и к кенотронному выпрямителю (0,4В).

7. Сопротивление на 1200 Ом.

8. и рубильники.

(при выполнении работы запрещено увеличивать ток коллектора выше 3 мА)

Цель работы:

Целью работы является снятие двух семейств вольтамперных характеристик триода с общей базой:

1) выходных характеристик – зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе при различных постоянных значениях тока в цепи базы: , ;

2) входных характеристик – зависимость тока базы от напряжения между базой и эмиттером при различных постоянных напряжениях на коллекторе: , .

1. Введение

Впервые транзисторы были созданы в 1948 г. Благодаря ряду преимуществ перед электронными лампами (малые габариты и вес, продолжительный срок службы, высокая механическая прочность, отсутствие цепей накала) транзисторы нашли широкое применение в радиотехнических устройствах в качестве усилителей, генераторов колебаний, смесителей и т.д. Дальнейшая разработка транзисторов послужила развитию электронной промышленности, транзистор стал предшественником новых приборов, для начало новой полупроводниковой технологии.

Полупроводниковые триоды (транзисторы) выполняют ряд функций обычной трехэлектродной лампы, в некоторых случаях решают специфические задачи, которые не могут быть осуществлены с помощью ламп. Слово «транзистор» происходит от сочетания английских слов «transfer» и «resistor», что означает «преобразователь сопротивления».

2. Свойства p-n перехода

Известно, что в зависимости от природы примесей, «свободными» зарядами в полупроводнике являются электроны или «дырки». В первом случае полупроводник и его проводимость называется электронным (n-типа), во втором дырочным (p-типа). Например, присутствие в германии атомов мышьяка создает электронную проводимость, а примесь атомов индия – дырочную.

Представим, что полупроводники разного типа проводимости (p и n) контактируют между собой. На границе их соприкосновения, которую называют p-n переходом, имеет место диффузионный переход «дырок» в n- область и электронов в p – область. Такое перемещение свободных зарядов создает в узком приконтактном слое толщиной 10^-4, 10^-6 см электрическое поле, препятствующее дальнейшей диффузии зарядов. Кроме того, при встрече электрона с «дыркой» имеет место их рекомбинация, поэтому область оказывается обедненной носителями тока по сравнению с основной толщиной полупроводника.

Образовавшийся в «p-n» переходе слой называется запирающим. Он обладает односторонней проводимостью, т.е. по отношению к приложенному внешнему напряжению он ведет себя подобно электронной лампе – диоду.

Действительно, при подключении p-n перехода в цепь внешнего источника напряжения, в нем будет создано электрическое поле E, которое будет действовать на положительные («дырки») и отрицательные (электроны) заряды в противоположные стороны.

Рис. 2. Изменение концентрации электронов (●) и дырок (○) в переходе под действием электрического поля.

В одном случае (рис. 2а) это поле будет сближать электроны и дырки. При этом толщина запирающего слоя резко уменьшается, уменьшается и сопротивление запорного слоя. p-n переход не будет оказывать препятствия прохождению тока. Это так называемое пропускное направление контакта двух полупроводников разного типа проводимости для тока.

В другом случае (рис. 2 б) электроны и дырки будут удаляться от границы раздела, что приведет уменьшению концентрации зарядов в p-n переходе, увеличению его толщины и резкому увеличению сопротивления. Такое направление поля называется запирающим, поскольку при этом величина электрического тока будет ничтожно малой (в 10⁴ – 10⁵ раз меньший), чем в пропускном направлении.

3. Принцип действия полупроводникового триода

Полупроводниковый триод можно рассматривать как систему из двух p-n переходов, соединенных навстречу друг другу. Эту систему называют p-n-p или n-p-n переходом (см. рис. 3)

Рис.2. Схема полупроводниковых триодов

Триод состоит из двух слоев примесного полупроводника одного типа разделенных тонкой прослойкой того же того же полупроводника другого типа проводимости.

Рассмотрим механизм усиления триодом на примере p-n-p транзистора, который представляет собой кристалл, в котором существует три области проводимости: Две крайние – с дырочной проводимостью p и одну среднюю – с электронной проводимостью. На рис. 4 представлена идеализированная схема транзистора.

Рис. 4. Схема транзистора включенного по схеме с общей базой.

При отсутствии внешних напряжений на границах средней области образуются контактные разности потенциалов и условно показанные на рис. 4 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 включается в цепь эмиттера, а сопротивление нагрузки в цепь коллектора.

Подключение батареи компенсирует контактную разность потенциалов . 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 между коллектором и базой, то 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.

Если входное напряжение меняется во времени по определенному закону , то количество перешедших в базу дырок, следовательно, и коллекторный ток будет меняться по тому же закону (линейному режиму).

Плоскостной транзистор можно представить в виде четырехполюсника (рис.5).

Рис.5. Транзистор, представленный в виде четырехполюсника.

Напряжение и ток на выходе связаны с напряжением на выходе и током на входе уравнениями:

(1)

(2)

здесь , , , - параметры четырехполюсника, которые необходимо определить для полной его характеристики.

Параметры транзистора «четырехполюсника» наиболее просто найти из уравнений в двух режимах работы транзистора.

1) В режиме короткого замыкания на выходе ( ). Из уравнений (1) и (2) получаем:

- входное сопротивление транзистора

- коэффициент усиления по току.

2) В режиме холостого тока на выходе ( ) из уравнений (1) и (2) получаем:

- обратный коэффициент усиления транзистора по напряжению.

- проводимость транзистора.

Наряду с рассматриваемой схемой включения транзистора с общим базой, существуют схемы с общим коллектором и общим эмиттером. Тогда для каждого способа включения транзистора параметры , , , будут отличаться друг от друга.

Таким образом, существуют следующие параметры:

, , , - общая база,

, , , - общий коллектор,

, , , - общий эмиттер.

Если известны параметры для схемы с общим эмиттером, то параметры для остальных схем включения можно определить из следующих уравнений:

1) для схемы с общей базой

; ; (3)

; ;

2) для схемы с общим коллектором

; ; (4)

;

Параметры транзистора для низких частот можно определить по его статическим характеристикам. При этом не необходимости в трудно осуществимых режимах короткого замыкания и холостого хода. На схеме цепи для снятия вольтамперных характеристик триода с общим эмиттером (рис.1) цепь эмиттера представляет собой вход, а коллектор – выход, т.е. , , , . Тогда исходные уравнения (1), (2) для четырехполюсника можно представить в виде:

, (5)

. (6)

Рассмотрим два условия проведения опыта:

1) Ток в цепи базы не меняется ( ).

Дифференцируя уравнение (5) по получим:

.

Дифференцируя уравнение (6) по получим:

2) Напряжение между коллектором и базой не меняется .

Дифференцируя уравнения (5) и (6) по получаем:

; .

В конечных приращениях параметры транзистора можно получить в виде:

(7) - входное сопротивление транзистора;

(8) – коэффициент усиления по току транзистора;

(9) – коэффициент усиления по напряжению транзистора;

(10) – выходное сопротивление транзистора.

Таким образом, для определения всех параметров достаточно снять семейства: 1) входных характеристик - зависимость тока базы от напряжения между базой и эмиттером при различных постоянных напряжениях на коллекторе: , На графиках выбрать наиболее близкие к прямолинейным участки, и определить , , ;

2) выходных характеристик – зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе при различных постоянных значениях тока в цепи базы: , . На графиках выбрать наиболее близкие к прямолинейным участки, и определить , , .

4. Порядок выполнения работы

Для выполнения работы пользуются схемой (рис.1) с общим эмиттером.

1) Снятие выходных вольтамперных характеристик транзистора с общим эмиттером.

1. Подвижной контакт потенциометров и установить в нулевое положение.

2. Замкнуть рубильник и потенциометром установить показания миллиамперметра на 20 мА.

3. Замкнуть рубильник и потенциометром установить показания вольтметра последовательно на 1, 2, 3, 4, 5В и т.д. снять соответственно показания миллиамперметра при этом следить каждый раз, чтобы ток оставался равным 20 мА. Данные занести в таблицу 1.

4. Потенциометром установить показания миллиамперметра на 25≈30 мА, и снять показания миллиамперметра при этом следить каждый раз, чтобы ток оставался равным 25≈30 мА.

Таблица 1

5. Построить графики , .

6. Выбрать на графиках наиболее прямолинейные участки и из графика определить и и и определяем в соответствии с формулами (10) и (8) выходное сопротивление и усиление по току .

2) Снятие входных вольтамперных характеристик транзистора с общим эмиттером.

1. Замкнуть рубильник и установить с помощью потенциометра напряжение на коллекторе .

2. Замкнуть рубильник , с помощью потенциометра устанавливаем показания вольтметра на 0,16 В. После этого замеряем показания тока , меняя показания вольтметра через 0,04 В до значения 0,4 В. Данные заносим в таблицу 2.

3. Повторить вышеуказанные измерения тока для постоянного напряжения на коллекторе , меняя показания вольтметра .

Таблица 2

4. Построить график , .

5. Выбрать на графиках наиболее прямолинейные участки и из графика определить и и и определяем в соответствии с формулами (7) и (9) входное сопротивление и усиление по напряжению .

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?

4. Почему кривая проходит выше кривой ?

5. Почему кривая проходит ниже кривой ?

Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. 1968 г. с. 221-227.

2. Яворский В.М. и др. Курс физики. Т.2. 1961 г. С.394-397.

3. Епифанов Г.И. Физика твердого тела. 1977г. С. 128-134.