п.3. Принцип действия полупроводникового триода

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 U_э и U_к, 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 U_вх включается в цепь эмиттера, а сопротивление нагрузки R_м в цепь коллектора.

Рис.3.

Не вдаваясь в подробности, рассмотрим принцип действия транзистора. Подключение батареи e_э компенсирует контактную разность потенциалов U_э. 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 e_к 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 U_вх=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:

h_11d, h_12d, h_21d, h_22d - общая база,

h_11к, h_12к, h_21к, h_22к - общий коллектор,

h_11э, h_12э, h_21э, h_22э - 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:

h_11к = h_11э; h_12к = 1-h_12э

h_21к = -(1+h_21э); h_22к = h_22э (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. J_б=J₁; U_э=U₁; J_к=J₂; U_к=U₂. Тогда исходные уравнения для четырехполюсника можно представить в виде:

U_э = h_11эJ_б + h_12эU_к, (5)

J_к = h_21эJ_б + h_22эU_к. (6)

Схема цепи для снятия вольтамперных характеристик триода. В схеме использованы следующие приборы:

ГТ.108 А - германиевый триод,

А_к - милиамперметр на 15 мА для измерения тока через коллектор J_к,

А_б - миллиамперметр на 1 мА для измерения тока через базу,

V_к - вольтметр на 30 В для измерения напряжения U_к между коллектором и базой,

V_э - вольтметр на 1 В для измерения напряжения эмиттера - база U_э,

R_к - 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 (J_б=const). Дифференцируя уравнение (3) по U_к получаем:

.

Из уравнения (4) имеем:

.

2) Напряжение между коллектором и базой не меняется (U_к=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 J_к от напряжения U_к на коллекторе при различных значениях тока J_б в цепи базы: и .

На графиках выбираются участки наиболее близкие к прямолинейным.

Отсюда находятся DJ_к1, DJ_к2, DU_к затем в соответствии с формулами (10) и (8) определяются:

- коэффициент усиления по току (11)

- выходное сопротивление транзистора (12)

2) Входных - зависимость тока базы J_d от напряжения U_э между базой и эмиттером при различных напряжениях U_к на коллекторе: и

На графиках выбираются участки наиболее близкие к прямолинейным.

Из этого семейства кривых находятся DU_d, DU_d2, DJ_d 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 А_d на 20 мА.

3. Замкнуть рубильник К₂ и потенциометром R₂ установить показания вольтметра V_к на 1 В, измерить ток J_к. Затем, устанавливать последовательно показания вольтметра V_к на 1, 2, 3, 4, 5 В, снять соответственно показания миллиамперметра А_к. При этом следует каждый раз следить за тем, чтобы ток J_d оставался равным 20 мА.

Данные поместите в следующую таблицу.

4. Произвести измерения, аналогичные указанным выше, при токе

J_d = 0,8 мА

На основании полученных данных построить характеристики

J_к = f(U_к) при J_d = 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 U_к = 0 (4) В. В последующем перед каждым измерением проверять значения U_к и в случае изменения устанавливать на 0 и (4) В.

7. Замкнуть рубильник К₁ и с помощью потенциометра R₁ установить показания вольтметра V_э на 0,16 В. После этого замерить показания тока через базу J_d. Снять измерения J_d, меняя показания вольтметра V_э через 0,04 В до значения 0,4 В.

Данные измерения записать в виде таблицы

8. Повторить вышеуказанные измерения для постоянного напряжения на коллекторе U_к = 8 В.

По полученным данным построить характеристики

J_d = f(U_э) при U_к = 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.