Лабораторная работа №12 Изучение статических характеристик транзистора

Цель работы: 1.Изучение статических характеристик транзистора П-210.

2.Определение параметров транзистора П-210.

Приборы и принадлежности: Лабораторная установка (транзистор П-210, микроамперметр, милливольтметр).

Краткая теория

Транзисторами называются полупроводниковые приборы, у которых изменение тока во входной цепи вызывает изменение сопротивления выходной цепи (наиболее общее определение транзистора).

Иногда транзисторами называют полупроводниковые приборы с n–p – переходами, предназначенные для усиления или генерации электрических сигналов и имеющие три или более выходов.

Слово “транзистор” происходит от английских слов “transformer of resistance” – “преобразователь сопротивления”.

В настоящее время существует много разновидностей точечных и плоскостных транзисторов, различающихся по мощности, диапазону частот, технологии изготовления и даже по принципу действия.

Для изготовления транзисторов используются германий и кремний, так как они характеризуются большой механической прочностью, химической устойчивостью и большей, чем в других полупроводниках, подвижностью носителей тока.

Полупроводниковый триод представляет систему двух близко расположенных друг к другу n-p – переходов в одном монокристалле полупроводника. Существуют транзисторы p–n–p и n–p–n типов. Наиболее распространенными являются транзисторы p–n–p типа (схематично представлен на рис.1а).

Переходы типа p–n могут быть созданы, например вплавлением индиевых электродов в пластину n–германия. При охлаждении у границы с электродами образуются тонкие слои с большей концентрацией дырок. Посредине остается тонкий слой n–германия, называемый базой. Прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости называются эмиттером и коллектором. Концентрация дырок в этих областях с проводимостью p–типа значительно больше концентрации электронов в базе с проводимостью n–типа. Транзисторы включаются в схему с помощью невыпрямляющих контактов – металлических проводников.

Энергетическая диаграмма двух p–n – переходов в равновесном состоянии представлена на рис.1б.

а б

рис.1

а б

рис.2

В каждом n–p – переходе имеется перепад потенциалов. Между эмиттером и базой прикладывается постоянное смещающее напряжение в прямом направлении (пропускное направление), а между базой и коллектором – постоянное смещающее напряжение в обратном направлении (запирающее направление) (рис.2а). Под действием приложенного к эмиттерному переходу прямого напряжения (порядка нескольких десятых долей вольта) левый потенциальный барьер понизится, дырки эмиттера “впрыскиваются” – инжектируются – в область базы, а электроны из базы переходят в эмиттер (рис.2б). Однако концентрация дырок в эмиттере значительно больше концентрации электронов в базе и поэтому поток дырок из эмиттера в базу, создающий ток значительно превышает поток электронов из базы в эмиттер. У границы левого запорного слоя в n–области создается повышенная неравновесная концентрация дырок, вызывающая диффузию дырок в n–области, по направлению к правому n–p – переходу. Благодаря малой толщине базы лишь незначительная часть дырок, вошедших в базу, рекомбинирует с электронами, создавая тем самым небольшой ток через вывод базы. Большая часть дырок (96 – 98%) за счет градиента концентрации диффундируют через базу и достигают правого перехода. К правому переходу приложено отрицательное напряжение, которое повышает потенциальный барьер для основных носителей заряда, т.е. электронов n–области и дырок p–области (рис.2б). Для дырок эмитированных в базу и успевших продиффундировать к n–p – переходу, потенциального барьера нет, они втягиваются в область коллектора отрицательным напряжением, создавая выходной коллекторный ток. Область базы должна быть настолько тонкой, чтобы дырки, инжектированные через левый n–p – переход, успели достичь правого n–p – перехода прежде, чем успеют рекомбинировать с электронами базы. Ток коллектора будет меньше тока эмиттера на величину тока базы.

Полупроводниковый триод, как и вакуумный триод, может быть использован для усиления переменных сигналов. Если включить в цепь эмиттера источник сигнала ε, то на постоянный ток, создаваемый батареей, наложится переменный ток источника сигнала и поток дырок через эмиттерный переход будет тоже переменным.

Изменение тока эмиттера ΔI_Э вызывает изменение тока коллектора ΔI_К. Величина

называется коэффициентом усиления по току, который при таком включении транзистора (по схеме с общей базой рис.2) всегда <1. Но при включении транзистора по схеме с общей базой можно получить усиление по напряжению.

Поскольку коллекторный переход включен в запорном направлении, то его сопротивление R_К на несколько порядков выше сопротивления эмиттерного перехода R_Э. Поэтому при одинаковых изменениях токов на эмиттере и коллекторе ΔI_К ≈ ΔI_Э изменение напряжения в цепи коллектора может быть во много раз больше, чем в цепи эмиттера.

Откуда

>>1,

где k – коэффициент усиления по напряжению.

Кроме схемы с общей базой, возможно включение полупроводниковых транзисторов по схеме с общим эмиттером (рис.3) и общим коллектором. При этом физические процессы, протекающие в полупроводниковых транзисторах, не меняются. При включении транзистора по схеме с общим эмиттером можно получить, кроме усиления по напряжению и усиление по току.

рис.3

При данном включении транзистора в схему на базу подается напряжение, которое отпирает эмиттерный переход. Входным током является ток базы (ток рекомбинации), который обычно меньше тока эмиттера. На коллектор также подается отрицательное напряжение, но по абсолютной величине большее, чем напряжение на базе (на коллектор подается минус относительно базы) и коллекторный переход заперт. Ток коллектора, как и в схеме с общей базой, определяется количеством дырок, инжектируемых в базу из эмиттера, которое регулируется напряжением источника сигнала ε. Большая часть дырок, вышедших из эмиттера в базу, будет переходить в область коллектора. Только незначительная часть уходит в цепь базы, создавая небольшой (по сравнению с током коллектора I_К) ток базы I_Б, который является током источника сигнала и равен разности между током эмиттера и током коллектора

Коэффициент усиления по току при постоянном напряжении на коллекторе будет

,

а коэффициент усиления по напряжению

.