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 _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 _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_11, h_12, h_21, h_22 - 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 J_к1, J_к2, U_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_ 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 U_, U_2, J_ 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.