5. Контрольные вопросы

5.1. Что такое индукция магнитного поля?

5.2. Какие методы измерения магнитной индукции Вы знаете?

5.3. В чем заключается явление электромагнитной индукции?

5.4. Можно ли в данной работе использовать источник постоянного тока?

5.5. Какова природа возникновения э.д.с. индукции в ИК?

5.6. Выведите формулу индукции магнитного поля бесконечно длинного соленоида?

5.7. Чему равно отношение значений магнитной индукции внутри бесконечно длинного соленоида и на срезе полубесконечного соленоида?

5.8. Каков источник систематической погрешности?

5.9. Оцените величину э.д.с. самоиндукции, возникающей в ИК.

6. Литература

6.1. Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1977.

6.2. Сивухин Д.Г. Общий курс физики. – М.: Наука, 1977.

6.3. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. – М.: Высшая школа, 1991.

6.4. Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики: Электричество и магнетизм. – М.: Просвещение, 1980.

№ 4. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

1. Цель работы

Исследование электрических свойств полупроводниковой структуры, содержащей два электронно-дырочных перехода.

2. Краткое теоретическое введение

2.1. Активным называют такой элемент, который способен управлять потоком электрической энергии, текущей от источника к нагрузке. Транзистор – это один из основных активных элементов электронных схем. Он представляет собой устройство, которое может усиливать входной сигнал. Увеличение мощности сигнала происходит за счет внешнего источника питания. Следует отметить, что увеличение амплитуды сигнала не является определяющим. Например, трансформатор усиливает ток за счет напряжения или напряжение за счет тока, но не усиливает мощность, поэтому он не является усилительным прибором.

Работа усилительного прибора основана на изменении его активного или реактивного сопротивления под воздействием сигнала малой мощности.

2.2. Принцип работы транзистора. Все транзисторы можно разделить на два общих класса: биполярные и униполярные (полевые). Работа биполярных транзисторов основана на использовании носителей зарядов обоих знаков – электронов и дырок. На рис. 1 изображена структура типичного биполярного транзистора. Центральная область р-типа, называемая базой, заключена между двумя областями n-типа – эмиттером и коллектором. Такую структуру принято называть транзистором n-р-n типа. Если для эмиттерной и коллекторной областей выбрать полупроводник р-типа, а для области базы – полупроводник n-типа, то можно построить транзистор типа р-n-р. В любом случае у биполярного транзистора имеются два р-n перехода, между которыми находится область базы.

Для понимания принципа действия биполярного транзистора как управляющего элемента необходимо воспользоваться представлениями о действии р-n перехода полупроводникового диода. Приложенное к диоду напряжение в прямом направлении (прямое смещение) вызывает значительный ток через него, представляющий собой результирующий поток электронов и дырок из областей, где они являются основными носителями заряда, в области, где они являются неосновными носителями. Такой процесс инжекции носителей схематически изображен на рис. 2. Общий ток складывается из двух составляющих – электронной и дырочной. При обратном смещении через диод течет незначительный обратный ток, который возникает, потому что поле пространственного заряда внутри перехода собирает электроны и дырки из тех областей, где они являются неосновными носителями. Величина обратного тока мала и зависит от концентрации этих носителей.

Принцип действия биполярного транзистора, как управляющего элемента, основан на сочетании процесса инжекции носителей через один р-n переход и собирания их на другом р-n переходе. При работе транзистора в режиме усиления эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный переход в обратном. В случае n-р-n транзистора с общей базой это означает, что к эмиттеру приложен отрицательный потенциал, а к коллектору приложен положительный потенциал в соответствии с рис. 3.

Если эмиттерная область легирована значительно сильнее, чем базовая область, то электронная составляющая тока намного больше дырочной. Когда переход эмиттер-база смещен (открыт) в прямом направлении, из эмиттера в базовую область течет заметный электронный ток, т.е. электроны эмитируются в базу – отсюда и возникло название "эмиттер". Степень легирования базы должна быть ниже, чем у эмиттера для уменьшения вероятности рекомбинации инжектированных электронов с дырками базовой области. Таким образом, при прямом смещении на эмиттером переходе число неосновных носителей (электронов в транзисторе n-р-n типа) в базе около этого перехода сильно возрастает. Концентрация около смещенного в обратном направлении коллекторного перехода со стороны базы до тех пор, пока инжектированные электроны не достигли этого перехода, очень мала. Такая комбинация двух р-n переходов, смещенных в противоположных направлениях, создает большой градиент концентрации неосновных носителей вдоль базы.

Вследствие теплового движения в базе образуется диффузионный поток неосновных носителей от эмиттерного перехода (где они в избытке) к коллекторному переходу и далее в область коллектора. Поток таких электронов схематически показан на рис. 3 (широкая стрелка). Из эмиттера электроны инжектируются в базу, далее движутся через базу к коллекторному переходу вследствие диффузии и, наконец, втягиваются в коллектор электрическим полем. Толщина базы мала (1–10 мкм), чтобы значительная часть электронов, поступивших из эмиттера, могла пройти через нее.

Рис. 1. Структура биполярного транзистора.	Рис.2. Инжекция основных носителей заряда.

Почти все инжектированные в базу электроны достигают коллектора. Однако незначительное их число рекомбинирует с дырками в базе. Для компенсации дырок, число которых убывает в результате рекомбинации, а также вследствие инжекции их из области базы в область эмиттера, некоторое количество дырок должно поступать в базу через базовый вывод. Из коллектора эти дырки поступать не могут, поскольку там они являются неосновными носителями и их число мало.

Рис. 3. Схема работы n-р-n транзистора с общей базой.

Таким образом, коллекторный переход представляет собой смещенный в обратном направлении диод, чей ток управляется потоком инжектированных через эмиттерный переход электронов. Ток коллектора не зависит от напряжения на коллекторном переходе при условии, что этот переход смещен в обратном направлении. Итак, основное свойство биполярного транзистора как управляющего элемента – зависимость выходного (коллекторного) тока от входного (эмиттерного) тока.

В случае более часто используемой схемы с общим эмиттером (ОЭ) (рис.6) электрический ток от эмиттера к коллектору управляется током из базового контакта. Условные обозначения приведены на рис. 4.

Транзисторы n-р-n типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов р-n-р типа правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные):

1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.

2. Цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (рис. 5). Обычно диод база-эмиттер открыт, а диод база-коллектор смещен в обратном направлении.

3. Каждый транзистор характеризуется максимальным значением , , , где – ток коллектора, – ток базы, – напряжение между коллектором и эмиттером.

4. Если правила 1-3 соблюдены, то ток прямо пропорционален току и можно записать следующее соотношение:

,

где – коэффициент усиления по току обычно составляет около 100. Правило 4 определяет основное соотношение транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

2.3. Принцип усиления сигнала с помощью транзистора. Равенство коллекторного тока эмиттерному лежит в основе усиливающего действия транзистора. Реализуется же это благодаря большому различию сопротивлений коллекторного и эмиттерного р-n переходов, включенных в противоположных направлениях. Принцип усиления сигнала с помощью биполярного транзистора основан на изменении сопротивления обратно смещенного р-n перехода за счет инжекции носителей заряда. Слово "transistor" есть сокращенное выражения "transfer resistor", что переводится "преобразование резистора".

Эмиттерный переход, на который подано прямое напряжение смещения, имеет малое сопротивление и падение напряжения на нем мало. На коллекторный же переход подается обратное напряжение смещения и сопротивление этого перехода значительно больше. Поэтому в коллекторную цепь может быть включена высокоомная нагрузка, сопротивление которой значительно больше сопротивления эмиттерного перехода. Поскольку эмиттерный и коллекторный токи почти одинаковы, то падение напряжения на высокоомной коллекторной нагрузке окажется намного больше, чем падение напряжения на эмиттерном переходе ( ). В этом по существу и состоит эффект усиления по напряжению, обеспечиваемого транзистором. Так как , то усиление происходит и по мощности; выходная мощность на высокоомной нагрузке в коллекторной цепи значительно больше входной мощности , подводимой к эмиттерному переходу ( ).