Підсилювач струму на транзисторі

Обладнання: 1) транзистор на підставці, 2) лабораторний прилад з транзистором, 3) фотоелемент селеновий на підставці, 4) батарея акумуляторів, 5) лампа електрична на підставці, 6) гальванометрів демонстраційних від амперметра — 2 шт., 7) дротів сполучних.

Збирають установку за рис. 207. Транзистор підключають в ланцюг за схемою із загальним емітером. При такому способі підключення отримують велике підсилення струму, а схема є аналогом схеми з електронною лампою.

Підсилювальний струм беруть від напівпровідникового фотоелементу. Його включають між емітером і базою транзистора: позитивний полюс з’єднують з емітером, а негативний — через демонстраційний гальванометр з базою транзистора. При цьому емітерний перехід включається в прохідному направленні, і тому він чинить невеликий опір струму фотоелемента.

Зворотна напруга на колекторний перехід транзистора в схемі із загальним емітером подається через емітерний перехід. Тому позитивний полюс джерела струму з’єднують з емітером, а негативний полюс підключають через інший демонстраційний гальванометр до колектора транзистора.

Опір колекторного переходу в режимі зворотного струму в тисячі разів більше опору емітерного переходу, включеного в пропускному напрямі. Тому уся прикладена напруга падає практично на високоомному колекторному переході транзистора.

Закінчивши зборку ланцюга, запалюють електричну лампу і поступово наближають її до фотоелемента. При ледве помітних відхиленнях стрілки першого гальванометра спостерігають відхилення стрілки другого гальванометра майже на усю шкалу.

Таким чином, дослід показує, що колекторний струм транзистора управляється струмом бази і знаходиться в прямій залежності від його величини. Зміна струму в ланцюзі колектора в десятки разів перевищує зміну струму в ланцюзі бази.

Учням повідомляють, що відношення зміни струму колектора до зміни струму бази при постійній напрузі на колекторі є коефіцієнтом підсилення транзистора по струму в схемі із загальним емітером. (рис.208)

Пояснення фізичних явищ, що мають місце при роботі транзистора, дають за рис 208, зображеному на стінній таблиці.

Коли немає вхідного сигналу (фотоелемент не освітлюється), то початковий струм колектора дуже малий. Це пояснюється тим, що колекторний перехід транзистора включений в замикаючому напрямі, і його опір великий.

При освітленні фотоелемента на емітерний перехід подається пряма напруга і в ланцюзі емітер-база виникає електричний струм. Цей струм називають струмом емітера і позначають І_э. Він в основному складається з дірок (вісім кружечків зі знаками плюс і стрілками вгору), що переходять з еміттера у базу, і невеликої кількості електронів (три кружечки зі знаками мінус і стрілками вниз), що рухаються в зворотному напрямі, — з бази в емітер. Такий розподіл зі значним переважанням дірок пояснюється тим, що емітер має у багато разів більшу кількість дірок, чим база електронів.

Одночасно з інжекцією дірок у базу в зовнішній ланцюг з емітера йде відповідна кількість електронів (вісім кружечків зі знаком мінус і стрілками вниз). Відхід електронів призводить до освітлення в емітері нових дірок і тому кількість їх не убуває.

Дірки, що рекомбінувалися у базу, рухаються далі до колекторного переходу. Цей рух відбувається головним чином в результаті їх надлишку біля емітерного переходу, а також під дією слабкого електричного поля між емітером і колектором транзистора.

За час руху в області бази (тисячні частки секунди) частина дірок устигає рекомбінуватися з електронами бази (рекомбінація показана трьома хрестиками). Частковий спад електронів у базі поповнюється припливом їх із зовнішнього ланцюга, тобто з боку фотоелемента, що створює струм, який називають струмом бази і означають І_б. Завдяки малій товщині бази (менше довжини дифузійного зміщення носіїв заряду) і невеликій концентрації в ній вільних електронів велика частина дірок доходить до колекторного переходу і під дією електричного поля цього переходу втягується в область колектора. Тут дірки рекомбінуються з вільними електронами, що приходять із зовнішнього ланцюга (рекомбінація показана п'ятьма хрестиками). Рух цих електронів є струм колектора І_к.

Таким чином, якщо до подачі імпульсу опір колекторного переходу, включеного в замикаючому напрямі, був великий, то, після того, як в зону цього переходу проникають дірки, що рекомбінувались емітером, опір переходу різко знижується. Це і призводить до збільшення струму в ланцюзі колектора.

Величина струму колектора, як це витікає з пояснення дії транзистора, трохи менше струму емітера за рахунок рекомбінації частини дірок електронами бази, але в той же час струм колектора значно більше струму бази. Ці струми пов'язані між собою наступною залежністю:

I_э = I_б + I_к

Після пояснення принципу дії транзистора учням показують залежність колекторного струму від величини напруги на колекторі. З цією метою змінюють напругу джерела живлення, включаючи одну, дві і, нарешті, три банки акумуляторів. При цьому струм бази підтримують незмінним, регулюючи освітленість фотоелемента. Зміна напруги на колекторі, як показує дослід, майже не змінює величину струму колектора.

Для уточнення залежності, що вивчається, і підготовки учнів до лабораторної роботи «Вивчення напівпровідникового тріода» показують лабораторний прилад і два графіки (рис. 210) із стінної таблиці №6. Графіки показують, що струм колектора при постійному значенні струму бази (0,05мА і 0,1нА) практично перестає залежати від напруги на колекторі, починаючи з напруги 0,5-1В. У зв'язку з цим відмічають, що транзистор може працювати при дуже низькій напрузі живлення, яка не перевищує 1В.

Користуючись вихідними характеристиками транзистора, можна ознайомити учнів з графічним методом визначення коефіцієнта підсилення за струмом, коли транзистор включений за схемою із загальним емітером. При заданій напрузі на колекторі по графіках визначають значення колекторних струмів при двох значеннях струму бази, а потім беруть відношення різниці значень струмів колектора до різниці значень струмів бази і отримують коефіцієнт підсилення за струму.

На вказаній вище таблиці приведено ще два графіки (рис. 211), на які також слід звернути увагу. Ці графіки відображають залежність струму бази від напруги на базі при різній напрузі на колекторі (0 і 5 В) і показують, що струм бази при малій напрузі втрачає лінійну залежність. Це дозволяє зробити важливий практичний висновок: для отримання неспотвореного підсилення на базу транзистора необхідно подавати постійну напругу зміщення близько 0,15-0,25В. Додаткове зміщення збільшує коефіцієнт підсилення транзистора.

По закінченні відмічають переваги транзисторів: високий коефіцієнт корисної дії (до 50%, тоді як у вакуумних ламп він менше 1%), низька напруга живлення, відсутність ланцюгів накалювання, малі розміри, велика механічна міцність, надійність в роботі, великий термін служби.