ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3-12

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3-12

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ТРИОДА(ТРАНЗИСТОРА)

Оборудование:

1. Установка для снятия характеристик транзистора.

2. Полупроводниковый триод на панели с тремя зажимами.

3. Авометр.

4. Проводники.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Основной частью плоского транзистора является тонкая монокристаллическая пластинка германия «а» (рис. 1), в которую со стороны больших граней вплавлены две капли индия «б» и «в».

В результате этого в пластине образуется три резко разграниченные области с чередующимися проводимостями: две крайние имеют дырочную проводимость и называются эмиттером «г» и коллектором «д», средняя же «а», получившая название базы, имеет электронную проводимость. Транзистор с таким чередованием проводимостей называют транзистором P-N-P типа.

Дырочная проводимость в областях «г» и «д» возникает вследствие диффузии атомов индия в пластину германия с проводимостью n-типа при вплавлении капелек индия.

Рис. 1 Рис. 2

Границы раздела между областями образуют два электронно-дырочных перехода. Переход эмиттер-база называют эмиттерным, а переход база-коллектор называют коллекторным. Каждый переход в отдельности ведет себя как полупроводниковый диод, т.е. обладает односторонней проводимостью. На рис. 2 показано устройство полупроводникового плоскостного транзистора. Пластинка «а» германия припаяна оловом к кристаллодержателю «е», который для лучшего теплоотвода соединен с основанием герметизированного корпуса из металла «ж». Вывод «з» от эмиттера и вывод «и» от коллектора проходят через стеклянные изоляторы «к», вывод «л» от базы приварен к корпусу триода и расположен ближе к выводу эмиттера.

Триод, применяемый в данной работе, смонтирован на изолирующей панели с тремя зажимами. Выводы базы, эмиттера и коллектора обозначены на панели соответственно буквами Б, Э, К.

При включении транзистора в электрическую цепь руководствуются следующим правилом: на эмиттерный переход подают прямое напряжение, а на коллекторный переход – обратное напряжение. Для обоих переходов транзистора p-n-p прямым напряжением является такое, при котором к базе подключен отрицательный полюс источника тока, а к эмиттеру и коллектору положительный (рис. 3).

Величина прямого напряжения составляет обычно несколько сотых или десятых долей вольта, а обратного напряжения – несколько вольт или десятых вольт.

Рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером, которая для плоскостных транзисторов применяется наиболее часто.

В этой схеме (рис. 3), обратное напряжение на коллекторный переход подается через эмиттерный переход, включенный в прямом направлении. Прямое сопротивление эмиттерного перехода мало, поэтому подводимое напряжение практически падает на коллекторном переходе, сопротивление которого велико.

Рис.3

Входной сигнал падают на зажимы эмиттер-база. Усиленный сигнал снимают с зажимов эмиттер-коллектор.

Явления, происходящие в триоде при работе его в режиме усиления постоянного тока, можно объяснить следующим образом.

Под действием прямого напряжения входного сигнала дырки из области эмиттера переходят в область базы, а электроны из области базы переходят в область эмиттера. Ток, который при этом возникает, называют током эмиттера I_э. Он состоит из дырочного и электронного токов, подобно току протекающему в плоскостном диоде. Большая часть этого тока образована дырками, т.к. эмиттерная область диода обладает большей проводимостью, чем область базы. Концентрация дырок в эмиттере больше концентрации электронов в базе. Эмиттер как бы «впрыскивает» дырки в базу. База при этом выполняет роль управляющего электрода, так как от ее потенциала относительно эмиттера зависит число эмитируемых дырок. При увеличении разности потенциалов между эмиттером и базой число дырок, «впрыскиваемых» в базу, растет.

Дырки перешедшие из эмиттера в базу, движутся далее к коллекторному переходу. Это движение происходит главным образом в результате диффузии дырок, а также под действием слабого электрического поля существующего между эмиттером и коллектором триода.

На пути к коллекторному переходу часть дырок успевает рекомбинировать с электронами в области базы. Убыль электронов в базе компенсируется электронным током, текущим в цепи базового вывода. Его называют током базы I_ (рис. 3).

Благодаря малой толщине области базы и небольшой концентрации в ней электронов, большая часть дырок доходит до коллекторного перехода и под действием электрического поля этого перехода втягивается в область коллектора, который выполняет ту же роль, что и анод в электрической лампе. Здесь дырки рекомбинируют с электронами, проходящими из внешней цепи коллектора и создают ток коллектора I_к (рис.3).

Из рассматриваемого принципа действия триода следует, что ток коллектора всегда меньше тока эмиттера, таких часть дырок эмиттера не доходит до коллектора вследствие рекомбинации их с электронами базы. Разность между током эмиттера и током коллектора равна току базы, т.е.

I_ = I_э - I_к.

В справедливости этого равенства можно убедиться, анализируя распределение тока в схеме, приведенной на рис. 3. Ток базы в десятки раз меньше токов эмиттера и коллектора. Небольшое изменение этого тока вызывает значительное изменение тока эмиттера и тока коллектора. Это свойство триода применяется для усиления тока (как постоянного так и переменного).

Транзисторы применяют также для усиления напряжения и мощности сигнала, подаваемого на зажимы эмиттер-база.

Одним из важнейших параметров, характеризующих его усилительные свойства, является коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером. Он равен отношению изменения тока коллектора I_к к изменению тока базы  I_ при постоянном напряжении на коллекторе. Его подсчитывают по формуле:

У маломощных плоскостных транзисторов величина  лежит в пределах 10-100.

Вторым важным параметром транзистора является величина обратного тока коллектора, который характеризует температурную стабильность работы триода. Этот ток является паразитным током, вредно влияющим на режим работы коллекторной цепи. Резкое возрастание этого тока при повышении температуры может нарушить работу транзистора.

В качестве примера ниже приводятся значения некоторых параметров транзистора МП 40 (при температуре окружающей среды 20 С)

Коэффициент усиления по току в схеме с общим

эмиттером	20-40
обратный ток коллектора не более	15 мкА
Допустимое напряжение на коллекторе	15 В
Допустимый ток коллектора	40 МА
Допустимый ток эмиттера	40 МА
Допустимая мощность рассеивания коллектором	150 мВт

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ ЭМИТТЕРНОГО И КОЛЛЕКТОРНОГО ПЕРЕХОДОВ ТРАНЗИСТОРА

С помощью авометра, включенного в качестве омметра измерить сопротивление переходов эмиттер-база, коллектор-база в прямом и обратном направлениях. Прямым направлением для обоих переходов является такое, при котором к базе транзистора подключен отрицательный полюс источника тока омметра. Записать результаты измерений. Прямые сопротивления переходов имеют величину порядка 50-300 Ом, а обратные несколько Ком. В случае резкого отклонения от этих пределов или изменении величины сопротивления в процессе измерения транзистор считается неисправным.

2. ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ТОКА КОЛЛЕКТОРА ОТ НАПРЯЖЕНИЯ МЕЖДУ КОЛЛЕКТОРОМ И ЭМИТТЕРОМ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТОКАХ БАЗЫ.

При выполнении этой части работы транзистор включают по схеме с общим эмиттером изображенной на рис. 4. По этой схеме собрана установка для снятия характеристики транзистора. На ее передней панели (см. рис. 5) расположены ключ К и ручки потенциометром R₁ и R₂, микроамперметр (А) для измерения тока базы, миллиамперметр для измерения напряжения на коллекторе (V) и три клеммы: Э – эмиттер, Б – база, К – коллектор для подключения транзистора. Для снятия характеристик транзистора клеммы Э, Б, К панели с транзистором подключают к соответствующим клеммам установки. Перед присоединением транзистора к установке ручки потенциометров R₁ и R₂ должны быть повернуты против часовой стрелки до отказа. При такой установке ручек потенциометров согласно схеме (рис. 4) их скользящие контакты будут находиться в нижнем положении. После присоединения транзистора ключ К₁ переводят в положение «включено» и плавным поворотом ручки R₁ увеличивают напряжение между эмиттером и базой.

Рис. 4 Рис. 5

При этом увеличивается ток базы, которой измеряют микроамперметром со шкалой на 300 мкА. Ток базы в данном случае является усиливаемым током. Устанавливают ток базы 50 мкА. Затем замыкают цепь коллектора и поворотом ручки потенциометра увеличивают напряжение между эмиттером и коллектором (U_эк). Ток коллектора измеряется при этом миллиамперметром со шкалой 5 мА, напряжение – вольтметром со шкалой 5 В. Токи коллектора рекомендуется измерять при напряжениях: 0,25 В; 0,5 В; 1 В; 2 В; 3 В; 4 В.

Также измерения проводят при токе базы 100 мкА.

Результаты измерений заносят в таблицу 1.

Таблица 1

Ток базы мкА

50 мкА

100 мкА

Ток коллектора, мА

Напряжение Uэк

По этим данным на миллиметровой бумаге строят кривые зависимости тока коллектора I_к от напряжения U_эк. После построения графика сравнивают изменение тока коллектора I_к с изменением тока базы I_б при определенном напряжении на коллекторе, например при 4 В. Из этого сравнения видно, что изменение тока (усиленного тока) во много раз больше изменения тока базы (усиленного тока), т.о. транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером может играть роль усилителя тока. Для характеристики транзистора в этом отношении вводится коэффициент усиления по току, подсчитываемый по формуле:

где I_к2 и I_к2 – токи коллектора при токах базы I_1 = 50 мкА, I_2= 100 мкА.

По этой формуле нужно вычислить коэффициент усиления при напряжениях 1В, 2В, 3В, 4В и сравнить их.

При увеличении напряжения U_эк ток базы обычно изменяется.

С помощью потенциометра (рукояткой R₁) его надо поддерживать постоянным.

КОНРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Описать устройство и объяснить принцип действия транзистора.

2. Для чего толщину базы транзистора делают очень тонкой (порядка 0,01 мм) ?

3. Для чего концентрацию основных носителей в эмиттере делают в 10 – 100 раз больше концентрации основных носителей в базе?

4. Что такое коэффициент усиления транзистора по току, и как его экспериментально измерить?

ЛИТЕРАТУРА

1. И.В. Савельев «Курс общей физики», т.3, 1979, п. 64, 65.

2. Т.И. Трофимов «Курс физики», 1990, п. 250.