 |
Описание установки и методики исследований
|
|
|
|
Лабораторная работа № 55
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА
Цель работы:
1. Изучить устройство и принцип действия транзистора.
2. Снять семейства входных и выходных вольт-амперных характеристик транзистора на постоянном токе.
3. Осуществить осциллографическое наблюдение выходных характеристик на переменном токе.
4. Осуществить осциллографическое наблюдение усиления сигнала транзистором в различных режимах работы.
Теоретическое введение
Биполярный транзистор * (или просто транзистор) представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности и служащий для усиления мощности электрического сигнала. Также транзистор широко используется в качестве электронного ключа. Структуры и условные графические изображения транзисторов представлены на рис.1.
Рис.1. Структуры биполярных
Транзисторов и их условные
графические изображения:
а) p-n-p транзистор,
б) n-p-n транзистор.
Обозначения: Э - эмиттер,
Б - база, К - коллектор
Центральная область транзистора, расположенная между электронно-дырочными (р-n) переходами, называется базой (рис. 1). Крайние области одноименного типа проводимости делают неодинаковыми. Одну из областей изготовляют так, чтобы из неё наиболее эффективно происходила инжекция (впрыскивание) носителей в базу (эмиттерная область и соответственно эмиттерно-базовый переход), а другую - так, чтобы она наилучшим образом осуществляла экстракцию (вытягивание) инжектированных носителей из базы (коллекторная область и соответственно коллекторно-базовый переход). Это достигается введением соответствующего количества примесей в области эмиттера (сильно легированная об-
|
|
|
* Transistor - transfer resistor - преобразователь сопротивления. Изобретен в лаборатории фирмы Бэлл-телефон Дж. Бардиным и У. Браттейном (амер.), 1948 г.; теория транзисторного эффекта разработана У. Шокли, (амер.), 1949 г.; (Нобелевская премия, 1956 г).
ласть, nэ ≈ 1022 см-3) и коллектора (слабо легированная область, nк ≈ 1014÷1015 см-3). Взаимосвязь между эмиттерным и коллекторным переходами обеспечивается малой толщиной базовой области (у современных транзисторов она составляет единицы и даже доли микрон).
Каждый из р-n переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:
1) режим отсечки - оба перехода закрыты, при этом ток через транзистор практически отсутствует;
2) режим насыщения - оба перехода открыты, через транзистор течет максимальный ток;
3) активный режим - один из переходов (обычно эмиттерный) открыт, другой (коллекторный) закрыт.
В режиме отсечки и в режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. Эти два режима используются в цифровых схемах (транзистор открыт - логический "ноль", транзистор закрыт - логическая "единица"). В активном режиме осуществляется эффективное управление выходным током транзистора путем подачи соответствующего потенциала на базовую область. При этом транзистор выполняет функции активного элемента электрической схемы, осуществляя усиление колебаний, генерирование колебаний, различные преобразования сигнала и т.д.
Различают три схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК) (рис. 2).
Рис. 2. Схемы включения
транзистора:
а) с общей базой;
б) с общим эмиттером;
в) с общим коллектором.
Общим называют электрод, относительно которого измеряют и задают напряжение на других электродах; он включен как во входную, так и в выходную цепи транзистора.
|
|
|
Схема включения транзистора с общей базой (ОБ), представленная на рис. 3, позволяет хорошо раскрыть физику работы транзистора.
Рис. 3. Схема включения транзистора с общей базой, иллюстрирующая физику работы транзистора.
Через эмиттерный переход, смещенный с помощью источника Еэ в пропускном направлении, происходит инжекция носителей в базу. Часть инжектированных носителей рекомбинирует в базе с основными носителями заряда базы. Большинство же инжектированных носителей (95 ÷ 99)% пересекает базу, доходит до коллекторного перехода, смещенного источником Ек в обратном направлении и создаёт ток коллектора. Таким образом, Iк = (0,95÷ 0,99)∙ Iэ, а ток базы значительно меньше как тока эмиттера, так и тока коллектора: Iб = Iэ - Iк = (0.05÷0.01)∙ Iэ.
Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение U~вх, получим в цепи коллектора переменный ток, а на нагрузочном сопротивлении Rк - переменное напряжение U~вых. Величина усиления сигнала k = U~вых / U~вх достигает значительной величины (до 1000), т. к. выходное сопротивление Rвых закрытого коллекторного перехода много больше входного сопротивления Rвх открытого эмиттерного перехода, а Iвых ≈ Iвх. Соответственно мощность сигнала, получаемого на выходе, много больше мощности подводимого сигнала: Uвых ∙ Iвых >> Uвх ∙ Iвх. Это усиление достигается за счёт энергии источника питания, включённого в цепь коллектора (Ек >> Еэ).
На практике схема с общей базой применяется довольно редко в силу присущих ей недостатков (отсутствие усиления по току, малое входное сопротивление). Главную роль в транзисторной технике играет схема с ОЭ (рис. 2 б).
Для описания свойств транзистора используют два семейства статических входных и выходных вольт-амперных характеристик. В схеме ОЭ семейством входных характеристик будут зависимости Iб = f(Uбэ) при Uкэ = const, (рис. 4 а) семейством выходных - Iк = f(Uкэ) при Iб = const (рис.4 б).
Рис. 4. Семейства статичес- ких характеристик транзис-
тора в схеме с общим эмиттером (ОЭ):
а) входные х-ки;
б) выходные х-ки.
При Uкэ = 0 входная характеристика проходит через начало координат, при Uкэ ≠ 0 - смещается вниз, то есть происходит уменьшение тока базы при одинаковых значениях входного напряжения Uбэ. Это связано с существованием небольшого по величине обратного тока перехода коллектор-база, направление которого противоположно направлению тока перехода эмиттер-база. При этом ток базы становится равным нулю при некотором значении напряжения U'бэ, отличном от нуля, а при Uбэ < U'бэ входные статические характеристики заходят в четвертый квадрант (рис. 4 а).
|
|
|
Выходной ток коллектора Iк в широком диапазоне напряжений изменяется мало, его величина определяется током базы Iб (рис. 4 б). При малых напряжениях Uкэ коллекторный ток изменяется очень резко. Это связано с тем, что при Uкэ < Uбэ напряжение, приложенное к переходу коллектор-база Uкб = Uкэ - Uбэ становится отрицательным; при этом переход оказывается включенным в прямом направлении, и коллектор перестает выполнять свою функцию собирания инжектированных из эмиттера носителей.
Важной характеристикой транзистора является его коэффициент усиления по току КI =ΔIвых/ΔIвх. В схеме ОЭ К I = ΔIк /ΔIб при Uкэ = const. Эту величину можно определить из рис. 4 б для некоторого напряжения U'кэ. Для этого проведем линию, параллельную оси ординат и возьмем на ней две точки, принадлежащие разным характеристикам. Изменение выходного тока ΔIк = Iк3 - I к2 равно разности ординат в соответствующем масштабе, изменение входного тока ΔIб = Iб3 - I б2; численные значения Iб3, Iб2 обычно указываются на соответствующих характеристиках.
Описание установки и методики исследований
Стенд для изучения работы транзистора содержит схему для снятия статических входных и выходных характеристик на постоянном токе, а также схемы для осциллографического наблюдения выходных характеристик на переменном токе и наблюдения усиления сигнала при различных режимах работы транзистора. Схема стенда и порядок работы с ним приведены в кратком описании, расположенном непосредственно на стенде.
Задание 1. Изучить устройство и принцип действия транзистора, схемы его включения и характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером.
|
|
|
Задание 2. Ознакомиться со стендом, выяснить назначение органов управления, определить цены деления приборов.
Задание 3. Снять семейство входных и выходных характеристик транзистора. Рассчитать величину коэффициента усиления по току. (Напряжение Uкэ задается преподавателем).
Задание 4. Получить на экране осциллографа семейство выходных характеристик транзистора. Зарисовать их на кальку. Сравнить с характеристиками, построенными по данным n.3.
Задание 5. Получить на экране осциллографа входной и выходной сигналы при различных режимах работы транзистора. Зарисовать изображение сигналов на кальку.
Задание 6. Получить на экране осциллографа зависимости Uвых = f(Uвх)
при различных режимах работы транзистора. Зарисовать их на кальку.
Задание 7. Объяснить полученные результаты.
Контрольные вопросы
1. Что такое транзистор?
2. Физика работы транзистора (на примере схемы с общей базой).
3. Схемы включения транзистора.
4. Семейство входных характеристик.
5. Семейство выходных характеристик.
6. Коэффициент усиления транзистора. Его определение.
7. Зависимость Uвых = f(Uвх) при различных режимах работы транзистора.
8. Применение транзисторов.
Список рекомендуемой литературы
1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. - 7-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2003. - § 250.
2. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учеб.для вузов по спец. "Полупроводники и диэлектрики" и "Полупроводниковые и микроэлектронные приборы" - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1987. - §§ 4.1, 4.2, 4.8.
|
|
|
