Контрольные вопросы

1. Какова природа электронной и дырочной проводимости в примесных полупроводниках?

2.Объяснить зонные диаграммы собственного и примесных полупроводников.

3. Что представляет собой электронно - дырочный переход?

4. Рассказать о процессах, происходящих в p–n–переходе в состоянии равновесия, Нарисовать и объяснить зонную диаграмму p – n – перехода в равновесии.

5. Рассказать о процессах, происходящих в p–n–переходах при подключении внешнего электрического поля в прямом направлении, в обратном. Объяснить измерения, происходящих в зонных диаграммах p–n–перехода при приложении внешнего поля;

6. Какова ВАХ p–n–перехода? Объяснить ее;

7. Какие бывают p–n–переходы? В каких приборах используются свойства p–n–переходов?

8. Рассказать о применении полупроводниковых диодов;

9. Какие параметры выпрямительных полупроводниковых диодов вы знаете? Какие существуют виды ВАХ диодов?

10. Рассказать о методике снятия ВАХ характеристике в настоящей работе. Каковы различия в схемах, применяемых для снятия ВАХ в прямом и обратном направлениях?

Меры безопасности

Соблюдать общие требования техники безопасности и пожарной безопасности при выполнении лабораторных работ.

Лабораторная работа № 75. Снятие статических характеристик и определение физических параметров транзистора

Цель работы: получение семейств статических входных и выходных характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером и определение его физических параметров.

Теоретическое введение

Транзистор (полупроводниковый триод) представляет собой устройство в котором имеются две области однотипной проводимости (И или Р), разделенные чрезвычайно узкой областью противоположной проводимости.

Транзисторы могут иметь структурную схему p-n-p и n-p-n (рисунок 75.1). Области кристалла с одинаковым типом проводимости называются эмиттером (Э) и коллектором (К), разделяющая их область базой (б). Эмиттер, коллектор и база транзистора снабжены электрическими выводами.

Рисунок 75.1

Структура и условные обозначение транзисторов p-n-p и n-p-n типов. Наиболее часто они используются в качестве усилительных элементов, электрических схем. Кроме того их используют в схемах генераторов электрических сигналов, в схемах селекторов, анализаторов формирователей электрических импульсов, в устройствах вычислительной техники и.т.п.

Свойства электронно-дырочного перехода

Чтобы понять, как работает транзистор, следует познакомиться со свойствами электронно-дырочного перехода (p-n и n-p). p-n переход представляет собой область внутри монокристалла полупроводника, возникающую на границе между двумя его частями с разным типом проводимости в следствии диффузии свободных электронов в p-область и дырок в n–область (рисунок 75.2). (Эти области в монокристалла акцепторных и донор примесей).

– свободнее дырки и электроны; – положительные и отрицательные ионы

Рисунок 75.2 p-n переход

При рекомбинации дырок и электронов в пограничном слое остающиеся положительные ионы доноров в n-области и отрицательные ионы акцепторов в p-области создают двойной электрический слой (p-n переход) с электрическим полем значительной величины, которое препятствуют дальнейшему перемещению через границу свободных дырок из p–области и электронов из n–области (его еще называют «запорным слоем»). Наличие в p-n переходе электрического поля приводит к тому, что в нем не могут задержаться свободные электроны и дырки, вследствие чего этот слой обеднен свободными носителями заряда и поэтому обладает большим электрическим сопротивлением.

Основным свойством p-n–перехода, обеспечивающим практический интерес к нему, является его односторонняя проводимость. Если при включении монокристалла с p-n- переходом в цепь внешнее поле будет совпадать по направлению с полем p-n – перехода (рисунок 75.3 а), напряженность поля в p-n–переходе увеличится, увеличивается его толщина и сопротивление. Поэтому ток в цепи будет пренебрежимо мал. Величина этого тока определяется не основными носителями зарядов: электронами в p - области и дырками в n - области.

а) включение в запорном направлении

б) включение в пропускном направлении

Рисунок 75.3

Если изменить полярность источника внешней ЭДС на противоположную, (рисунок 75.3 б), то внешнее поле скомпенсирует поле p-n – перехода, его сопротивление станет незначительным и в цепи потечет электрический ток достаточной величины:

где І₀ – ток насыщения (обратный ток); U – величина приложенного напряжения; k – постоянная Больцмана; q – заряд электрона.

Транзистор в рабочем режиме

Рассмотрим физические процессы, протекающие в транзисторе на примере транзистора p-n-p – типа, включенного по схеме, представленной на рисунке 75. 4.

Указанный способ включения называется схемой с общим эмиттером (существует еще схемы с общей базой и общим базой и общим коллектором рисунок 75.7, 75.8, 75.9)

Рисунок 75.4

Здесь p-n – переход между эмиттером и базой включен в пропускном направлении, а переход между базой и коллектором – в запорном. При подаче на базу отрицательного напряжения эмиттер переход открывается, и дырки из эмиттера переходят в базу.

(При изготовлении транзисторов типа p-n-p – концентрацию дырок в эмиттере делают на 2-3 порядка выше концентрации электронов в базе. Поэтому встречный поток электронов из базы в эмиттер можно не учитывать). Поскольку коллекторный переход включен в запорном направлении, электрическое поле в базе отсутствует (Е=0). Это приводит к тому, что дырки, вошедшие в базу из эмиттера далее перемещаются, лишь за счет диффузии, распространяясь из области с высокой концентрацией (вблизи эмиттера) в область с низкой концентрацией (к коллектору). Ширина базы в транзисторе p-n-p – типа меньше диффузионной длины дырок. Lp – расстояния, на котором их концентрация уменьшается в е раз; (е – основание натурального логарифма). Поэтому большинство дырок успевает путем диффузии пересечь базу и достигнуть коллекторного перехода.

Появление положительного объемного заряда в электрически нейтральной базе за счет дырок из эмиттера приводит к возникновению электрического поля. Это поле втягивает в область объемного заряда дырок (неосновных носителей в базе)

Такое количество электронов, которое бы полностью скомпенсировали положительный заряд. Электроны входят через базовый ввод практически одновременно с втягиванием дырок (за 10^-10-10^-13секунд).

Диффузия дырок в базе сопровождается соответствующими изменении распределения концентрации электронов, так что любой элемент объема базы остается электрически нейтральным. Дальнейшая «судьба» электронов и дырок, достигших коллекторного перехода, различна.

Все дырки полем коллекторного перехода Е_к втягиваются в коллектор. Электроны же не могут преодолеть этот переход, т. к для них он включен в запорном направлении. При постоянной величине отрицательного напряжения на базе, убыль дырок в базе за счет перехода их в коллектор компенсируется диффузией равного количества дырок, входящих из эмиттера. При этом общее количество дырок в базе остается неизменным и ток через базовой ввод должен отсутствовать.

Однако, т.к. в действительности небольшая доля дырок в базе (1-5%) рекомбинирует с электронами, то на место рекомбенированных дырок в базу входит равное количество дырок из эмиттера, а убыли числа электронов через базовой ввод, что обеспечивает ток базы (I_б) равен сумме токов, протекающих через коллекторный (I_к) и базовой I_р вводы: I_р= I_к+ I_б. Причем соотношение между I_к и I_б определяется условиями диффузии и рекомбинации дырок в базе, которые в свою очередь зависят от типа использованных для изготовления транзистора материалов и конструкции электродов.

Статические характеристики и физические параметры транзистора (по схеме с общим эмиттором)

Характеристиками транзистора называются графически представленные зависимости между токами и напряжениями в его входных и выходных целях.

Семейство статических входных характеристик – это зависимости при U_к-э = const (рисунок 75.5).

I_{б =} f·(U_б-э)

По входной характеристике можно определить величину входного сопротивление транзистора:

( 75.1)

Величина R_вх может быть найдена из графика путем проведения касательной к характеристике в т. А с ординатой равной величине входного тока, для которого требуется определить входные сопротивление.

На рисунке 75.5 (75.2),

где ΔI_б - изменение тока базы при соответствующим изменении входного напряжения ΔU_б-э

Семейство статических выходных характеристик – это зависимости:

(75.3)

Рисунок 75.5

Каждая кривая из семейства характеристик состоит из почти вертикального участка возрастания тока при увеличении коллекторного напряжения U_к-э от нуля до нескольких долей вольта и основного участка, представляющего прямую с малым углом наклона к оси напряжений. Небольшая величина угла наклона кривой свидетельствует о слабой зависимости коллекторного тока от величины коллекторного напряжения. По выхадным характеристикам можно определить величину выхадного сопротевления транзистора:

Способ определения показан R_вых на рисунке 75.6 по кривой I. Отношение изменения тока коллектора (ΔI_к) к изменению тока базы (ΔI_б) при U_{к- э} = const называется коэффициентом передачи базового тока β.

(75.4)

Рисунок 75.6

Для т.А (рисунок 75.6) при I_бз и при U_к-э = const например, β может быть определено следующим образом: из т.А проводится перпендикуляр к оси напряжений: из точек пересечения этого перпендикуляра с двумя ближайшими характеристиками над т. А и под ней (В и С) проводят прямые параллельные оси напряжений; отрезок на оси токов между точками В и С определяют как при изменении базового тока на величину ΔI_б= I_б4 -I_б2.

Усилительные свойства транзисторов при различных способных включения

На рисунке 75.7, 75.8, 75.9 показаны различные способы включения транзисторов типа p-n-p. Выбор способа включения транзистора зависит от поставленной задачи (усиление по току или усиление по напряжению и мощности).

Рисунок 75.7. Транзисторный усилительный каскад с общей базой

Рисунок 75.8. Транзисторный усилительный каскад с общим эмиттером

Рассмотрим параметры схем:

а) Входное сопротивление определяется как отношение изменения на входе при любом способе включения к изменению входного тока:

(75.5)

б) Коэффициент усиления по току равен:

(75.6)

в) Коэффициент усиления по напряжения - это отношение напряжения на входных клеммах, транзистора (ΔU_вых) обусловленным падением напряжения на нагрузочном сопротивлении (R_н), к вызвавшему его изменению напряжения на входе (ΔU_вх)

(75.7)

г) Коэффициент усиление каскада по мощности определяется отношением:

(75.8)

При любом способе включения рабочий режим транзистора создается подачей на вход постоянного напряжения в пропускном направлении и преобразуемого переменного сигнала.

1) В схеме с общей базой (рисунок 75.7) перечисленные выше параметры каскада определяется следующим образом:

(75.9)

(α – еще называют коэффициентом преобразования эмиттерного тока). Так как I_э= I_б+ I_к, но поскольку I_б как правило мало, то К_I ≈ α близко к единице. Усиление по току не происходит

(75.10)

Благодаря включению эмиттером перехода в пропускном направлении, входное сопротивление каскада (R_вх) мало, сопротивление нагрузки (R_н) можно взять достаточно большим. Поэтому обычно:

; (75.11)

Таким образом, при включении транзистора по схеме с общей базой получают усиление сигнала на выходе по напряжению и по мощности.

2) В усилительном каскаде с общим эмиттером (рисунок 75.8) входным током является ток базы, а выходном ток коллектора.

В этом случае:

(75.12)

(75.13)

(75.14)

Усилительный каскад с общим эмиттером позволяет получить усиление по току, напряжению и мощности. Достоинством его является обеспечение усиления входного сигнала по току.

3) Для каскада с общим коллектором (рисунок 75.9) имеем:

(75.15)

(75.16)

(75.17)

Эта схема обладает очень высоким (десятки тысяч Ом) выходным сопротивлением.

Т.е. наибольшее усиление по мощности можно получить в схеме с общим эмиттером. Это схема на практике получила наибольшее распространение.

Малая величина входного сопротивления в схеме с общей базе позволяет использовать ее для усиления сигналов только от источников, внутреннее сопротивление которых меньше входного сопротивления каскада. Поэтому такая схема используется сравнительно редко.

Каскад с общим коллектором применяют в качестве предварительного или согласующего каскада при необходимости усиления сигналов от источника с большим внутренним сопротивлением.

Задачи работы и порядок ее выполнения

Цель настоящей работы является получение семейств стстических входных и выходных характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером и определение его физических параметров.

Экспериментальная часть работы заключается в получении семейств кривых:

а)

б)

Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 75.10.

Рисунок 75.10

Порядок выполнения работы:

Снимаются две входные статистические характеристики при

1) Для снятия первой кривой с помощью потенциометра R₂ устанавливают значение коллекторного напряжения .

Изменяя потенциометром R₁ величину входного напряжения U_бэ, следует снять величины входного тока I_б с миллиамперметра А₁ при различных значениях U_б-э - отсчитываемых по милливольтметру (V₁) (U_{б -э} изменять через 0,028 от 0 до 0,148).

2) Установить с помощью потенциометра R₂ напряжение на коллекторе U_{к- э} = 1В и поддерживая его в дальнейшем неизменным, необходимо снять вторую статистическую характеристику В (в интервале U_{б -э} от 0 до 0,2 в).

Таблица 75.1

	Uк-э=0				Uк-э=1В
Uб–э, В	0	0,02	0,04
Iб, мА

3) По полученным данным построить кривые I_б = f(U_б-э) (обе кривые на одном чертеже).

4) По входной характеристике при U_к-э = 1 В графически определяется величина входного сопротивления в точке с координатой I_б = 0,8 мА.

5) Снимаются три выходные характеристики транзистора:

для I_б=0,6 мА; 0,8 мА; 1 мА.

6) Устанавливают с помощью потенциометра R₁ величину тока; поддерживая I_б постоянным с помощью R₁, изменяют величину коллекторного напряжения (отсчитываемого по вольтметру V₂) и при определенных его значениях измеряют величину коллекторного тока (по миллиамперметру A₂). Напряжение следует изменять от 0 до 1,6 B (вначале от 0 до 0,28 через 0,02 B, затем через 0,1- 0,2 B до 2,0 B).

Результаты всех измерений следует занести в таблицу.

Таблица 75.2

Uк-э, В	0	0,02	0,04
Iк, мА/Iб=0,6 мА
Iк, мА/Iб = 0,8 мА
Iк, мА/Iб= 1 мА

По данным таблицы на одном и том же чертеже построить 3 кривые.

7) По одной из кривых графически определяется R_вых (как показано в §4, рисунок 75.6)

8) Для случая: I_б = 1 мА и U_к-э = 0,6 следует определить коэффициент усиления по току (в рассматриваемой схеме он равен коэффициенту передачи базового тока, см. (12)).

Способ определения β (см. §4. рисунок 75.6)

9) Вычисляются коэффициенты К_и и К_p:

(75.13)

(75.14) см (75.13) и (75.14)