Дата .. Фамилия Группа

Лабораторная работа №94

I.Название работы:

Исследование свойств плоскостного полупроводникового

триода (транзистора).

Цель работы

1. Изучить устройство и принцип действия полупроводникового триода;

2. Снять вольт − амперные характеристики триода;

3. Вычислить коэффициенты усиления триода по току, напряжению и мощности.

II.Краткое теоретическое обоснование:

Полупроводниковый триод (английское название − транзистор) представляет собой прибор, в котором используется комбинация двух параллельных взаимодействующих p−n переходов. Полупроводниковый триод может осуществлять усиление и генерирование электрических сигналов и выполнять ряд других функций. Различают два типа плоскостных полупроводниковых триодов: p−n−p-типа и n−p−n-типа. Наибольшее распространение получил прибор p−n−p-типа. Поэтому рассмотрим более подробно работу этого транзистора. При изготовлении полупроводниковых триодов p−n−p-типа в одном из полупроводников p-типа создают большую концентрацию акцепторов, поэтому этот полупроводник является источником носителей заряда (дырок) и называется эмиттером. В среднем полупроводнике n-типа концентрация доноров значительно меньше, чем в эмиттере. Эта часть полупроводникового триода называется базой, так как она является основой, на которой конструктивно собирается весь триод. Таким образом, концентрация свободных дырок в эмиттере (p_э) значительно больше, чем концентрация свободных электронов в базе n_б.

Во втором полупроводнике p-типа концентрация акцепторов еще меньше, чем концентрация доноров в базе. Этот полупроводник собирает заряды, идущие из эмиттера через базу, и поэтому называется коллектором; p−n переходы, образующиеся на границах эмиттер − база − коллектор, называются эмиттерным и коллекторным переходами. Условные обозначения полупроводниковых триодов p−n−p- и n−p−n-типов, принятые в радиотехнике, приведены соответственно на рис.5, а и б.

Следует отметить, что большое влияние на работу транзистора оказывает толщина базового полупроводника (толщина базы). Это обусловлено тем, что по мере удаления от границы p−n-перехода происходит все более полная рекомбинация неосновных носителей, вследствие чего их концентрация непрерывно уменьшается. Уменьшение концентрации неосновных носителей, перешедших через границу p−n-перехода, со временем определяется соотношением:

где n₀ - концентрация неосновных носителей на границе p−n-перехода. Если положить t = τ, то получим n/n₀ = 1/e. Следовательно, τ есть время, в течение которого концентрация носителей уменьшается в е раз; τ называется средним временем жизни носителей. За время τ неосновные носители успевают продиффундировать на расстояние L_д, называемое их диффузионной длиной. Для германия, легированного примесями, например, L_д составляет десятые доли миллиметра. Поэтому толщину базы делают значительно меньше диффузионной длины (L_д) неосновных носителей, чтобы рекомбинация неосновных носителей в базе была минимальной. Так как обычно L_д = 0,2 мм, то толщину базы делают равной нескольким десяткам микрон.

Рассмотрим принцип работы транзистора.

Для нормальной работы полупроводникового триода p−n-переход эмиттер − база подается небольшое постоянное напряжение (десятые доли вольта) в прямом направлении. Высота и толщина потенциального барьера на эмиттерном p−n-переходе в этом случае уменьшается, а, следовательно, сопротивление p−n-перехода эмиттер − база R_эб падает.

На переход коллектор − база подается постоянное обратное напряжение (от нескольких вольт до десятков вольт). В этом случае высота и ширина потенциального барьера на коллекторном p−n-переходе увеличивается и, следовательно, его сопротивление R_кб возрастает. При этих условиях всегда R_эб ≤ R_кб . Схема включения транзистора приведена на рис.5,в.

Так как под действием э.д.с. батареи, включенной в цепь эммитера, высота потенциального барьера эмиттерного p−n-перехода уменьшилась, то из эмиттера в базу через p−n-переход устремится поток дырок. В базе поэтому будет создаваться повышенная, по сравнению с равновесной, концентрация неосновных носителей (дырок). Эти избыточные дырки, попавшие в базу из эмиттера, диффундируют в ней по всем направлениям, при этом часть их рекомбинирует с электронами базы, а оставшиеся доходят до коллекторного p−n-перехода.

Навстречу потоку дырок из эмиттера будет идти поток электронов из базы. Этот поток значительно меньше потока дырок из эмиттера, поскольку p_э ≥ n_б. Поэтому эмиттерный ток I_э будет определяться, главным образом, потоком дырок, идущим из него в базу. А поток электронов из базы в эмиттер создает очень небольшой ток базы I_б.

Рассмотрим коллекторный ток I_к. Дырки, которые дошли до коллекторного p−n-перехода, ускоряются обратным напряжением и беспрепятственно попадают в коллектор, создавая ток коллектора. Величина коллекторного тока определяется потоком дырок из эмиттера дошедших до коллекторного p−n-перехода. Этот поток уменьшается за счет рекомбинации дырок с электронами базы на малую величину, так как диффузионная длина L_д намного, больше толщины базы.

Обычно

I_к = 0,98I_э …0,95I_э

Полупроводниковый триод может быть включен во внешнюю цепь тремя основными способами:

1) включение по схеме "с общей базой" (рис.5,в и рис.6);

2) включение по схеме "с общим эмиттером" (рис.7);

3) включение по схеме "эмиттерный повторитель".

Рассмотрим включение триода по схеме с общей базой (рис.6).

В схеме с общей базой источник сигнала включается в цепь эмиттера, т.е. I_э является входным током, а выходным током, как видно из рис.6, является ток коллектораI_к. Пусть эмиттерный ток изменился на величину ΔI_э; так как между I_э и I_к выполняется соотношение(3), то ΔI_к = (0,98...0,95)•ΔI_э

Тогда коэффициент усиления по току, определяемый как отношение изменения выхода тока, к изменению входного тока, для схемы с общей базой будет

(α − коэффициент усиления по току). Отсюда видно, что усиление по току в схеме с общей базой получить нельзя, но можно получить усиление по напряжению и по мощности. Коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение изменений выходного и входного напряжений. В схеме с общей базой входным напряжением является напряжение U_эб, а выходным − напряжение U_кб. Тогда коэффициент усиления по напряжению схемы с общей базой K_u определяется по формуле

с учётом (4) и условия, что R_кб ≥ R_эб. Коэффициент усиления по напряжению при включении по схеме с общей базой больше единицы, следовательно, возможно усиление сигнала по мощности. Найдем коэффициент усиления по мощности К_p:

где

Так какI_к ≈ I_б, то из формулы (6) получаем, что К_p = К_uα т.е. коэффициент усиления по мощности равен произведению коэффициентов усиления по напряжению и току.

В отличие от схемы с общей базой в схеме с общим эмиттером переменный сигнал подается в цепь базы. При таком включении оказывается возможным усиление сигнала, как по току, так и по напряжению.

Рассмотрим принцип работы схемы с общим эмиттером (рис.7). Для любого момента времени выполняется следующее равенство:

I_э = I_к + I_б

Так как в цепь базы включен источник переменного сигнала то высота эмиттерного p−n-перехода будет меняться, что при ведет к изменению потока носителей из эмиттера в базу, т.е. к изменению тока, эмиттера I_э.

Пусть эмиттерный ток изменится на величину ΔI_э ток коллектора I_к. изменится на величину ΔI_к, а ток базы I_б изменится на величину ΔI_б, и в соответствии с равенством (7) можно записать

ΔI_к = ΔI_к + Δ I_б,

откуда получим, что

ΔI_б = Δ I_э − ΔI_к

Так как α = ΔI_к / ΔI_б и, следовательно,ΔI_к = αΔI_э, то, подставляя ΔI_к в равенство (8),находим

Отсюда видно, что, изменяя величину тока базы, мы управляем током эмиттера и током коллектора. Найдем, каков коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером. В схеме с общим эмиттером входным током является ток базы I_б, так как источник переменного сигнала включен в цепь базы, а выходным − ток коллектора I_к. Тогда коэффициент усиления по току β в схеме с общим эмиттером определяется по формуле

Подставляя ΔI_к из (9) находим, что

Так как α = 0,95...0,98, то следует, что β = 1 и, значит, усиление по току в схеме с общим эмиттером возможно.

Найдем коэффициент усиления по напряжению. Для схемы с общим эмиттером (рис.7) U_кэ − выходное напряжение, снимаемое с сопротивления нагрузки; U_бэ − входное напряжение. Тогда для схемы с общим эмиттером коэффициент усиления по напряжению будет

Так как ΔU_кэ >> ΔU_бэ следует, что K_u >> 1, т.е. в схеме с общим эмиттером получается усиление и по напряжению.

Коэффициент усиления транзистора по мощности K_p при включении по схеме с общим эмиттером определяется аналогично включению транзистора по схеме с общей базой:

K_p = β K_u (13)

Так как β > 1, а K_u в схеме с общей базой и в схеме с общим эмиттером приблизительно одинаковы, то следует, что при включении триода по схеме с общим эмиттером коэффициент усиления возрастает приблизительно β раз.