Методички по лабам(физика) / lab72
.pdf3
Цель работы: ознакомиться с принципом действия полупроводникового тран-
зистора.
Задача: получить выходные характеристики транзистора Uк f (Uэ ) по напряжению в схеме с общей базой, рассчитать коэффициент усиления транзи-
стора по напряжению u .
Приборы и принадлежности: лабораторный стенд - вольтметр; милливольт-
метр, источник питания, транзистор.
ОСНОВЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ
Электроны в отдельном атоме могут занимать только вполне определенные энергетические уровни. В изолированном атоме расстояние между уровнями энергии составляет несколько электронвольт. Но когда соединяются два атома,
их электроны в соответствии с принципом запрета Паули не могут иметь одну и ту же энергию. В результате происходит расщепление уровней энергии. Каж-
дый уровень превращается в два уровня, разделенные малым энергетическим интервалом. А так как большинство твёрдых тел имеет кристаллическую струк-
туру, то в любом кристалле соединены вместе многие миллионы атомов, и в ре-
зультате получится огромное число энергетических уровней, образующих раз-
решенные энергетические зоны. Расстояние между соседними энергетическими уровнями в зоне 10 22 эВ . Поэтому зоны можно считать практически непре-
рывными (рис.1).
Разрешенные энергетические зоны разделены зонами запрещённых значе-
ний энергии ( ), называемыми запрещёнными энергетическими зонами.
Обычно электроны находятся в валентной зоне. Будет ли твердое тело ди-
электриком, проводником или полупроводником, зависит от структуры энерге-
тических зон (рис.2).
В металлах валентная зона заполнена электронами только частично и при-
мыкает к зоне проводимости, поэтому электроны могут легко переходить из ва-
4
лентной зоны в зону проводимости. С другой стороны, если валентная зона, за-
полненная электронами, чётко отделена от зоны проводимости достаточно ши-
рокой запрещенной зоной ( > 2 эВ ), то твёрдое тело является диэлектри-
ком. Наконец, в полупроводнике запрещенная зона узкая ( 1эВ ).
Рис.1.Энергетические уровни электронов в металле
Рис.2. Энергетические зоны в твёрдых телах( ЗП – зона проводимости, ЗЗ – запрещённая зона, ВЗ – валентная зона)
Каждый главный уровень энергии подразделяется на множество подуров-
ней. При температуре T 0 K валентная зона полностью заполнена электрона-
ми, а зона проводимости полностью свободна и полупроводник не проводит электрического тока. При повышении температуры электроны начинают обме-
ниваться энергией о ионами кристаллической решетки. Благодаря этому, элек-
5
трон может получить добавочную кинетическую энергию порядка k T (где k -
постоянная Больцмана). Такие электроны становятся основными носителями заряда. Но проводимость возникает и по другой причине. В валентной зоне освобождаются квантовые состояний, не занятые электронами, - дырки. При наличии дырок электроны могут рекомбинировать с ними. Прежние заполнен-
ные состояния при этом освобождаются, т.е. превращаются в дырки и т.д. Такая проводимость называется собственной в отличие от примесной проводимости,
обусловленной наличием примесей атомов других химических элементов. При наличии примесей появляются добавочные энергетические уровни, располага-
ющиеся в запрещенной зоне полупроводника (рис.3).
а) n - тип б) p - тип
Рис.3. Примесные уровни в легированных полупроводниках:
а) n - типа, б) p - типа
Допустим, что добавочные уровни зоне в запрещенной зоне появились вблизи нижнего края зоны проводимости (рис.3, а). С этих уровней электроны будут переходить в зону проводимости. Если 1 мала по сравнению с ,
то количество электронов в зоне проводимости может увеличиться на несколь-
ко порядков. Примеси такого типа, поставляющие электроны в зону проводи-
мости, называются донорами, а сам полупроводник обладает проводимостью n
6
- типа. Примером донорной примеси могут служить атомы пятивалентного мышьяка, вводимые в кристаллическую решетку четырехвалентного кремния.
Рис.3, б поясняет акцепторную примесную проводимость, где основными но-
сителями являются дырки. Такой полупроводник обладает проводимостью p -
типа. Таким образом, примеси играют значительную роль - с их помощью мож-
но управлять проводимостью полупроводников.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА
Важнейшее применение полупроводники с p n переходом находят в транзисторах. Транзистор n p n - типа (рис.4) состоит из трёх полупро-
водниковых областей: полупроводника n - типа, называемого эмиттером (в
нем большая концентрация донорных примесей), полупроводника p - типа,
называемого базой, и полупроводника n - типа, называемого коллектором.
Рис.4. Схема включения транзистора n p n - типа ( с общей базой).
Контактное поле Eк в обоих n p переходах направлено от электронного к дырочному полупроводнику, такое направление Eк - запорное, противополож-
7
ное направление - пропускное. Включим транзистор в схему, как показано на рис.4. Электрический ток внутри эмиттера создается главным образом движе-
нием электронов, являвшихся основными носителями заряда. Эти электроны проходят через n p - переход в область базы, а так как толщина базы очень
о
мала ( 500 А), то под воздействием электрического поля E электроны движут-
ся по направлению к коллектору, не встречая на своём пути ни одной дырки и пройдя через p n - переход, попадают в коллектор уже в качестве основных
носителей заряда. Тем самым они меняет ток в коллекторе. Таким образом, вся-
кое изменение тока в цепи эмиттера будет вызывать изменение тока и в цепи
коллектора. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
В соответствии с законом Кирхгофа существует соотношение между тока- |
||||||||||||||||
ми Iэ Iк |
Iб . Обычно Iб << Iэ , |
следовательно, ток коллектора лишь незна- |
||||||||||||||||
чительно меньше тока эмиттера, и можно считать Iк Iэ . Для транзисторов с |
||||||||||||||||||
общей базой коэффициент |
|
|
Iк |
0,95 0,995, т.е. коэффициент усиле- |
||||||||||||||
i |
Iэ |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ния по току близок к единице. |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
Коэффициент |
усиления |
по |
напряжению |
определяется формулой |
||||||||||||
|
|
|
Uв ых |
|
|
Iв ых Rн |
|
Rн |
, где R - сопротивление нагрузки в выходной це- |
|||||||||
u |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
Uв х |
|
Iв х Rв х |
|
|
Rв х |
|
|
|
|
н |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
пи; R |
Uэ б |
при U |
к б |
const . |
|
|||||||||||||
|
|
в х |
|
|
Iэ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Так как Rн >> Rв х , то u >>1, |
эффект усиления по напряжению связан с |
|||||||||||||||
большой разницей в сопротивлениях. |
|
|||||||||||||||||
|
|
Так |
как между |
токами |
|
Iк и |
Iэ существует |
линейная зависимость, то |
|
|
|
Rн Iэ |
|
Rн Iк |
U |
u |
|
|
||||
|
|
Uэ б |
|
Uэ б |
U |
|
|
|
|
|
к
э
8
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ
На рис.5дана схема лабораторного стенда. Между эмиттером и базой пода-
ется напряжение Uэ б 0,7 В , между коллектором и базой подается напряжение
Uк б 4 В , либо Uк б 8 В , которое меняется переключателем П1.
Рис.5.Схема лабораторного стенда.
Изменяя значение сопротивления R , которое находится в цепи эмиттера,
тем самым мы меняем напряжение на входе транзистора U э . Так как любое из-
менение тока в цепи эмиттера порождает изменение тока в цепи коллектора, то,
следовательно, будет меняться и U к . Зависимость напряжения на выходе U к от напряжения на входе транзистора U э имеет вид, изображенный на рис.6 (для разных значений U к б ). Следовательно, можно по графику рассчитать коэффи-
цент усиления транзистора по напряжению a |
Uк2 |
Uк1 |
на наиболее крутом |
|
|
|
|||
u |
U |
э2 |
U э |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
участке, который соответствует линейной зависимости Iк от I э (рис.6) Из гра-
9
фика видно, что для большего значения U к б приращение Uk Uk 2 Uk1
больше, значит, коэффициент au будет больше.
Рис.6. Определение коэффициента усиления транзистора по напряжению
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1.Ознакомиться с установкой. Включить цепь коллектора ключом ВКЛ. Пе-
реключателем П1 установить напряжение питания Uк б 4 В.
2.Включить цепь эмиттора поворотом ручки U э .
3.Изменяя U э от 0 до 0,5 В с шагом 0,05 В, записать соответствующие зна-
чения U э и Uк в таблицу.
4.По полученным данным построить кривую зависимости Uк f (Uэ ) .
5.По наклону прямой на наиболее крутом прямолинейном участке опреде-
лить коэффициент усиления транзистора по напряжению(см. рис.6)
10
a |
U |
к |
U |
к |
|
U |
k |
. |
|
|
2 |
1 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||
u |
Uэ |
U |
|
|
Uэ |
|||
|
э1 |
|
||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
6.Перевести переключатель П1 в положение Uк б 8 В и повторить пункты
3,4,5.
7.Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 1.
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
U э |
, В |
U |
к , В при |
au1 |
Uк , В при |
au 2 |
||
№ |
Uк б |
4 В |
Uк б |
8 В |
|||||
|
|
|
|
|
|||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Пояснить различия между металлами, полупроводниками и диэлектриками с точки зрения зонной теории.
2.Пояснить различие в температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников.
3.Пояснить механизм собственной и примесной проводимости.
4.Пояснить принцип действия транзистора p n p - типа.
5.Кремниевый проводник легирован фосфором. Будут ли примесные атомы донорами или акцепторами? Какого типа получится полупроводник?
11
6.Кремниевый проводник легирован бором. Будут ли примесные атомы до-
норами или акцепторами? Какого типа получится полупроводник?
7.Для схемы с общей базой известно: коэффициент усиления равен 27,
входное сопротивление равно 50 Ом, выходное сопротивление равно
1500 Ом. Чему равен коэффициент усиления транзистора по напряжению?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Электричество.− М.: − Наука, 1983 − 687 с.
2.Трофимова Т. И. Курс физики. − М. :Высшая школа, 1997. − 542 с.
3.Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике − М.: Наука, 1985.− 512 с.
4.И.В.Савельев. Курс общей физики. Книга 5. Квантовая оптика.Атомная физика.Физика твёрдого тела. Физика атомного ядра и элементарных ча-
стиц. − М.: Астрель, 2001.