2514

Исследование свойств плоскостного полупроводникового триода (транзистора)

Лабораторная работа

Физика

Изучить устройство и принцип действия полупроводникового триода, Снять вольт − амперные характеристики триода; Вычислить коэффициенты усиления триода по току, напряжению и мощности.

Русский

2013-01-06

609 KB

45 чел.

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 pn переходов. Полупроводниковый триод может осуществлять усиление и генерирование электрических сигналов и выполнять ряд других функций. Различают два типа плоскостных полупроводниковых триодов: pnp-типа и npn-типа. Наибольшее распространение получил прибор pnp-типа. Поэтому рассмотрим более подробно работу этого транзистора. При изготовлении полупроводниковых триодов pnp-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 (pэ) значительно больше, чем концентрация свободных электронов в базе nб.

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; pn переходы, образующиеся на границах эмиттер − база − коллектор, называются эмиттерным и коллекторным переходами. Условные обозначения полупроводниковых триодов pnp- и npn-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 pn-перехода происходит все более полная рекомбинация неосновных носителей, вследствие чего их концентрация непрерывно уменьшается. Уменьшение концентрации неосновных носителей, перешедших через границу pn-перехода, со временем определяется соотношением:

где  n0  - концентрация неосновных носителей на границе pn-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 Lд, называемое их диффузионной длиной. Для германия, легированного примесями, например, Lд составляет десятые доли миллиметра. Поэтому толщину базы делают значительно меньше диффузионной длины (Lд) неосновных носителей, чтобы рекомбинация неосновных носителей в базе была  минимальной. Так как обычно Lд = 0,2 мм, то толщину базы делают равной нескольким десяткам микрон.

Рассмотрим принцип работы транзистора.

Для нормальной работы полупроводникового триода pn-переход эмиттер − база подается небольшое постоянное напряжение (десятые доли вольта) в прямом направлении. Высота и толщина потенциального барьера на эмиттерном pn-переходе в этом случае уменьшается, а, следовательно, сопротивление pn-перехода эмиттер − база Rэб 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 pn-переходе увеличивается и, следовательно, его сопротивление Rкб возрастает. При этих условиях всегда   RэбRкб . Схема включения транзистора приведена на рис.5,в.

Так как под действием э.д.с. батареи, включенной в цепь эммитера, высота потенциального барьера эмиттерного pn-перехода уменьшилась, то из эмиттера в базу через pn-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     pn-перехода.

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

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

Обычно

Iк = 0,98Iэ …0,95Iэ

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. Iэ является входным током, а выходным током,

как видно из рис.6, является ток коллектора Iк. Пусть эмиттерный ток изменился на величину ΔIэ; так как между Iэ и Iк выполняется соотношение(3), то ΔIк = (0,98...0,95)•ΔIэ

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 Uэб, а выходным − напряжение Uкб. Тогда коэффициент усиления по напряжению схемы с общей базой Ku определяется по формуле

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

где

Так как IкIб, то из формулы (6)  получаем,  что Кp = Кuα 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:

Iэ = Iк + Iб

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

Пусть эмиттерный ток изменится на величину ΔIэ ток коллектора Iк. изменится на величину ΔIк, а ток базы Iб изменится на величину ΔIб, и в соответствии с равенством (7) можно записать

ΔIк = ΔIк + Δ Iб,

откуда получим, что

ΔIб = Δ Iэ − ΔIк

Так как α = ΔIк / ΔIб и, следовательно,ΔIк = αΔIэ, то, подставляя ΔIк 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 Iб, так как источник переменного сигнала включен в цепь базы, а выходным − ток коллектора Iк. Тогда коэффициент усиления по току β в схеме с общим эмиттером определяется по формуле

Подставляя ΔIк 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) Uкэ − выходное напряжение, снимаемое с сопротивления нагрузки; Uбэ − входное напряжение. Тогда для схемы с общим эмиттером коэффициент усиления по напряжению будет

Так как ΔUкэ >> ΔUбэ следует, что Ku >> 1, т.е. в схеме с общим эмиттером получается усиление и по напряжению.

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

Kp = β Ku                                                     (13)

Так как β > 1, а Ku 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.

Основные характеристики триода

Для схемы с общим эмиттером с учетом выбора независимых переменных будем иметь четыре семейства статических характеристик:

а) семейство входных характеристик (рис.8,а)

Iб = f (Uбэ) при Uкэ = const

б) семейство выходных характеристик (рис.8,б)

Iк = f (Uкэ) при Uб = const

в) семейство характеристик передачи по току (рис.8,в)

Iк = f (Iб) при Uкэ = const

г) семейство характеристик обратной связи по напряжению (рис.8, г)

Uбэ = f (Uкэ) при Iб = const

Особенностью входных характеристик плоскостного триода, включенного по схеме с общим эмиттерам, является сильное изменение их наклона при изменении Uкэ от отрицательных значений до нулевых и далее до положительных. Это объясняется тем, что коллекторное напряжение в данной схеме включения будет частично подано к эмиттерному переходу. В результате изменение напряжения коллектора значительно сильнее влияет на ток через эмиттерный переход, чем в схеме с общей базой.

Графики вольт − амперных характеристик можно использовать для нахождения коэффициента усиления по напряжению (по входным характеристикам) при Iб = const

и коэффициента усиления по току (по выходным характеристикам) при Uкэ = const

III.Рабочие формулы и единицы измерения.

Kp=Ku β

IV.Схема установки.

V.Измерительные приборы и принадлежности.

Установка для исследования свойств плоскостного полупроводникового триода  (транзистора).

VI.Результаты измерения.

Измеряемая величина

Номер измерения

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Uбэ,  В

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Iб, мкА, при Uкэ =  0В

0,1

0,6

1,4

2,2

3

4

5,4

6,4

8

9

Iб, мкА, при Uкэ =  5В

0,1

0,4

0,8

1,4

1,8

2,7

3,4

4,1

5

6,1

Iб, мкА, при Uкэ =  10В

0,1

0,2

0,5

0,8

1,2

1,5

2,1

2,4

3,2

3,9

Измеряемая величина

Номер измерения

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Uкэ,  В

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Iк, мА, при  Iб = 0мкА

0

13

25

32

41

45

51

52

53

53

Iк, мА, при  Iб =  0,5мкА

0

53

82

95

103

105

111

113

114

118

Iк, мА, при  Iб =  1мкА

0

82

116

124

145

160

164

166

168

170

Измеряемая величина

Номер измерения

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Iб,  В

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

Iк, мА, при  Uкэ =  0В

0

24

45

58

66

70

75

82

85

87

Iк, мА, при   Uкэ =  5В

0

33

60

88

99

106

117

130

140

145

Iк, мА, при   Uкэ =  1В

0

60

98

123

140

155

165

170

180

187

Измеряемая величина

Номер измерения

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Uкэ,  В

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Iк, мА, при Uбэ = 0мкА

4

15

22

24

26

27

28

29

30

29

Iк, мА, при Uбэ = 0,5мкА

34

43

51

55

57

58

59

60

59

54

Iк, мА, при  Uбэ = 1мкА

58

67

72

74

76

78

78

80

79

74

VII. Черновые записи и вычисления.

VIII. Основные выводы.

Изучили устройство и принцип действия полупроводникового триода, сняли вольт − амперные характеристики триода, вычислили коэффициенты усиления триода по току, напряжению и мощности.

IX. Графики.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33229. Измерительный трансформатор напряжения 13.31 KB
  ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ В сетях переменного тока для отделения измерительных приборов в целях безопасности от проводов высокого напряжения а также для расширения пределов измерения приборов применяются измерительные трансформаторы напряжения и тока. Измерительные трансформаторы напряжения по своему устройству принципиально не отличаются от устройства силовых трансформаторов служащих для питания ламп накаливания электродвигателей и т.
33230. Химический источник постоянного тока (гальванический элемент или аккумулятор) 13.69 KB
  Для получения постоянного тока используют также электрические машины генераторы постоянного тока. Источник тока это устройство в котором происходит преобразование какоголибо вида энергии в электрическую энергию. В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц которые накапливаются на полюсах источника.
33231. Энергосбережение 13.85 KB
  В четырехпроводной системе при несимметричной нагрузке необходимо включение трех ваттметров обмотки напряжений которых включаются между нулевым и соответствующим линейным проводом. Каждый ваттметр измеряет мощность одной фазы и суммарная мощность трехфазной системы равна сумме показаний трех ваттметров т. В трехпроводной системе при несимметричной нагрузке наиболее часто используют схему двух ваттметров которая не может быть использована в четырехпроводной системе. В схеме двух ваттметров обмотки напряжений каждого ваттметра соединены с...
33232. СОЕДИНЕНИЕ ЗВЕЗДОЙ И ТЕУГОЛЬНИК 14.55 KB
  ТРЕУГОЛЬНИК Треугольник такое соединение когда конец первой фазы соединяется с началом второй фазы конец второй фазы с началом третьей а конец третьей фазы соединяется с началом первой Обмотки трехфазного генератора могут быть соединены и другим способом: если конец первой обмотки соединить с началом второй конец второй обмотки с началом третьей и конец третьей с началом первой получим соединение треугольником. Соединение треугольником выполняется таким образом чтобы конец фазы А был соединен с началом фазы В конец фазы В...
33233. Шунт 13.32 KB
  Устройство и принципы работы датчиков движения и присутствия Датчики движения и присутствия автоматически включают выключают освещение в помещении в зависимости от интенсивности естественного потока света и или присутствия людей. Датчики движения более просты по конструкции и реагируют только на активные движения например идущего человека.
33234. Электрическая цепь, Устройство трансформатора 13.12 KB
  Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов образующих путь для электрического тока электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе ЭДС электродвижущая сила и электрическом напряжении. trnsformo преобразовывать это статическое электромагнитное устройство имеющее две или более индуктивно связанных обмоток на какомлибо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем напряжений переменного тока в...
33235. Зако́н О́ма 13.08 KB
  закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.
33236. Последовательное и параллельное соединения в электротехнике 13.47 KB
  Режим при котором вторичная обмотка трансформатора разомкнута а на зажимы первичной обмотки подано переменное напряжение называется холостым ходом трансформатора. Если к первичной обмотке подвести напряжение U1 по ней потечет ток который обозначим I0. Магнитный поток Ф возбуждаемый первичной обмоткой индуктирует во вторичной обмотке э. Тот же самый магнитный поток индуктирует в первичной обмотке э.
33237. Первый закон Кирхгофа 13.56 KB
  2Сердечник статора набирается из стальных пластин толщиной 035 или 05 мм. В продольные пазы статора укладывают проводники его обмотки которые соответствующим образом соединяют между собой образуя трехфазную систему. Для подключения обмоток статора к трехфазной сети они могут быть соединены звездой или треугольником что дает возможность включать двигатель в сеть с двумя различными линейными напряжениями. Для более низких напряжений указанных на щитке обмотки статора соединяются в треугольник для более высоких в звезду.