37906

Изучение статических характеристик и определение коэффициента усиления транзистора

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Инжекция носителей тока. Инжекция носителей тока В основе работы транзистора лежит явление полупроводников р и n – типа р–n – переход к которому приложено внешнее электрическое поле в пропускном прямом направлении рис.1 В этом случае потенциальный барьер основных носителей на границе р–n – перехода снижается и под влиянием внешнего поля дырки переходят из р в n – полупроводник а электроны в обратном направлении из n в р – полупроводник и в цепи возникает прямой ток. Процесс рекомбинации происходит не...

Русский

2013-09-25

84.5 KB

31 чел.

Содержание

1. Цель работы……………………………………………………………4

2. Теоретическая часть…………………………………………………...4

2.1. Инжекция носителей тока…………………………………………..4

2.2. Принцип работы транзистора………………………………………6

3. Приборы и оборудование……………………………………………..8

4. Требования к технике безопасности………………………………….9

5. Выполнение работы…………………………………………………...9   

6. Требования к отчету………………………………………………….10

7. Контрольные вопросы………………………………………………..10

Список литературы…………………………………………………...11


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 79

Изучение статических характеристик

и определение коэффициента

усиления транзистора

  1.  цель работы

Целью данной работы является изучение принципа работы транзистора, снятие статических характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, и определение коэффициента усиления по току.

2. Теоретическая часть

Транзистором (полупроводниковым триодом) называется устройство, содержащее два близко расположенных рn – перехода, действующее подобно вакуумной электронной лампе с сеткой.

  1.  Инжекция носителей тока

В основе работы транзистора лежит явление полупроводников    р и n типа (рn – переход), к которому приложено внешнее электрическое поле  в пропускном (прямом) направлении рис. 2.1.

 

Рис. 2.1

В этом случае потенциальный барьер основных носителей на границе рn – перехода снижается, и под влиянием внешнего поля дырки переходят из р в n – полупроводник, а электроны в обратном направлении (из n в р – полупроводник), и в цепи возникает прямой ток.

Дырки, перешедшие в n – полупроводник, являются для него неосновными носителями; встречаясь с электронами, они рекомбинируют с ними. То же самое происходит с электронами, перешедшими в р – полупроводник, причем для этого типа полупроводника они являются неосновными носителями.

Процесс рекомбинации происходит не мгновенно, поэтому у границы рn – перехода происходит как бы «впрыскивание» электронов как неосновных носителей в приграничный слой               р – полупроводника и дырок – в приграничный слой                              n – полупроводника. Поэтому это явление получило название инжекции носителей.

По мере удаления от границы рn – перехода концентрация N неосновных носителей непрерывно уменьшается. За время dt  число неосновных носителей  уменьшается на dN, причем уменьшение числа носителей пропорционально времени dt и концентрации неосновных носителей N, так как, чем их больше, тем больше вероятность встречи их с основными носителями, приводящей к рекомбинации:

                                      – dN = ,                                         (2.1)

где  – коэффициент пропорциональности.

Разделяя переменные и интегрируя полученное выражение, получим закон, по которому изменяется с течением времени число неосновных носителей в результате рекомбинации:

                                      N = N0 e-t/τ ,                                            (2.2)

где N0 – концентрация неосновных носителей на границе рn – перехода.

Из соотношения (2.2) видно, что при t = τ , следовательно, τ это время, в течение которого число неосновных носителей уменьшается в е раз. Это время τ называется временем жизни неосновных носителей. За время жизни носители успевают проникнуть в глубь полупроводника на расстояние L, называемое диффузионной длиной носителей. L различна для различных полупроводников и зависит от количества примесей и других дефектов кристаллической решетки. Например, для чистого германия L 1 мм, для германия с примесями 0,3 – 0,5 мм.

2.2. Принцип работы транзистора

Существуют два типа транзистора: рnр и nрn, которые различаются последовательностью чередования в монокристалле полупроводника областей с различным типом проводимости (р и  n).

На рис. 2.2 показана принципиальная схема плоскостного         рnр транзистора, включенного в схему с общим эмиттером.

 

Рис. 2.2

Транзистор состоит из трех областей: левой n – области, называемой эмиттером (Э), средней р – области, называемой        базой (Б) и правой n – области, называемой коллектором (К). Эти области отделены одна от другой двумя рn – переходами: эмиттерным (1) и коллекторным (2). Эмиттерный рn – переход включен в прямом направлении, коллекторный – в обратном направлении.

Основными носителями в эмиттере nрn – транзистора являются электроны. Так как эмиттерный рn – переход включен в прямом направлении, то потенциальный барьер для электронов, совершающих переход эмиттер – база, снижается, что приводит к инжекции электронов из эмиттера в базу (р – область). В базе эти электроны становятся уже неосновными носителями. В результате инжекции электронов в базу их концентрация на границе эмиттерного перехода становится больше, чем в остальном объеме базы. Вследствие этого начинается диффузия электронов к границе второго рn – перехода, где они попадают под действие электрического поля, приложенного к переходу база – коллектор. Так как коллекторный переход (2) включен в запорном направлении, то для основных носителей базы (р – область) – дырок и коллектора       (n – область) – электронов потенциальный барьер на втором               рn – переходе увеличивается. При этом не будет перехода электронов из коллектора в базу, а для электронов базы, диффундирующих к коллектору, приложенное ко второму                 рn – переходу поле является ускоряющим и потенциального барьера для него не существует. Эти электроны втягиваются в коллектор. Таким образом, в активном режиме коллектор собирает (коллектирует) инжектированные в базу электроны, что и отражается в его названии.

Инжекция электронов из эмиттера неизбежно сопровождается их рекомбинацией с дырками базы, в результате чего количество носителей тока уменьшается. Чтобы сократить потери носителей, толщина базы берется много меньше диффузионной длины, которая составляет в германии 0,3 – 0,5 мм, поэтому в германиевых транзисторах толщина базы не более 0,25 мм.

При включении транзистора в схему с общим эмиттером (рис.2.2) усиливаемый сигнал от источника u подается между эмиттером и базой, а снимается между эмиттером и коллектором. Поток электронов из эмиттера в базу будет регулироваться напряжением источника сигнала, которое будет изменять высоту потенциального барьера на эмиттерном рn – переходе. Большая часть электронов, инжектируемых с эмиттера, будет диффундировать к коллектору и только незначительная часть уходит в цепь базы, создавая небольшой по сравнению с током коллектора Iк ток базы Iб, причем                          Iб = IэIк (Iб « Iк ).

Отношение изменения коллекторного тока к изменению тока базы называется коэффициентом усиления по току в схеме с общим эмиттером:                        .                  (при Vк = const).          (2.3)

Изменение тока базы Iб и коллектора Iк будут пропорциональны самим токам и, поскольку Iб « Iк,

                                           » 1.                                          (2.4)

Это означает, что в схеме включения транзистора с общим эмиттером достигается усиление по току.

Кроме коэффициента усиления сигнала по току () транзистор характеризуется коэффициентом усиления сигнала по напряжению, который определяется соотношением:

                                       ,                                     (2.5)

так как Rн » Rвх, то Vвых » Vвх и α » 1.

Мощность переменного тока, выделяемая в сопротивлении Rн, может быть больше, чем расходуемая в цепи эмиттера, то есть транзистор дает и усиление мощности.

Коэффициент усиления по мощности равен:

                              »1.                                   (2.6)

Характеристики транзистора  в статическом режиме, то есть при отсутствии нагрузки в цепи коллектора и, следовательно, при постоянстве напряжения, приложенного к коллекторному и эмиттерному переходам при изменении тока в цепях транзистора, называются статическими характеристиками.

3. Приборы и оборудование

В данной работе исследуются статические выходные характеристики транзисторов типа П-214, включенных по схеме с общим эмиттером. Электрическая схема установки приведена на   рис. 3.1.

 

                                                          

                                          

                                     

Рис. 3.1

Блок питания, транзистор и электроизмерительные приборы смонтированы в установку, подключаемую к сети шнуром и тумблером «Сеть». На переднюю панель установки вынесены электроизмерительные приборы: амперметр для измерения тока базы, вольтметр и амперметр для измерения коллекторного тока с пределами измерений 50 и 500 mА.

4. Требования к технике безопасности

1. Прежде чем приступить к работе, внимательно ознакомьтесь с оборудованием и заданием.

2. Перед включением установки в сеть проверьте, чтобы тумблер «Сеть» в источнике питания находился в нижнем положении («Выкл.»).

3. По окончании работы отключите питание установки и приведите рабочее место в порядок.

  1.  Не оставляйте без присмотра лабораторную установку.

5. Выполнение работы

  1.  Включают установку в сеть, переводя тумблер в положение «Вкл.».
  2.  Устанавливают ток базы Iб = 0,2 mА и меняя ручкой потенциометра напряжение на коллекторе от 1 до 8 В снимают соответствующие значения коллекторного тока (Iк). После измерений необходимо сбросить напряжение до нуля.
  3.  Повторяют измерения для тока базы Iб = 0,3 mА, 0,4 mА,      0,5 mА, 0,6 mА.
  4.  Результаты измерений заносят в таблицу.
  5.  Строят графики зависимости Iк от Vк при различных значениях тока базы Iб (на одном листе миллиметровой бумаги).
  6.  По графикам и формуле (2.3) рассчитывают коэффициент усиления по току (β) при значении Vк =6 В.
  7.  Рассчитывают погрешности определения β.

Vк (В)

Iк (mА)

Iб = 0,2 mА

Iб = 0,3 mА

Iб = 0,4 mА

Iб = 0,5 mА

Iб = 0,6 mА

  1.  Требования к отчету

Отчет должен содержать:

  1.  название и номер работы;
  2.  основные теоретические и рабочие формулы;
  3.  таблицу с результатами измерений;
  4.  графики статических характеристик транзистора (зависимость Iк от Vк) при значении тока базы Iб = 0,2 mА, 0,3 mА,   0,4 mА, 0,5 mА, 0,6 mА, выполненные на миллиметровой бумаге;
  5.  расчет коэффициента усиления по току β при Vк =6 В;
  6.  расчет погрешности в определении β;
  7.  выводы.

  1.  Контрольные вопросы

  1.  В чем заключается инжекция неосновных носителей тока в полупроводниках?
  2.  Почему уменьшается концентрация неосновных носителей при удалении от границы рn – перехода?
  3.  Что называется временем жизни и диффузионной длиной пробега носителей тока в полупроводниках?
  4.  Каков принцип работы транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером?
  5.  Почему носители тока, перешедшие из эмиттера в базу, свободно переходят в цепь коллектора?
  6.  Почему транзистор может служить усилителем по напряжению?

Список литературы

  1.  Савельев И.В. Курс общей физики. Кн. 5. – М.: Наука, Физматгиз. 1998. – 208 с.
  2.  Епифанов Г.И. Физика твердого тела. – М.: Высшая школа, 1977. – 287 с.

10


  
--  +++++

I

                

р                              n       

 

   ●   ●     ●

   ●    ●    ●     ●     ●    ●     ●

    ●     ●     ●

  •  +
  •  +
  •  +
  •  +
  •  +

       Источник питания

V

220 B

 –

R1

 +  

mA

+ •

   Б

Э

К      +

         •

  •  

                         R2

+

mA

~

+

+

RН

  n             p          n

 Iэ               Iб      Iк 

          1          2

    

u

   Э           Б             К


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5041. Определение длин волн излучения источников дискретного и непрерывного спектров 187 KB
  Определение длин волн излучения источников дискретного и непрерывного спектров Цель работы: градуировка спектроскопа по известному спектру неона, определение длин волн в спектре паров ртути и границ видимого спектра лампы накаливания. Приборы и прин...
5042. Исследование статических характеристик полупроводниковых диодов 129.5 KB
  Исследование статических характеристик полупроводниковых диодов. Цель работы Изучить устройство полупроводникового диода, физические процессы, происходящие в нем, характеристики, параметры, а также типы и применение полупроводниковых диодов...
5043. Кинематический анализ и синтез плоских рычажных, рычажных, кулачковых и зубчатых механизмов 509.5 KB
  Структурный анализ механизма. Число степеней свободы механизма определяем по формуле П. Л. Чебышева. где n- число подвижных звеньев механизма, p5- число кинематических пар пятого класса, p4- число Кинематических пар четвертого класса. В ...
5044. Изучение структуры углеродистых сталей после различных видов термической обработки 94 KB
  Изучение структуры углеродистых сталей после различных видов термической обработки Цель работы - изучение влияния закалки и отпуска на структуру и свойства углеродистых сталей. Оборудование, оснастка, приборы: электрические камерные печи...
5045. Определение длины световой волны при помощи дифракционной решетки 111.5 KB
  Определение длины световой волны при помощи дифракционной решётки Цель работы: определение с помощью дифракционной решётки длины световых волн в различных частях видимого спектра. Приборы и принадлежности: дифракционная решётка плоская шкала со щел...
5046. Определение эффективного коэффициента ослабления космических лучей 119.5 KB
  Определение эффективного коэффициента ослабления космических лучей Цель работы: определение эффективного коэффициента ослабления космических лучей в свинце. Приборы и принадлежности: установка для измерения интенсивности космических лучей ФПК...
5047. Исследование комбинационных логических схем 185 KB
  Исследование комбинационных логических схем. ЧАСТЬ 1. Исследование базового логического элемента ТТЛ. Построить передаточную характеристику. Реализовать с помощью ЛЭ 2И-НЕ схемы И, ИЛИ, НЕ...
5048. Исследование структуры и устройства триггеров 116.5 KB
  Исследование структуры и устройства триггеров. Исследование асинхронного RS- триггера. Исследование двухступенчатого RS – триггера...
5049. Исследование статических характеристик и параметров полевых транзисторов 92 KB
  Исследование статических характеристик и параметров полевых транзисторов Цель работы Изучить принцип действия, характеристики и параметры полевых транзисторов (ПТ). Отчет о работе Снять передаточную характеристику IC=F(U3И) (график...