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

34 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

8062. Формы организации обучения и их характеристика 25.25 KB
  Формы организации обучения и их характеристика Форма организации обучения - это внешнее выражение согласованной деятельности учителя и учеников, упаковка для содержания обучения. Они возникают и совершенствуются в связи с развитием дидактичес...
8063. Классно-урочная система обучения и её признаки 24 KB
  Классно-урочная система обучения и её признаки Классно-урочная система обучения, возникшая еще в XVII веке, образовалась и развивалась благодаря деятельности великих деятелей педагогической науки И. Лойолы, И. Штурма, Я. А. Коменского. Классно-урочн...
8064. Понятие урок. Типология и структура урока 25.14 KB
  Понятие урок. Типология и структура урока Урок - это законченный в смысловом, временном и организационном отношении отрезок (этап, звено, элемент) учебного процесса. На каждом уроке решается триединая цель: обучить, воспитать, развить. Урок явл...
8065. Контроль и оценка знаний учащихся 25.97 KB
  Контроль и оценка знаний учащихся. Одним из важнейших звеньев процесса обучения является контроль усвоения знаний. Он показывает, насколько полно и глубоко усвоены знания как на уроке, так и в системе уроков, а также вносит коррективы в организацию ...
8066. Подготовка учителя к уроку. Анализ и самооценка урока 21.66 KB
  Подготовка учителя к уроку. Анализ и самооценка урока. Подготовку учителя к уроку можно разделить на два больших этапа. Планирование урока. Составляется тематический план - отражение единства и взаимосвязи всех форм организации по данному пр...
8067. Дифференцированный подход к обучению и воспитанию учащихся в социокультурной сфере 26.32 KB
  Дифференцированный подход к обучению и воспитанию учащихся в социокультурной сфере. Едва ли не с самых давних времен, говоря об образовании, стремятся подчеркнуть желание учитывать интересы учащихся, строить процесс обучения разнопрофильно, на разну...
8068. Характеристика воспитания как педагогического явления 24.6 KB
  Характеристика воспитания как педагогического явления В общем педагогическом процессе развивается и процесс воспитания. Традиционно он рассматривается отдельно, потому что имеет свои особенности и его нельзя свести ни к процессу обучения, ни к проце...
8069. Цель воспитания и задача воспитания. Реализация целей воспитания в деятельности работника в сфере культуры 25.24 KB
  Цель воспитания и задача воспитания. Реализация целей воспитания в деятельности работника в сфере культуры Одной из фундаментальных проблем в педагогической науке является проблема целеполагания. Существуют разные подходы к определению цели воспитан...
8070. Понятие и характеристика общих закономерностей воспитательного процесса 27.11 KB
  Понятие и характеристика общих закономерностей воспитательного процесса Эффективность воспитания зависит от следующих факторов: От сложившихся воспитательных отношений. Воздействие на ребенка осуществляется через его отношение к окружающему, в...