Принцип работы транзистора

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

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.

Теоретическая часть

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

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. 2.1.

Рис. 2.1

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.

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 р–n – 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 р–n – 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 р–n – 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.

Принцип работы транзистора

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

На рис. 2.2 показана принципиальная схема плоскостного р–n–р 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 р–n – переходами: эмиттерным (1) и коллекторным (2). Эмиттерный р–n – переход включен в прямом направлении, коллекторный – в обратном направлении.

Основными носителями в эмиттере n–р–n – транзистора являются электроны. Так как эмиттерный р–n – 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 р–n – 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 р–n – переходе увеличивается. При этом не будет перехода электронов из коллектора в базу, а для электронов базы, диффундирующих к коллектору, приложенное ко второму р–n – 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 р–n – 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 I_к ток базы I_б, причем I_б = I_э – I_к (I_б « I_к ).

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

Изменение тока базы I_б и коллектора I_к будут пропорциональны самим токам и, поскольку I_б « I_к,

» 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 R_н » R_вх, то V_вых » V_вх и α » 1.

Мощность переменного тока, выделяемая в сопротивлении R_н, 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.

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.