11

Транзисторы

Одно из самых важных технических применений полупроводников заключается в их использовании для усиления и генерации электрических сигналов. Приборы, предназначенные для этих целей называются транзисторами (transfer resistor – управляемое сопротивление). Рабочая часть транзистора (полупроводникового триода) состоит из пластинки полупроводника, в которой путём надлежащего распределения примесей созданы два близко расположенных p-n-перехода. Область между обоими переходами называют базой триода, а крайние области эмиттером и коллектором. Такую систему из двух переходов можно осуществить двумя способами: создавая у эмиттера и коллектора дырочную проводимость, а у базы – электронную, т. е. структуру типа p-n-p (рис. 7а), либо структуру типа n-p-n (рис. 7б). Физические процессы в обоих случаях совершенно аналогичны. В схемах электронных технических устройств общепринятое обозначение транзистора показано на рис.7в.

Рис. 7

В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером, с общим коллектором. В каждой схеме усиливаются различные параметры электрических сигналов.

Для объяснения работы транзистора p-n-p типа в схеме с общим эмиттером предлагается рисунок 8.

~U ~

- + Iэ

Uэ

Рис. 8

На переход эмиттер-база подаётся небольшое постоянное напряжение (доли вольта) в прямом направлении, а на коллекторный переход гораздо большее напряжение в обратном направлении. Под действием напряжения Uэ из эмиттера в базу через p-n переход устремляется поток дырок. Толщина базы мала и значительная часть дырок (до 97%), не

12

рекомбинируя с электронами, доходит до коллекторного перехода. Обратное напряжение Uк значительно (до десятков вольт), создаваемое им поле затягивает дырки в область коллектора. В базу дырки вернуться не могут, так как потенциальный барьер перехода эмиттер-база для них непреодолим. Таким образом, почти весь ток, обусловленный дырками, вышедшими из эмиттера, собирается в области коллектора, и лишь небольшая его часть идёт через базу

Iб = Iэ - Iк

Напряжение источника сигнала ~ U, включённого в цепь базы, изменяет высоту потенциального барьера на p-n-переходе эмиттер-база. Даже при незначительном изменении потенциала базы, ток эмиттера меняется весьма заметно. Следовательно, будет заметно меняться и ток через коллектор. Небольшое изменение входного тока базы может в сотни раз изменять выходной ток в цепи эмиттер-коллектор. Таким образом, при включении транзистора по схеме с общим эмиттером можно получить значительный коэффициент усиления по току

KI = ∆Ik при Uк=const.

∆Iб

В этом смысле полупроводниковый триод аналогичен вакуумному триоду, причём роль катода играет эмиттер, роль анода – коллектор, а роль управляющей сетки - база.

Принцип действия транзисторов n-p-n типа такой же, как и у транзисторов p-n-p типа. Полярность источников постоянного тока в этом случае противоположна.

Входные и выходные статические вольтамперные характеристики (ВАХ) транзисторов

Статические вольтамперные характеристики транзисторов отражают зависимость между токами и напряжениями на его входе и выходе. Для схемы с общим эмиттером статической входной характеристикой является график зависимости тока базы Iб от напряжения между базой и эмиттером Uбэ при постоянном значении Uкэ

Выходные характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером представляют собой зависимости тока коллектора Iк от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы

Типичные входные и выходные статические характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером показаны на рис. 9.

Из рис. 9а видно, что с ростом Uкэ ток Iб уменьшается. Это объясняется тем, что при увеличении Uкэ растёт напряжение, приложенное к коллекторному переходу в обратном направлении, уменьшается вероятность рекомбинации носителей заряда на базе, так как почти все носители быстро втягиваются в коллектор.

Для объяснения хода выходных характеристик из рис. 10 видно, что напряжение, приложенное к коллекторному переходу, равно Uкэ-Uбэ, так как эти напряжения между точками коллектор-база оказались включёнными встречно. Поэтому при |Uкэ|<|Uбэ| напряжение на коллекторном переходе оказывается включённым в прямом направлении. Это приводит к тому, что крутизна выходных характеристик на начальном участке от Uкэ=0 дo

13

|Uкэ|=|Uбэ| велика. На участке |Uкэ|>|Uбэ| крутизна характеристик уменьшается и положение их зависит от величины тока базы.

Определение параметров транзистора по их статистическим вольтамперным характеристикам

Параметрами транзистора являются:

•коэффициент усиления по напряжению:

•коэффициент усиления по току

•коэффициент усиления по мощности К=КU·КI;

•входное сопротивление

•выходное сопротивление

Rвых= ∆U вых при Iвх=const.

∆I вых

Эти параметры определяются по входным и выходным статистическим характеристикам.

Рассмотрим, как определяются эти параметры для транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером. Коэффициент усиления по току определяется из семейства выходных характеристик (рис. 9б) для определённого значения напряжения Uкэ1

КI= ∆Iкэ .

∆Iбэ

14

Приращение ∆Iкэ находим как разность между значениями токов в точках B и C, а

характеристик (рис.9а). Построим треугольник ∆ABC и Rвх = ∆Uбэ .

∆Iбэ

Принципиальная схема установки

Рис.10.

В данной работе измеряются статические характеристики транзистора типа МП42Б в схеме с общим эмиттером. Цена деления и пределы измерений используемых измерительных приборов указаны на стенде.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с рабочей схемой включения транзистора с общим эмиттером.

2. Снять входные статические характеристики транзистора IбЭ=f(UбЭ) при UКЭ=const. Характеристики снимать в следующем порядке:

а) поставить ручки потенциометров RбЭ и RКЭ в крайнее левое положение; б) подключить установку к сети и включить тумблерами блоки питания; в) потенциометром RКЭ установить напряжение на коллекторе UКЭ=0В;

г) повышая напряжение на эмиттере UбЭ в пределах от 0 до 250мВ (с интервалом 50мВ) вращением рукоятки потенциометра Rбэ, снимать соответствующие значения тока IбЭ;

д) потенциометром RКЭ установить напряжение на коллекторе UКЭ=6В и повторить измерения; Данные измерений занести в таблицу 1.

15

е) после окончания измерений ручки потенциометров поставить в крайнее левое положение. 3. Снять выходные статические характеристики транзистора IКЭ=f(UКЭ) при IбЭ=const. Характеристики снимать в следующем порядке:

а) установить потенциометром RбЭ ток IбЭ=50мкА;

б) изменяя потенциометром RКЭ напряжение UКЭ от 0 до 10В (через 1В) наблюдать за изменением IКЭ. Во время измерения поддерживать IбЭ=const при помощи потенциометра

RбЭ;

в) повторить измерения, установив IбЭ=75мкА; Данные измерений занести в таблицу 2.

г) после окончания измерений ручки потенциометров поставить в крайнее левое положение, выключить тумблеры блоков питания и отключить установку от сети.

4.По данным измерений в прямоугольной системе координат (с учётом масштаба) построить

семейства входных и выходных характеристик транзистора. IбЭ=f (UбЭ), IКЭ=f (UКЭ). Вид характеристик см. на рис. 9

5.Из входных характеристик найти входное сопротивление по приращениям ∆IбЭ и ∆UбЭ из

∆ABC:

Rбэ = ∆∆Uбэ Iбэ

6. По семейству выходных характеристик транзистора определить коэффициент усиления

При определении RбЭ и KI необходимо учитывать размерности используемых в расчётах величин.