Лабораторная работа № 8

Изучение работы транзистора

Цель работы: измерение характеристик транзистора и вычисление его

параметров, наблюдение усиления переменного сигнала

усилителем на транзисторе.

Приборы: источники питания «TYP-3221», макетная плата с транзистором, амперметр «АВО-5М1», вольтметр «АВО-5М1», резисторы (1000 Ом), конденсаторы ( 1 МКФ и 10 МКФ).

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, обладающий усилительными свойствами и содержащий два -перехода, выполненных в одном кристалле (рис. 1).

Рис. 1. Структура и условные графические обозначения транзистора: а –

типа ; б – типа .

Средняя область кристалла является общей для обоих переходов и имеет тип электропроводности, противоположный электропроводности крайних областей. Чередование в транзисторе областей с различным типом электропроводности может быть как (рис. 1, а), так и (рис. 1, б). Принцип действия транзисторов обоих типов одинаков. Различие заключается только в полярности приложенных напряжений и в направлении токов, текущих через электроды. Среднюю область транзистора ( -типа для -транзистора) называют базой ; крайние области называют эмиттером и коллектором , а электронно – дырочные переходы, образуемые ими с базой, - эмиттерным и коллекторным. Эмиттер изображается в виде стрелки, указывающей прямое направление тока эмиттерного перехода.

Электрические свойства транзистора зависят от механизма движения неосновных носителей тока через области базы. По механизму движения неосновных носителей в базе транзисторы подразделяются на диффузионные (бездрейфовые) и дрейфовые. У диффузионных транзисторов примеси в базе распределены равномерно, и, следовательно, электрическое поле в ней отсутствует. Поэтому перенос неосновных носителей заряда через базовую область осуществляется посредством диффузии (градиента концентрации). В базе дрейфового транзистора примеси распределены неравномерно (вблизи эмиттерного перехода концентрация больше, чем вблизи коллекторного), и поэтому в ней возникает внутреннее электрическое поле. Перенос неосновных носителей через базовую область осуществляется посредством дрейфа (под действием внутреннего электрического поля в базе). Дрейф неосновных носителей в электрическом поле базы уменьшает их время движения в последней и тем самым улучшает частотные свойства транзистора.

Одной из особенностей конструкции транзистора является то, что концентрация основных носителей (дырок) в эмиттере и коллекторе больше концентрации основных носителей (электронов) в базе, т. е. сопротивление

эмиттерной области во много раз меньше, чем базовой. Поэтому весь эмиттерный ток состоит из дырок, инжектируемых в базу.

Площадь коллекторного перехода должна быть в несколько раз больше площади эмиттерного перехода, чтобы перехватывать все дырки, идущие от эмиттера. Толщина базы выбирается меньше диффузионной длины неосновных носителей, поэтому рекомбинация в области базы невелика и почти все инжектированные эмиттером дырки доходят до коллекторного перехода.

Для работы транзистора в усилительном режиме необходимо, чтобы его эмиттерный переход 2 был включен в прямом направлении, а коллекторный 4 - в обратном. Для обеспечения этого используются два источника питания и (рис. 2, а).

Рис. 2. Транзистор, включенный по схеме с общей базой: а – токи в

транзисторе; б – энергетические зоны при работе в режиме усиления;

1 – эмиттер; 2 – эмиттерный переход; 3 – база; 4 – коллекторный

переход; 5 – коллектор.

Прямое напряжение составляет несколько десятых долей вольта. Оно уменьшает высоту потенциального барьера до величины и создает возможность инжекции основных носителей заряда (дырок) через эмиттерный переход. Обратное напряжение составляет несколько вольт – десятки вольт и увеличивает высоту потенциального барьера до величины (рис. 2, б). Общая точка (0) эмиттерной и коллекторной цепей (рис. 2, а) соединена с базовым электродом. Такое включение транзистора называется схемой с общей базой (ОБ).

При подключении источников и основные носители заряда из эмиттера инжектируются в базу, где становятся неосновными носителями. Эти носители, пройдя базу за счет диффузии, доходят до коллекторного перехода, увлекаются его полем и создают в его цепи ток.

Так как коллекторный переход включен в обратном направлении, то он ускоряет процесс удаления дырок из базы по сравнению с их диффузионным удалением от эмиттерного перехода. Следовательно концентрация дырок у коллекторного перехода должна уменьшаться до нуля (рис. 3).

Рис. 3. Распределение дырок в базе.

Таким образом концентрация дырок в базе меняется по линейному закону от у эмиттерного перехода до нуля у коллекторного перехода, т. е. в пределах базы.

Ввиду малой толщины и малой концентрации в ней электронов большая часть дырок, перешедших из эмиттера в базу, достигает коллектора и только незначительная часть их рекомбинирует в области базы с электронами, участвуя в образовании тока базы. Поэтому ток в цепи коллектора почти равен эмиттерному току. На сопротивлении нагрузки, включенной в выходную цепь последовательно с коллекторным переходом, будет выделяться напряжение, пропорциональное протекающему через него току коллектора. Так как сопротивление коллекторного перехода велико, то в его цепь можно включить большое сопротивление нагрузки, а так как токи эмиттера и коллектора почти одинаковы, то напряжение на нагрузке будет больше напряжения на эмиттерном переходе, чем и объясняется усиление по мощности.

Если на входе схемы (на участке эмиттер – база) помимо постоянного напряжения будет действовать еще и переменное, то поток дырок, достигающих коллекторного перехода, будет меняться в соответствии с законом изменения переменного напряжения, приложенного к эмиттерному переходу. Напряжение на нагрузке будет меняться по тому же закону.