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 = N 0 e-t/ τ, (2.2)
где N 0 – 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.
