Лабораторная работа №13
Изучение работы транзистора.
Примечание: в данной работе используются сведения из краткой теории №2.
Цель работы
1) Изучение устройства транзистора.
2) Изучение транзистора как усилителя малых сигналов.
3) Измерение основных физических характеристик.
Краткая теория.
Указание: Перед подготовкой к работе полностью прочитать «Введение».
2.4.1.1. Устройство транзистора.
Плоскостной триод, или транзистор, представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности. Триод может осуществлять усиление и генерирование электрических сигналов и выполняет ряд других функций. Различают два типа плоскостных полупроводниковых транзисторов: p-n-p и n-p-n, различающихся последовательностью чередования в монокристалле областей с различным типом проводимости (рис.18).
Область транзистора, расположенная между электронно-дырочными переходами, называется базой. Та область, основным назначением которой является инжекция[1] носителей в базу, называется эмиттером, а область, куда носители переходят из базы – коллектором. Схема устройства германиевого p-n-p транзистора приведена на рис.19. Свойства транзистора как усилителя основаны на ряде технологических особенностей. Все они направлены на то, чтобы основная часть инжектируемых эмиттером носителей заряда попадала в коллекторную цепь. Основными из них являются следующие:
1. 
Концентрация электронов проводимости в базе делается значительно меньше концентрации дырок в эмиттере (nnб <<nрэ) для уменьшения возможности рекомбинации дырок. С этой же целью толщина базы делается по возможности минимальной, обычно меньше 0,025 мм. Это расстояние меньше средней длины свободного пробега дырок.
2. Концентрация дырок в эмиттере nрэ делается больше, чем в коллекторе npk для создания градиента концентрации в базе, способствующей диффузии дырок от эмиттера к коллектору.
3. Площадь коллектора в несколько раз больше площади эмиттера, чтобы на коллектор могло попасть возможно большее количество дырок.
Два p-n –перехода оказываются расположенными настолько близко, что их часто называют взаимодействующими переходами из-за того, что изменение потенциала на одном из них сказывается на свойствах другого.
Рассмотрим работу такого транзистора, включенного по наиболее употребительной схеме с общим эмиттером, как показано на рис. 20а. При работе триода на p-n –переход эмиттер –база подается небольшое напряжение (десятые доли вольта) в пропускном направлении, а между коллектором и эмиттером включается батарея Ek c напряжением 5-15В так, что на коллекторный переход подается обратное напряжение. Так как в прямом направлении сопротивление p-n –перехода ничтожно мало, а в обратном –велико, основное падение напряжения от батареи Еk сосредоточено на коллекторном переходе. Под действием ЭДС батареи, включенной в цепь эмиттер –база, из эмиттера в базу устремляется поток дырок. Обратный переход база –коллектор представляет собой потенциальный барьер для дырок, тем не менее основная часть дырок, не успевших рекомбинировать в базе, проходит в коллекторную цепь. Это происходит, потому что наряду с дрейфовым движением под действием электрического поля базы (vдр=10-3 см/с) дырки участвуют в хаотическом тепловом движении (vm=107 см/с при комнатной температуре) и, при условии малости толщины базы по сравнению с длиной свободного пробега и наличии градиента концентрации (npk<npэ), дырки обязательно попадают в обедненную зарядом область обратного перехода, а затем подхватываются сильным коллекторным полем и попадают в коллекторную цепь.
В базу ответвляется лишь небольшой ток, образующийся за счет притекающих из внешней цепи электронов из-за того, что небольшая часть электронов базы все-таки успевает рекомбинировать с дырками. Таким образом, ток коллектора почти совпадает с током эмиттера
Отношение
называется статическим(интегральным) коэффициентом передачи тока эмиттера.
Первый закон Кирхгофа применительно к транзистору дает равенство
Или
Отношение
называется статическим (интегральным) коэффициентом передачи тока базы. Режим транзистора в любой схеме включения определяется токами и напряжениями на входе и выходе схемы. В нашем случае входными характеристиками являются ток базы 
и напряжение между эмиттером и базой Uб; выходными характеристиками являются ток коллектора 
и напряжение между базой и коллектором Uк. Для получения статической характеристики одну из четырех величин выбирают в качестве аргумента, другую –в качестве функции, третью фиксируют(поддерживают постоянной), а четвертую оставляют свободной. Так в схеме в общим эмиттером измеряют следующие статические характеристики:
Входные 
при Uк=const;
при 
;
Выходные 
при Uб = const;
или при 
На рис.21 приведены вольт-амперные характеристики.
При коллекторном напряжении равном нулю (коллектор накоротко замкнут с эмиттером) транзистор можно рассматривать как два диода, соединенных параллельно и подсоединенных к источнику питания в прямом направлении (рис.22). В этом случае ток, текущий через базу складывается из тока эмиттера и тока коллектора, т.е. через коллекторный переход течет ток, который по направлению противоположен обычному току коллектора. Поэтому вольт-амперная характеристика пересекает ось токов в отрицательной области (рис.20б). При незначительном увеличении напряжения на коллекторе, пока напряжение эмиттер-коллектор меньше напряжения эмиттер-база, потенциал коллектора по отношению к потенциалу базы остается положительным (минус на базе больше минуса на коллекторе). Таким образом оба перехода p-n и n-p оказываются включенными в прямом направлении, что приводит к резкому возрастанию тока через коллектор и вместе с этим, к уменьшению тока базы (рис.21). После того как потенциал на коллекторе сравняется с потенциалом базы, рост тока через коллектор прекращается(область 1 на рис.21б). Эта область называется областью отсечки. При дальнейшем увеличении напряжения коллекторный переход запирается, выходные характеристики выходят на горизонтальный участок. Этот участок характеристик, отмеченный на рис. 
21б.цифрой 2,называют активной областью.
|
Активная область простирается вплоть до напряжений, при которых возникает пробой коллекторного перехода и ток резко возрастает (участок 3). Так как в области коллекторный ток меняется мало, то, очевидно, и ток базы не должен зависеть от коллекторного напряжения. Поэтому входные характеристики при коллекторных напряжениях правее границы области 1-2 практически сливаются. Обычно приводят входные характеристики при 
=0-5В (рис.21а).
2.4.1.2. Работа транзистора как усилителя сигналов.
Простейшая схема усилителя приведена на рис. 23. Усиливаемый сигнал Uвх подается между базой и эмиттером. В коллекторную цепь включается нагрузочное сопротивление Rн и конденсатор С, позволяющий отделить переменный усиленный сигнал Uвых от постоянной составляющей. В этом 
случае по закону Кирхгофа
На семействе выходных характеристик 
это будет прямая линия,которую называют нагрузочной характеристикой(рис.24а).
Пусть на базу подано постоянное напряжение 
и усиливаемый переменный сигнал с амплитудой ∆Uб (рис.24б). Точка А называется рабочей точкой. Так как усиливаемый сигнал включается в схему с прямым p-n –переходом, небольшие изменения входного напряжения вызовут значительные изменения и тока коллектора, так как практически все носители попадут в коллекторную цепь.
Изменение же тока базы будет незначительным и рассчитывается из входных характеристик (рис.24б). Отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы называется дифференциальным коэффициентом усиления по току:
Линейный участок входной характеристики характеризуется наклоном, называемым входным дифференциальным сопротивлением.
Таким образом,
Рабочая точка А на выходных характеристиках расположена на нагрузочной характеристике, как показано на рис.24а.
Рассчитаем чему будет равно изменение сигнала на нагрузке 
, т.е. усиленный сигнал 
(рис.24). Очевидно, что 
. Из (35) и (37) следует, что
Таким образом, коэффициент усиления сигнала по напряжению
Усиленный переменный сигнал в зависимости от времени также показан на рис. 24а. Коэффициент 
зависит от тока базы. Как видно из рис. 25 для коэффициента усиления существуют оптимальные условия, определяющиеся выбором рабочей точки на нагрузочной характеристике транзистора. Кроме перечисленных характеристик транзистора (
, 
, 
, 
) измеряют дифференциальное сопротивление коллекторного перехода, определяемое приращением тока коллектора, вызванного изменением коллекторного напряжения при постоянном токе базы
Это сопротивление называют выходным сопротивлением транзистора. Мы рассматриваем лишь основные физические параметры транзистора. На практике эти параметры бывает трудно измерить, поэтому в транзисторной технике получила распространение система формальных L-параметров. Поскольку этот вопрос специальный, мы не будем на нем подробно останавливаться, скажем лишь, что для расчета схемы иногда требуется до 40 различных параметров.
Правила техники безопасности.
Правила техники безопасного труда полностью соответствуют «Инструкции Ф-19 на безопасное выполнение работ в электрической лаборатории общего физического практикума».
