ТОП 10:

Определить коэффициент выпрямления диода по формуле (7.3).



 

7.5 Контрольные вопросы

 

1 Что такое полупроводник?

2 Каковы основные положения зонной теории твердых тел и каким образом она объясняет деление кристаллических тел на проводники, полупроводники и диэлектрики?

3 Что такое собственные и примесные полупроводники? Какими бывают примеси? Что такое полупроводник р- и п-типа и каковы механизмы их электропроводимости? От чего зависит их электропроводность?

4 Что такое р-n-переход и каков механизм образования двойного электрического слоя?

5 Что такое запорный слой и каковы его свойства? Объяснить природу большого сопротивления р-n-перехода.

6 В чем состоит принципиальное отличие контакта двух металлов и р‑n‑перехода?

7 Как объясняется выпрямляющее действие р-п-перехода? Описать действие р-n-перехода при прямом и обратном включениях.

8 Объясните принцип выпрямления и детектирования диодом переменного тока.

9 Каковы преимущества и недостатки полупроводниковых диодов в сравнении с вакуумным диодом? Каково функциональное назначение тепловых радиаторов?

 

 

Лабораторная работа № 84

Изучение работы транзистора

 

Цель работы: познакомиться с устройством и принципом работы транзистора, определить коэффициент усиления транзистора. Определить обратный ток коллектора.

 

8.1 Краткие теоретические сведения

 

Транзисторами (полупроводниковыми триодами) называют полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления и генерирования колебаний параметров электрического тока. Они представляют собой полупроводниковый кристалл с тремя областями различной примесной проводимости, образующими два встречных р-п-перехода, взаимодействующими между собой через конструктивно тонкий промежуток, называемый базой. Соответственно в зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы р-n-p-типа (рис.8.1, а) и n-р-n-типа (рис.8.1, б). Один из р-п-переходов называется эмиттерным переходом или просто эмиттером (Э на рис. 8.1), а второй – коллекторным или коллектором (К на рис. 8.1). К каждой из областей припаяны металлические электроды для включения прибора в электрическую цепь.

Внизу на рис. 8.1 под каждым из рисунков представлены символические обозначения соответствующих транзисторов в электрических схемах.

Принцип усилительного действия транзистора состоит в следующем. Усиливаемый сигнал Uвх (рис. 8.2) подается в эмиттерный переход, где источник внешнего напряжения БЭ включен в пропускном (прямом) направлении и малые изменения напряжения ведут к значительным изменениям тока эмиттера. В коллекторный переход источник тока БК включается в запорном (обратном) направлении и в идеальном случае ток в цепи коллектора должен отсутствовать без наличия тока эмиттера. Однако благодаря тому, что база тонкая, ее размеры не превышают в обычных транзисторах 0,025 мм, что во много раз меньше диффузионной длины носителей тока, основные носители тока, поступающие в базу, не успевают рекомбинировать и создать, таким образом, эмиттерный ток, а захватываются электрическим полем коллекторного р‑п‑перехода. Электрическое поле этого перехода всегда направлено так, что оно способствует захвату носителей тока, поступающих в базу (см. рис. 8.2). В коллекторной цепи ставится источник тока БК, за счет энергии которого осуществляется усиление сигнала.

Поступившие в коллектор основные носители (порядка 98…99%) захватываются этим источником тока и создают ток через большое нагрузочное сопротивление Rн, что ведет к усилению входного сигнала по напряжению (см. рис. 8.2).

Описанная выше картина процессов в транзисторе является схематичной. Примесная проводимость полупроводников существует на фоне основной проводимости базового кристалла, то есть германия или кремния, которая, являясь проводимостью смешанного типа, поставляет наряду с основными носителями тока и неосновные. Внутренние электрические поля р‑п-переходов, препятствуя движению основных носителей данного примесного полупроводника, способствуют движению неосновных носителей в зоны противоположной примесной проводимости – через р‑п-переходы идет обратный ток. Обратный ток, будучи в миллионы раз меньше прямого, создает все-таки сложности в работе приборов. В частности, из-за высокого сопротивления р‑п-перехода обратному току происходит избыточное нагревание кристалла и увеличение его собственной проводимости.

При достаточно высокой температуре, когда примесные центры истощаются (см. п. 4.1), прямой и обратный токи практически выравниваются, а р-п-переходы исчезают, прибор выходит из строя. Для соблюдения температурного режима работы транзисторов их необходимо устанавливать на теплоотводящую пластинку, которая является частью теплового радиатора прибора. Это приводит к лишним потерям энергии и увеличивает габариты прибора, а значит, и всего устройства, где транзисторы используются. Серьезным недостатком полупроводниковых триодов является то, что их нормальная работа возможна только в сравнительно узком температурном интервале. Для германия температура перехода к собственной проводимости - порядка 100°С. При этой температуре резко увеличивается собственная проводимость, и управление потоками носителей тока становится невозможным. По этой причине верхний предел германиевых транзисторов поддерживается не выше 55…75°С.

При низких температурах энергии теплового движения оказывается недостаточно для ионизации необходимого количества примесей, перевода их в зону проводимости. Это приводит к сильному увеличению сопротивления прибора и к нарушению режима его работы. Для обычных полупроводниковых триодов нижний предел рабочих температур достигает ‑55°С. Тем не менее транзисторы имеют ряд преимуществ перед, например, ламповыми триодами, использовавшимися до транзисторов: они малогабаритны, безинерционны, потребляют мало энергии, устойчивы к механическим нагрузкам, что определило их широкое применение в радио-, теле- и электротехнике.

Усиление по напряжению и мощности, создаваемое транзисторами, определяется их собственными свойствами, но зависит также от параметров схем включения в электронных схемах.

В зависимости от того, какой из электродов будет общим для входного и выходного сигналов, различают три основные схемы включения транзисторов.

а) Схема с общей базой. В схеме с общей базой (рис. 8.3) входной сигнал действует между эмиттером и базой. Входным является ток эмиттера, а выходным - ток коллектора. Так как ток эмиттера больше тока коллектора, то усиления по току не происходит. Коэффициент усиления по току

(8.1)

Эта схема усиливает только по напряжению и мощности и имеет малое входное и большое выходное Rн сопротивления.

б) Схема с общим эмиттером. В схеме с общим эмиттером входной сигнал действует между базой и эмиттером (рис. 8.4), а нагрузка включается между коллектором и эмиттером. Входным является ток базы, а выходным - ток коллектора. Эта схема усиливает и по току и по напряжению. Ее входное и выходное сопротивления велики.

 
 

Коэффициент усиления по току β этой схемы определяют по семейству статических вольтамперных характеристик, то есть по зависимости тока коллектора IК от напряжения между эмиттером и коллектором UКЭ при различных фиксированных значениях тока базы (рис. 8.5):

(8.2)

Коэффициенты усиления α и β связаны между собой соотношениями:

(8.3)

которые позволяют по значению одного из коэффициентов вычислить другой.

в) Схема с общим коллектором. В схеме с общим коллектором (рис. 8.6) входной сигнал поступает на управляющий переход эмиттер - база, проходя через нагрузку Rн , а сама нагрузка включается между эмиттером и коллектором и выходное сопротивление составляет лишь часть входного. Это приводит к тому, что коэффициент усиления схемы по напряжению всегда меньше единицы. Коэффициент усиления схемы по току равен:

(8.4)

Эта схема используется для согласования каскадов, обладающих большим выходным сопротивлением и малым входным.

 

Незатухающие электромагнитные колебания создаются генераторами электромагнитных колебаний, представляющие собой автоколебательные системы.

На рис. 8.7, а представлена принципиальная схема генератора электромагнитных незатухающих колебаний. В колебательном контуре L1R1C возникают затухающие свободные колебания, частота которых определяется параметрами контура. Энергия контура восстанавливается от источника тока Б через устройство обратной связи, являющее собой, например, транзистор, открытие которого регулируется ЭДС индукции, наводящейся в катушке связи L2. Источник тока Бс и сопротивление смещения R регулируют величину порции энергии, необходимой для компенсации потерь в контуре (см. рис. 8.7 б). Если вместо сопротивления R использовать микрофон или другое устройство, то электромагнитные колебания будут модулированы по интенсивности, например, звука (рис. 8.7).

 

 

8.2 Экспериментальная установка и метод

 

Исследуется транзистор П201, включенный по схеме с общим эмиттером (см. п. 8.1, б). Это германиевый транзистор р-п-р-типа. Транзистор установлен на теплоотводящем радиаторе, как это предусмотрено инструкцией его эксплуатации.

Для исследования работы транзистора выполняются два упражнения. В первом упражнении строятся его статические вольтамперные характеристики (см. рис. 8.5). По характеристикам, с использованием формул типа (8.2), определяется коэффициент усиления по току b и по формуле (8.3) рассчитывается коэффициент передачи тока a. Для построения характеристик используется экспериментальная установка, принципиальная схема которой приведена на рис. 8.8. Транзистор Тр питается от источника тока Ис. Напряжение в цепи «коллектор-эмиттер» регулируется реостатом, включенным по схеме потенциометра П. Измеряется напряжение вольтметром V. Коллекторный ток измеряется миллиамперметром mAк. Ток в цепи «эмиттер-база» (ток базы) регулируется магазином сопротивлений М, имеющим три декадника с кратностями, соответственно, ´10 000 Ом, ´1 000 Ом и ´100 Ом. Измеряется ток базы базовым миллиамперметром mAб.

 

Второе упражнение посвящено измерению обратного тока коллектора, для чего используется установка, схема которой приведена на рис. 8.9.

Эмиттер отсоединен. На базу подается положительный потенциал. Напряжение в цепи «база-коллектор» регулируется потенциометром П и измеряется вольтметром V. Ток в цепи измеряется микроамперметром mA. Обратите внимание, что полярность его подключения обратная той, что была в схеме упражнения 1 (рис. 8.8).

 

8.3 Упражнения

8.3.1 Упражнение 1. Исследование работы транзистора

 

Порядок выполнения работы

 

1 Собрать экспериментальную установку по схеме рис. 8.7.

2 На магазине сопротивлений поставить максимальное сопротивление. Рукоятки всех декадников должны быть в положении «9». Потенциометр установить в нулевое положение. Дать проверить схему преподавателю.

3 Изменяя положение ручек декадников магазина сопротивлений, добиться тока базы 1,0 мА. Если исследуется другой тип транзистора, преподаватель укажет другие параметры измерений.

4 Включить установку в сеть и, увеличивая с помощью потенциометра напряжение через 1 В, измерять силу коллекторного тока. Результаты заносить в табл. 8.1. После окончания замеров потенциометр вывести на ноль.

Таблица 8.1

U, В
IБ1=1,0 мА IК, мА                    
IБ2=1,5 мА                    
IБ3=2,0 мА                    

5 Повторить пп. 3, 4 и выполнить измерения для тока базы IБ1=1,5 мА и IБ1=2,0 мА.

 

Обработка результатов измерений

 

1 По данным табл. 8.1 построить вольтамперные характеристики транзистора (см. рис. 8.5). Графики провести как плавные лекальные кривые.

2 Провести ординату для UК = 5 В и определить значения коллекторных токов соответствующих каждому из графиков как точек пересечения ординаты с графиками (см. рис. 8.5). Результаты занести в табл. 8.2.

Таблица 8.2

№ п/п IБ, мА (DIБ)kl, мА IК, мА (DIК)kl, мА bkl Dbkl
1,0 0,5      
1,5 0,5      
2,0 1,0      
Средние значения  

3 Рассчитать значения (DIБ)kl и (DIК)kl, где индексы принимают значения: k = 2, 3, 3; l = 1, 2, 1. Результаты занести в табл. 8.2.

4 Рассчитать значения bkl, используя формулу

Результаты занести в табл. 8.2.

5 Определить среднее значение коэффициента b как среднее арифметическое:

где индекс суммирования N соответствует номеру порядка измерения.

6 Рассчитать абсолютные погрешности Dbkl измерения b и определить их среднее значение:

7 Определить относительную погрешность измерения:

8 Рассчитать коэффициент a по формуле (8.3), используя среднее значение <b>.

9 Рассчитать погрешности определения коэффициента a:

относительную

и абсолютную

10 Записать результаты измерений коэффициентов a и b в стандартной форме.

 

8.3.2 Упражнение 2. Определение обратного тока коллектора

 

1 Собрать электрическую схему в соответствии с рис. 8.8.

2 После проверки схемы преподавателем или лаборантом установить с помощью потенциометра напряжение UK = 5 B, а затем UK = 10 B и измерить обратный ток коллектора. Результаты занести в протокол измерений и записать под результатами из упражнения 1.

 

 

8.4 Контрольные вопросы

 

1 Что такое транзистор? Назовите его основные элементы.

2 Каковы принципы работы транзистора? Каким образом включаются источники тока в эмиттерную и коллекторную цепи транзистора?

3 Где используются транзисторы и чем определяется их широкое использование? Каковы недостатки работы транзисторов?

4 Каковы причины существования обратного тока в р-п-переходах и какое значение, на ваш взгляд, имеет измерение обратного тока коллектора?

5 От чего зависят коэффициенты усиления транзистора по току, по напряжению, по мощности? Какие схемы включения транзисторов вы можете назвать и дать им характеристику?

6 Что такое вольтамперная характеристика транзистора и почему она называется статической?

7 Как можно определить коэффициенты усиления по току a и b?

8 Какова роль транзисторов как элемента автоколебательных систем для создания незатухающих электромагнитных колебаний?

 

 

Список рекомендуемой литературы

 

1 Савельев И. В. Курс общей физики. Квантовая оптика. Физика атома. Физика твердого тела. Физика ядра. Элементарные частицы. – М.: Наука, 1990. - Т. 3. –496 с.

2 Епифанов Т.И. Физика твердого тела. – М.: Наука, 1977. – 346 с.

3 Карякин Н.И. и др. Краткий справочник по физике. – М.: Высш. школа, 1962. - 559 с.

4 Физическая энциклопедия / Науч.-ред. совет изд-ва “Сов. энциклопедия”; Пред. А.М. Прохоров. – М.: Сов. энциклопедия, 1992.- Т. 4. - 592 с.

СОДЕРЖАНИЕ

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ..........................................................................3

1. Лабораторная работа № 62Определение радиуса

кривизны линзы с помощью колец Ньютона....................................5

2. Лабораторная работа № 63Определение длины

световой волны с помощью дифракционной решетки..................13

3. Лабораторная работа № 64 Опытная проверка

законов Малюса и Брюстера.............................................................24

4. Лабораторная работа № 71Опытная проверка

закона Стефана-Больцмана…………………………………………34

5. лабораторная работа № 74 Изучение работы

спектроскопа и наблюдение оптических спектров..........................45

6. Теоретические сведения, которые

необходимо выучить для выполнения

лабораторных работ № 83 і 84 ………………………….….57

7. Лабораторная работа № 83 Изучение строения и

Принципа работы полупроводникового диода.…………………..66

8. Лабораторная работа № 84 Изучение работы

транзистора………………………………………………………….74

 







Последнее изменение этой страницы: 2017-02-10; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 54.87.18.165 (0.022 с.)