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 U_вх (рис. 8.2) подается в эмиттерный переход, где источник внешнего напряжения Б_Э включен в пропускном (прямом) направлении и малые изменения напряжения ведут к значительным изменениям тока эмиттера. В коллекторный переход источник тока Б_К 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 Б_К, 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 R_н, 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 R_н 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 I_К от напряжения между эмиттером и коллектором U_КЭ 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 R_н , 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 Б_с 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 mA_к. 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 mA_б.

 

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 I_Б1=1,5 мА и I_Б1=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 U_К = 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 (DI_Б)_kl и (DI_К)_kl, где индексы принимают значения: k = 2, 3, 3; l = 1, 2, 1. Результаты занести в табл. 8.2.

4 Рассчитать значения b_kl, 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 Db_kl 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 U_K = 5 B, а затем U_K = 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