У вікні програми “crocodile physics“ скласти електричну схему, як показано на рисунку 56. 2.

Рисунок 56.2 – Електрична схема досліду

 

2. Задати робочі параметри елементів, що входять в електричне коло згідно свого варіанту завдань.

3. Для режиму холостого ходу трансформатора (вимикач В незамкнений) виміряти величини і . Розрахувати на основі формули (56.4) коефіцієнт трансформації. (Вимірювання проводити за допомогою модуля Graph – див. інтерфейс програми).

4. Замкнувши вторинну обмотку і змінюючи опір R резистора навантаження, виміряти 10 значень струму І ₂ від максимального до мінімального та відповідні значення Р ₁ і Р ₂. Результати записати в таблицю. Обчислити за формулою (56.5) ККД трансформатора для кожного виміру.

 

I 2, А

P 1, Вт

P 2, Вт

η

 

5. Побудувати графік залежності і встановити, для якої сили струму коефіцієнт корисної дії трансформатора максимальний.

6. Зробити висновки.

 

Контрольні запитання

1. Які будова і призначення трансформатора?

2. Яка різниця між первинною і вторинною обмотками трансформатора?

3. Що називається коефіцієнтом трансформації, ККД трансформатора?

4. Які типи трансформатора ви знаєте?

5. Які втрати енергії у трансформаторі і від чого вони залежать?

 

Література

1. Лопатинський І.Є. Курс фізики. Фізика для інженерів. – Л.: “Бескид Біт”, 2002.

2. Кучерук І.М., Дущенко В.П. Загальна фізика. Т.: 2. – К.: “Вища школа”, 1987 – 1991.

3. Бушок Г.Ф. і ін. Курс фізики. Кн. 2. – К.: “Либідь”, 2001.

4. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики. Т.: 2. – К.: “Техніка”, 2001.

5. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: “Высшая школа», 1990.

 

В-58 Дослідження напівпровідникового транзистора

Мета: ознайомитися з будовою і принципом роботи напівпровідникового транзистора та визначити його коефіцієнти підсилення у схемах із спільним емітером та спільною базою.

Прилади і матеріали: комп’ютерна програма “Crocodile Physics”.

Теоретичні відомості

Контакт двох домішкових напівпровідників з провідністю різних типів називають електронно-дірковим переходом або p-n-переходом. На властивостях таких переходів ґрунтується принцип дії великої кількості напівпровідникових приладів, які широко застосовують в обчислювальній електроніці, електро- і радіотехніці.

Комбінація двох близько розташованих p-n-переходів в одному кристалі напівпровідника називається площинним напівпровідниковим тріодом (англійська назва транзистор, а точніше біполярний транзистор). Транзистор може підсилювати і генерувати електричні сигнали і виконує низку інших функцій.

Розрізняють два види площинних біполярних транзисторів: p-n-p-типу і n-p-n-типу, що відрізняються послідовністю чергування в монокристалі напівпровідникових областей з різним типом провідності.

Розглянемо будову транзистора на прикладі p-n-p-транзистора (рисунок 58.1). База Б – середня частина транзистора – має електропровідність n-типу. Емітер Е і колектор К – області з електропровідністю р-типу, які оточують базу.

Найбільше широко розповсюдженими методами виготовлення транзисторів є вплавлення, дифузія, вирощування з розплаву (із зміною концентрації домішок у розплаві в процесі росту) та епітаксійне нарощування. Метод дифузії дозволяє отримати транзистори з найбільш вузькою базою. Істотною особливістю приладів, виготовлених таким способом, а також вирощування з розплаву, є те, що в них колекторна область слабко легована, тобто в ній концентрація дірок менша, ніж концентрація електронів у базі, тоді як у сплавних транзисторах колектор значно сильніше легований, ніж база. Що стосується емітерної області, то вона завжди сильно легована. Це є істотною умовою ефективності транзистора як підсилювача.

Основними носіями струму в емітері і колекторі є дірки, а в базі – електрони. До р-n-переходу (емітер-база) підведено напругу U в прохідному напрямку. До р-n-перехіду (база-колектор) підведено напругу U ₁ (U ₁ > U) в запірному напрямку. Це приводить до зменшення потенціального бар’єру на першому переході і збільшення на другому.

Під дією напруги U з емітера в базу через p-n-перехід проходить потік дірок, що створює струм емітера І _е. Дірки, що потрапили в базу, дифундують через неї у всі напрямки і частина з них рекомбінує з основними носіями заряду в базі – електронами, а інші переходять у колектор, створюючи колекторний струм.

Концентрація вільних дірок у емітері значно більша, ніж концентрація вільних електронів у базі. Завдяки цьому струм емітера визначається потоком дірок з емітера в базу. Потік електронів з бази в емітер створює дуже невеликий струм бази І _б. Ширина бази в транзисторі звичайно невелика (кілька десятків мікрон), і більшість дірок (95–98%), що потрапили у базу, доходять до колекторного переходу, тому струм колектора майже дорівнює струму емітера

І _к = (0,95–0,98) І _е. (58.1)

Отже, відбувається явище інжекції дірок з емітера у колектор через базу. За відсутності емітерного струму І _к буде незначний. Він тоді визначається концентрацією електронів у р-області колектора.

Тепер розглянемо різні схеми включення. На схемі із спільним емітером (рисунок 58.1, а) виділяють вхідне і вихідне коло. На вхід подається змінна напруга. Вхідне коло містить також джерело постійної напруги. У вихідному колі включено резистор , з якого знімають вихідну пульсуючу напругу. Також воно містить джерело постійної напруги, яка більша, ніж у вхідному колі. У цьому випадку транзистор підсилює силу струму і напругу (застосовується найчастіше).

Розглянемо схему із спільною базою – рисунок 58.1, б. використовується у високочастотних підсилювачах. Якщо на емітер подати змінну напругу U _е, то емітерний і колекторний струми будуть також змінюватися. Зміна сили струму емітера І _е зумовить зміну сили струму колектора І _к. Величина

(58.2)

називається коефіцієнтом підсилення струму у схемі зі спільною базою. З (58.1) випливає, що в цій схемі підсилення сили струму отримати неможливо ( 1). Але можна отримати підсилення напруги та потужності. Справді, за зміни напруги на емітері на U _E струм емітера І _е змінюється таким чином

І _е= U _e/ R _e-б, (58.3)

де R _e-б – опір р-n-переходу емітер-база. За таких умов змінюється і напруга на колекторному р-n-переході

U _к= І _к R _б-к, (58.4)

де R _б-к – опір p-n-переходу база-колектор.

Оскільки І _к І _е (1), то І _к І _е. Звідси маємо

U _к U _e R _б-к/ R _e-б. (58.5)

Тепер можна записати

K _U = U _к/ U _e R _б-к/ R _e-б. (58.6)

Через те, що на емітерний перехід подається напруга в прямому напрямку, а на колекторний перехід – у зворотному, маємо R _б-к >> R _e-б, тому K _U >> 1.

K _U називають коефіцієнтом підсилення напруги. Аналогічно можна довести, що коефіцієнт підсилення потужності K _P у включенні транзистора за схемою зі спільною базою дорівнює

. (58.7)

Таким чином, транзистор, в даній схемі, може підсилювати як напругу так і потужність. Збільшення потужності відбувається за рахунок джерела струму в колі колектора.

Коли транзистор ввімкнений за схемою зі спільним емітером (рисунок 58.1, а), на емітерний перехід подається пряма напруга, а на колекторний – зворотна. Тому головний спад напруги припадає на колекторний перехід. Струм у колекторі, як і в схемі зі спільною базою, визначається кількістю дірок, які переходять з емітера через базу в колектор. Але потік дірок з емітера регулюється напругою джерела, яка змінює потенціал поля емітер-база. Більша частина дірок, які перейшли в базу з емітера, переходить в колектор і тільки незначна частина переходить в електричне коло бази, створюючи невеликий струм бази І _б ( І _б << І _к).

У розглянутому випадку коефіцієнт підсилення струму

. (58.8)

Коефіцієнт підсилення напруги

K _U = U _к/ U _e = R _б-к/ R _e-б>>1, (58.9)

а коефіцієнт підсилення потужності

. (58.10)

 

Послідовність виконання

Завдання 1 Дослідження роботи транзистора у схемі включення зі спільною базою.

1. У вікні програми “Crocodile Physics“ скласти електричну схему, як показано на рисунку 58.2.

 

Рисунок 58.2

 

Інтерфейс програми

 

2. Задати робочі параметри елементів, що входять в електричне коло (таблиця 58.1).

3. За допомогою модуля Graph виміряти зміну струму у вхідному І _е і вихідному І _к колі (для цього потрібно виміряти максимальне і мінімальне значення та знайти їх різницю). Також виміряти зміну напруги у вхідному U _е та вихідному U _к колі.

 

Таблиця 58.1 – Варіанти завдань

	№ 1	№ 2	№ 3	№ 4	№ 5	№ 6
Змінна напруга, мВ
Частота
Постійна напруга у вхідному колі, мВ
Постійна напруга у вихідному колі, В		1,05	1,1	1,15	1,2	1,25
Опір, кОм

4. За допомогою формули (58.2) обчислити коефіцієнт підсилення струму. За допомогою формули (58.6) обчислити коефіцієнт підсилення напруги. За допомогою формули (58.7) обчислити коефіцієнт підсилення потужності.

 

Завдання 2. Дослідження роботи транзистора у схемі включення зі спільним емітером.

1. У вікні програми “Crocodile Physics“ скласти електричну схему, як показано на рисунку 58.3.

2. Задати робочі параметри елементів, що входять в електричне коло (таблиця 58.2).

3. За допомогою модуля Graph виміряти зміну струму у вхідному І _е і вихідному І _к колі (для цього потрібно виміряти максимальне і мінімальне значення та знайти їх різницю). Також виміряти зміну напруги у вхідному U _е та вихідному U _к колі.

Рисунок 58.3

4. За допомогою формули (58.8) обчислити коефіцієнт підсилення струму. За допомогою формули (58.9) обчислити коефіцієнт підсилення напруги. За допомогою формули (58.10) обчислити коефіцієнт підсилення потужності.

Таблиця 2 – Варіанти завдань

	№ 1	№ 2	№ 3	№ 4	№ 5	№ 6
Змінна напруга, мВ
Частота
Постійна напруга у вхідному колі, мВ
Постійна напруга у вихідному колі, В		2,05	2,1	2,15	2,2	2,25
Опір, кОм

5. Проаналізувати отримані результати та записати висновки до лабораторної роботи, вказати у висновках отримані числові значення.

 

Контрольні запитання

1. Що таке транзистор?

2. Які є методи виготовлення транзисторів?

3. Опишіть принцип роботи транзистора на прикладі схеми зі спільною базою.

4. Чому у схемі зі спільною базою неможливо отримати підсилення струму?

5. Опишіть роботу транзистора у схемі зі спільним емітером.

6. Чому у схемі включення із спільним емітером відбувається підсилення струму?

7. Вкажіть, як використовуються транзистори.

8. Для чого в схемах з транзистором використовуються джерела постійної напруги?

 

Література

1 Лопатинський І.Є. Курс фізики. Фізика для інженерів. – Л.: “Бескид Біт”, 2002.

2 Кучерук І.М., Дущенко В.П. Загальна фізика. Т.: 2. – К.: “Вища школа”, 1987 – 1991.

3 Бушок Г.Ф. і ін. Курс фізики. Кн. 2. – К.: “Либідь”, 2001.

4 Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики.Т.: 2. – К.: “Техніка”, 2001.

5 Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: “Высшая школа», 1990.

 

 

ОПТИКА