7.5 Контрольні питання
1 Що таке напівпровідник?
2 Які основні положення зонної теорії твердих тіл і яким чином вона пояснює розподіл кристалічних тіл на провідники, напівпровідники і діелектрики?
3 Що таке власні і домішкові напівпровідники? Якими бувають домішки? Що таке напівпровідник р-і п-типу і які механізми їх електропровідності? Від чого залежить їх електропровідність?
4 Що таке р-n-перехід і який механізм утворення подвійного електричного шару?
5 Що таке запірний шар і які його властивості? Пояснити природу великого опору р-n-переходу.
6 У чому полягає принципова відмінність контакту двох металів і р # 8209; n # 8209; переходу?
7 Як пояснюється випрямляє дію р-п-переходу? Описати дію р-n-переходу при прямому і зворотному включеннях.
8 Поясніть принцип випрямлення і детектування діодом змінного струму.
9 Які переваги і недоліки напівпровідникових діодів в порівнянні з вакуумним діодом? Яке функціональне призначення теплових радіаторів?
Лабораторна робота № 84
Вивчення роботи транзистора
Мета роботи: познайомитися з пристроєм і принципом роботи транзистора, визначити коефіцієнт посилення транзистора. Визначити зворотний струм колектора.
8.1 Короткі теоретичні відомості
Транзисторами (напівпровідниковими тріодами) називають напівпровідникові прилади, призначені для посилення і генерування коливань параметрів електричного струму. Вони являють собою напівпровідниковий кристал з трьома областями різної примесной провідності, що утворюють два зустрічних р-п-переходу, взаємодіючими між собою через конструктивно тонкий проміжок, званий базою. Відповідно в залежності від типу електропровідності зовнішніх шарів розрізняють транзистори р-n-p-типу (рис.8.1, а) і n-р-n- типу (рис.8.1, б). Один з р-п -переходів називається емітерним переходом або просто емітером (Е на рис. 8.1), а другий - колекторним або колектором (К на рис. 8.1). До кожної з областей припаяні металеві електроди для включення приладу в електричний ланцюг.
Внизу на рис. 8.1 під кожним з малюнків представлені символічні позначення відповідних транзисторів в електричних схемах.
Принцип підсилювального дії транзистора полягає в наступному. Підсилюваний сигнал Uвх (рис. 8.2) подається в емітерний перехід, де джерело зовнішньої напруги БЕ включений в пропускному (прямому) напрямку і малі зміни напруги ведуть до значних змін струму емітера. У колекторний перехід джерело струму БК включається в запірному (зворотному) напрямку і в ідеальному випадку струм в ланцюзі колектора повинен бути відсутнім без наявності струму емітера. Однак завдяки тому, що база тонка, її розміри не перевищують в звичайних транзисторах 0,025 мм, що у багато разів менше дифузійної довжини носіїв струму, основні носії струму, що надходять до бази, не встигають рекомбінувати і створити, таким чином, емітерний струм, а захоплюються електричним полем колекторного р # 8209; п # 8209; переходу. Електричне поле цього переходу завжди направлено так, що воно сприяє захопленню носіїв струму, що надходять до бази (див. Рис. 8.2). У колекторної ланцюга ставиться джерело струму БК. за рахунок енергії якого здійснюється підсилення сигналу.
Надійшли в колектор основні носії (порядку 98 ... 99%) захоплюються цим джерелом струму і створюють струм через велику навантажувальний опір R н. що веде до посилення вхідного сигналу по напрузі (див. рис. 8.2).
Описана вище картина процесів в транзисторі є схематичною. Домішкових провідність напівпровідників існує на фоні основної провідності базового кристала, тобто германію або кремнію, яка, будучи провідність змішаного типу, поставляє поряд з основними носіями струму і неосновні. Внутрішні електричні поля р # 8209; п-переходів, перешкоджаючи руху основних носіїв даного примесного напівпровідника, сприяють руху неосновних носіїв в зони протилежної примесной провідності - через р # 8209; п-переходи йде зворотний струм. Зворотний струм, будучи в мільйони разів менше прямого, створює все-таки складності в роботі приладів. Зокрема, через високий опору р # 8209; п-переходу зворотному току відбувається надлишкове нагрівання кристала і збільшення його власної провідності.
При досить високій температурі, коли домішкові центри виснажуються (див. П. 4.1), прямий і зворотний струми практично вирівнюються, а р-п-перехід зникають, прилад виходить з ладу. Для дотримання температурного режиму роботи транзисторів їх необхідно встановлювати на тепловідвідними платівку, яка є частиною теплового радіатора приладу. Це призводить до зайвих втрат енергії і збільшує габарити приладу, а значить, і всього пристрою, де транзистори використовуються. Серйозним недоліком напівпровідникових тріодів є те, що їх нормальна робота можлива тільки в порівняно вузькому температурному інтервалі. Для германію температура переходу до власної провідності - близько 100 ° С. При цій температурі різко збільшується власна провідність, і управління потоками носіїв струму стає неможливим. З цієї причини верхня межа германієвих транзисторів підтримується не вище 55 ... 75 ° С.
При низьких температурах енергії теплового руху виявляється недостатньо для іонізації необхідної кількості домішок, переведення їх в зону провідності. Це призводить до сильного збільшення опору приладу і до порушення режиму його роботи. Для звичайних напівпровідникових тріодів нижню межу робочих температур досягає # 8209; 55 ° С. Проте транзистори мають ряд переваг перед, наприклад, ламповими тріодами, які використовувались до транзисторів: вони компактні, Безінерційна, споживають мало енергії, стійкі до механічних навантажень, що визначило їх широке застосування в радіо-, теле- і електротехніці.
Посилення по напрузі і потужності, створюване транзисторами, визначається їх власними властивостями, але залежить також від параметрів схем включення в електронних схемах.
Залежно від того, який з електродів буде загальним для вхідного і вихідного сигналів, розрізняють три основні схеми включення транзисторів.
а) Схема із загальною базою. У схемі із загальною базою (рис. 8.3) вхідний сигнал діє між емітером і базою. Вхідним є струм емітера, а вихідним - струм колектора. Так як струм емітера більше струму колектора, то посилення по току не відбувається. Коефіцієнт посилення по струму
Ця схема підсилює тільки по напрузі і потужності і має мале вхідний і велику вихідну Rн опору.
б) Схема із загальним емітером. У схемі з загальним емітером вхідний сигнал діє між базою і емітером (рис. 8.4), а навантаження включається між колектором і емітером. Вхідним є струм бази, а вихідним - струм колектора. Ця схема підсилює і по току і за напругою. Її вхідний і вихідний опору великі.
Коефіцієнт посилення по струму # 946; цієї схеми визначають по сімейству статичних вольтамперних характеристик, тобто по залежності струму колектора ІК від напруги між емітером і колектором UКЕ при різних фіксованих значеннях струму бази (рис. 8.5):
коефіцієнти посилення # 945; і # 946; пов'язані між собою співвідношеннями:
які дозволяють за значенням одного з коефіцієнтів обчислити інший.
в) Схема із загальним колектором. У схемі з загальним колектором (рис. 8.6) вхідний сигнал надходить на керуючий перехід емітер - база, проходячи через навантаження Rн, а сама навантаження включається між емітером і колектором і вихідний опір становить лише частина вхідного. Це призводить до того, що коефіцієнт посилення схеми по напрузі завжди менше одиниці. Коефіцієнт посилення схеми по струму дорівнює:
Ця схема використовується для узгодження каскадів, що володіють великим вихідним опором і малим вхідним.
Незатухаючі електромагнітні коливання створюються генераторами електромагнітних коливань, що представляють собою автоколивальні системи.
На рис. 8.7, а представлена принципова схема генератора електромагнітних незатухаючих коливань. У коливальному контурі L1 R1 C виникають затухаючі вільні коливання, частота яких визначається параметрами контуру. Енергія контуру відновлюється від джерела струму Б через пристрій зворотного зв'язку, що являє собою, наприклад, транзистор, відкриття якого регулюється ЕРС індукції, що наводить в котушці зв'язку L2. Джерело струму Бс і опір зсуву R регулюють величину порції енергії, необхідної для компенсації втрат в контурі (див. Рис. 8.7 б). Якщо замість опору R використовувати мікрофон або інший пристрій, то електромагнітні коливання будуть модульовані по інтенсивності, наприклад, звуку (рис. 8.7).
8.2 Експериментальна установка і метод
Досліджується транзистор П201, включений за схемою із загальним емітером (див. П. 8.1, б). Це германієвого транзистор р-п-р-типу. Транзистор встановлений на тепловідвідними радіаторі, як це передбачено інструкцією його експлуатації.
Для дослідження роботи транзистора виконуються дві вправи. У першій вправі будуються його статичні вольтамперні характеристики (див. Рис. 8.5). За характеристиками, з використанням формул типу (8.2), визначається коефіцієнт посилення по току b і за формулою (8.3) розраховується коефіцієнт передачі струму a. Для побудови характеристик використовується експериментальна установка, принципова схема якої приведена на рис. 8.8. Транзистор Тр харчується від джерела струму Іс. Напруга в ланцюзі «колектор-емітер» регулюється реостатом, включеним по схемі потенціометра П. Вимірюється напруга вольтметром V. Колекторний струм вимірюється миллиамперметром MAК. Струм в ланцюзі «емітер-база» (струм бази) регулюється магазином опорів М, що має три декадника з кратностями, відповідно, '10 000 Ом, '1 000 Ом і '100 Ом. Вимірюється струм бази базовим миллиамперметром mAб.
Друга вправа присвячено вимірюванню зворотного струму колектора, для чого використовується установка, схема якої приведена на рис. 8.9.
Емітер від'єднаний. На базу подається позитивний потенціал. Напруга в ланцюзі «база-колектор» регулюється потенціометром П і вимірюється вольтметром V. Струм в ланцюзі вимірюється мікроамперметром mA. Зверніть увагу, що полярність його підключення зворотна тій, що була в схемі вправи 1 (рис. 8.8).
8.3.1 Вправа 1. Дослідження роботи транзистора
Порядок виконання роботи
1 Зібрати експериментальну установку по схемі рис. 8.7.
2 На магазині опорів поставити максимальний опір. Рукоятки всіх декадники повинні бути в положенні «9». Потенціометр встановити в нульове положення. Дати перевірити схему викладачеві.
3 положення ручок декадники магазину опорів, домогтися струму бази 1,0 мА. Якщо досліджується інший тип транзистора, викладач вкаже інші параметри вимірювань.
4 Включити установку в мережу і, збільшуючи за допомогою потенціометра напруга через 1 В, вимірювати силу колекторного струму. Результати заносити в табл. 8.1. Після закінчення вимірів потенціометр вивести на нуль.
3 Розрахувати значення (D Іб) kl і (D Ік) kl. де індекси приймають значення: k = 2, 3, 3; l = 1, 2, 1. Результати занести в табл. 8.2.
4 Розрахувати значення bkl. використовуючи формулу
Результати занести в табл. 8.2.
5 Визначити середнє значення коефіцієнта b як середнє арифметичне:
де індекс підсумовування N відповідає номеру порядку вимірювання.
6 Розрахувати абсолютні похибки Dbkl вимірювання b і визначити їх середнє значення:
7 Визначити відносну похибку вимірювання:
8 Розрахувати коефіцієнт a за формулою (8.3), використовуючи середнє значення .
9 Розрахувати похибки визначення коефіцієнта a:
10 Записати результати вимірювань коефіцієнтів a і b в стандартній формі.
8.3.2 Вправа 2. Визначення зворотного струму колектора
1 Зібрати електричну схему відповідно до рис. 8.8.
2 Після перевірки схеми викладачем або лаборантом встановити за допомогою потенціометра напруга UK = 5 B. а потім UK = 10 B і виміряти зворотний струм колектора. Результати занести в протокол вимірювань і записати під результатами з вправи 1.
8.4 Контрольні питання
1 Що таке транзистор? Назвіть його основні елементи.
2 Які принципи роботи транзистора? Яким чином включаються джерела струму в емітерний і колекторний ланцюга транзистора?
3 Де використовуються транзистори і чим визначається їх широке використання? Які недоліки роботи транзисторів?
4 Які причини існування зворотного струму в р-п-переходу і яке значення, на ваш погляд, має вимір зворотного струму колектора?
5 Від чого залежать коефіцієнти посилення транзистора по току, по напрузі, по потужності? Які схеми включення транзисторів ви можете назвати і дати їм характеристику?
6 Що таке вольтамперная характеристика транзистора і чому вона називається статичною?
7 Як можна визначити коефіцієнти підсилення по струму a і b?
8 Яка роль транзисторів як елемента автоколивальних систем для створення незатухаючих електромагнітних коливань?
2 Єпіфанов Т.І. Фізика твердого тіла. - М. Наука, 1977. - 346 с.
3 Карякін Н.І. і ін. Короткий довідник по фізиці. - М. Вища. школа, 1962. - 559 с.
ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ. 3
1. Лабораторна робота № 62Определеніе радіусу
кривизни лінзи за допомогою кілець Ньютона. 5
2. Лабораторна робота № 63Определеніе довжини
світлової хвилі за допомогою дифракційної решітки. 13
3. Лабораторна робота № 64 Дослідна перевірка
законів Малюса і Брюстера. 24
4. Лабораторна робота № 71 Дослідна перевірка
5. лабораторна робота № 74 Вивчення роботи
спектроскопа та спостереження оптичних спектрів. 45
6. Теоретичні відомості, які
необхідно вивчити для виконання
лабораторних робіт № 83 и 84 ............................... ... .57
7. Лабораторна робота № 83 Вивчення будови і
Принципу роботи напівпровідникового діода. ..................... ..66
8. Лабораторна робота № 84 Вивчення роботи