Исследование полупроводниковых триодов

Цель работы:

Получение опытным путём входных и выходных статических характеристик для схем с ОЭ.

Инструментарий:

На стойке: измерительный прибор вольтметр В-22; источник питания.

Лабораторный стенд для изучения транзисторов, транзистор, соединительные провода.

Теоретическая часть: Принцип действия транзистора

Одно из самых важных технических применений полупроводников, которое существенно стимулировало развитие современной радиоэлектроники, заключается в их использовании для усиления и генерации электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, получили общее название транзисторов от двух английских слов: transfer — переносить, преобразовывать и resistor — сопротивление.

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Биполярные транзисторы работают на основе использования носителей заряда обоих знаков — электронов и дырок, вследствие чего и получили такое название. Их рабочая часть состоит из пластинки полупроводника (обычно — монокристаллического), в которой путем надлежащего распределения примесей созданы два близкорасположенных p-n-перехода. Область между обоими переходами принято называть базой транзистора, а оконечные области — эмиттером (emit — с английского означает испускать, выбрасывать) и, соответственно, коллектором. Такую систему из двух переходов можно осуществить двумя способами: создавая у эмиттера и коллектора дырочную проводимость, а у базы — электронную, т. е. структуру типа p_n_p, либо структуру n-p-n.

Конструктивно биполярные транзисторы оформляются в металлических, пластмассовых или керамических корпусах.

полупроводник транзистор биполярный Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

• 1. Режим отсечки — оба p-n перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идёт сравнительно небольшой ток;
• 2. Режим насыщения — оба p-n перехода открыты;
• 3. Активный режим — один из p-n переходов открыт, а другой закрыт.

В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причём транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы.

Активному (усилительному) режиму, при котором на эмиттерный переход подается прямое напряжение (UЭБ > 0), а на коллекторный — обратное (UКБ < 0). В таком режиме транзистор обладает активными свойствами, т. е. позволяет усиливать сигналы по мощности. Этот режим был достаточно подробно рассмотрен в разделе 1.1.

Режиму насыщения, при котором коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении (UЭБ > 0, UКБ > 0) и инжектируют неосновные носители заряда в базовую область транзистора.

Режиму отсечки тока коллектора, при котором оба перехода обратно смещены (UЭБ < 0, UКБ < 0). В этом случае ток коллектора очень мал и практически не зависит от напряжения на коллекторе.

Кроме рассмотренных выше трех режимов работы транзистора, иногда используют так называемый инверсный активный режим, когда эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный — в прямом. В таком режиме из-за малой площади эмиттерного перехода (который теперь играет роль коллекторного, но не может эффективно собирать носители) и слабой степени легирования коллекторной области (которая играет роль эмиттерной, но не может эффективно инжектировать носители в базу) коэффициент передачи тока оказывается заметно ниже 1.

Семейство входных ВАХ транзистора с ОЭ (рис. 2) представляет собой зависимость IБ (UБЭ), причем параметром семейства является напряжение UКЭ. Входная характеристика при коллекторном напряжении UКЭ =0 проходит через начало координат и отличается от ВАХ одиночного p_n_перехода масштабом оси токов, поскольку базовый ток меньше тока через переход IЭ. При отрицательных напряжениях коллектора характеристики смещаются.

Семейство выходных ВАХ транзистора с ОЭ представляет собой зависимость IК (UКЭ) с параметром IБ (рис. 3). Характеристики в схеме с общим эмиттером имеют больший наклон, свидетельствующий об уменьшении выходного сопротивления транзистора и, во-вторых, переход в режим насыщения наблюдается при отрицательных напряжениях на коллекторе (UКЭнас<0).

Причина понижения выходного сопротивления транзистора с ОЭ заключается в наличии положительной обратной связи. При приложении к коллектору отрицательного напряжение UКЭ оно распределяется между коллекторным и эмиттерным переходами. В результате эмиттерный переход оказывается дополнительно смещенным в прямом направлении, что и обусловливает увеличение выходного (коллекторного) тока. Чем выше отрицательное напряжение на коллекторе, тем выше прямое напряжение на эмиттерном переходе и заметнее открывается транзистор.

Причина перехода транзистора с ОЭ в режим насыщения при отрицательных напряжениях на коллекторе также связана с тем, что коллекторное напряжение распределено между переходами:

UКЭнас = UКБ + UБЭ.

Поскольку критерием перехода транзистора в режим насыщения при условии, что эмиттерный переход прямо смещен (UБЭ <0), является равенство нулю напряжения на коллекторном переходе UКБ = 0, то UКЭнас должно быть меньше нуля.