Снятие характеристик полупроводникового триода (транзистора)

Цель работы: снятие выходных и входных характеристик транзистора; определение его параметров.

Приборы и принадлежности: 2 источника постоянного напряжения, два реостата, 2 миллиамперметра, вольтметр, милливольтметр, магазин сопротивлений, два ключа, транзистор.

Теоретическое введение .

Транзистором называется электропреобразовательный прибор с двумя или более электронно-дырочными переходами.

Наиболее распространены транзисторы с двумя р-n переходами, характерной особенностью которых является существование двух типов носителей зарядов (электронов и дырок), участвующих одновременно в работе прибора. В связи с этим полупроводниковые триоды этого типа получили название биполярных (cм. рис 1 а, б, в.).

Проводимость полупроводников n-типа (n — negative) практически полностью обусловлена свободными электронами, образующимися за счет привнесения в германий или кремний атомов элементов группы V Периодической системы. Один из валентных электронов этих атомов оказывается незадействованным в образовании химических связей и может перемещаться под действием электрического поля (см. рис. 2а).

Проводимость полупроводников p-типа (p — positive), также вызвана перемещением электронов. Однако оказалось удобным формально принять в качестве носителей тока не электроны, а дырки (см. рис 2. б).

Р-тип проводимости образуется за счет привнесения в германий или кремний атомов элементов III группы. При этом трех валентных электронов этих атомов достаточно для образования лишь трех связей с окружающими их атомами. Четвертая связь образуется за счет одного электрона атомов Ge или Si и представляет собой вакантное место, на котором может разместится еще один электрон. Это вакантное место условно называется «дыркой».

Под действием внешнего электрического поля электрон с соседней связи может переместиться на место «дырки», следовательно, на его прежнем месте образуется новая «дырка», в которую может перескочить другой электрон и т. д.

Таким образом, можно считать, что под действием электрического поля происходит перемещение «дырки» по кристаллу в том направлении, в котором бы двигался положительный заряд. Последнее дает возможность рассчитывать движение «дырок» как движение положительных зарядов и изображать их на схемах как такой заряд (см. рис.1д).

Для изготовления транзисторов используется германий Ge и кремний Si, т.к. они характеризуются большой механической прочностью, химической устойчивостью и большей, чем в других полупроводниках, подвижностью носителей тока.

Полупроводниковые триоды делятся на точечные и плоскостные. Первые значительно усиливают напряжение, но их выходные мощности малы из-за опасности перегрева (например, верхнее значение рабочей температуры германиевого триода лежит в пределах 50−80 С). Плоскостные триоды являются более мощными. Триоды представляют собой кристалл полупроводника, разделенный на три области с поочередно меняющимися типами проводимости: n-р-n или р-n-р.

Крайние области триода называются эмиттерной и коллекторной областями. Средняя область называется базовой областью, а n-р (или р-n) переходы между ними и средней областью — эмиттерным (между эмиттером и базой) и коллекторным (между базой и коллектором) переходами. Электроды, подведенные к трем областям и образующие с ними омические контакты, носят название эмиттера, коллектора и базы. Эмиттер служит источником носителей зарядов (аналогично катоду в электронной лампе). Поэтому дозировкой примесей в полупроводнике достигают наивысшей концентрации носителей зарядов в эмиттере. Меньшую концентрацию имеет коллекторная область, которая получает «чужие» носители (подобно аноду лампы). Область базы имеет очень низкую концентрацию своих основных носителей, она управляет движением «чужих» носителей (аналогично сетке в трехэлектродной лампе).

Важнейшим условием для хорошей работы транзистора является малая толщина базовой области (не более нескольких микрон).

Рассмотрим в качестве примера работу транзистора типа р-n-р. Для изготовления плоскостных триодов чаще всего применяют метод вытягивания из расплава, метод вплавления электродов и метод диффузии примесных атомов из газовой среды. Наиболее распространены р-n-р триоды, получаемые вплавлением индиевых электродов в n-германий. Атомы индия диффундируют внутрь пластины, создавая с обеих ее сторон области с проводимостью р-типа — эмиттерная и коллекторная области (рис.1в). Если к триоду не приложено никаких внешних разностей потенциалов, то токи через р-n переходы отсутствуют.

Включим между базой и обоими участками р-типа источники постоянных напряжений U_ЭБ и U_БК, как это показано на рис. 2.

Полярность включения источников такова, что на эмитттерном переходе направление внешнего поля прямое (от р-полупроводника к n), а на коллекторном — обратное. При таком включении сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока через переход достаточно приложить напряжение U₁ порядка десятых долей вольта.

Полярность включения источника U₂ в цепь коллектора такова, что область контакта «база-коллектор», оказывается обедненной носителями тока (на электроны и дырки действует электрическая сила, стремящаяся переместить электроны и дырки (см. рис.2), соответственно влево и вправо от границы раздела областей «база» и «коллектор»). За счет обедненности носителями тока область «база — коллектор» приобретает высокое омическое сопротивление, что позволяет использовать в качестве U₂ источник с ЭДС, достигающей десятков вольт.

Протекание тока в цепи эмиттера обусловлено в основном движением «дырок» т.к. они условно являются основными носителями тока в полупроводнике р-типа, которым является эмиттер. Дырки инжектируются (впрыскиваются) в область базы. Проникшие в базу дырки диффундируют по направлению к коллектору, причем при небольшой толщине базы значительная часть инжектируемых дырок достигает области «база-коллектор». Здесь дырки под действием поля, создаваемого источником U₂, перемещаются на коллектор и изменяют его ток. Следовательно, всякое изменение тока в цепи эмиттера вызывает изменение тока в цепи коллектора.

Сумма токов, протекающих через базу и коллектор, в силу закона сохранения заряда, равна току через эмиттер.

I_Э = I_Б + I_К, при I_Б << I_К

На практике плоскостные транзисторы используются в качестве усилителей мощности и напряжения. Например, мощность, развиваемая во входной цепи за счет действия источника U₁ равна:

Р_ВХ = I_Э .U_ЭБ ,.

а мощность в выходной цепи.

Р_ВЫХ = I_К .U_БК

Так как I_Э I_К, а U_ЭБ намного меньше U_БК, то выходная мощность Р_ВЫХ намного больше Р_ВХ .

Входные характеристики :

График зависимости тока эмиттера от напряжения I_Э = f (U_ЭБ) называется входной характеристикой (см. рис.3а.). Кривая I_Э = f (U_ЭБ) представляет собой вольтамперную характеристику диода при прямом включении напряжения (см. описание работы «Снятие вольтамперной характеристики полупроводникового диода»).

Если U_БК = 0, т. е. коллектор соединен с базой накоротко, то I_Э = f (U_ЭБ) практически точно воспроизводит характеристику диода.

При U_БК > 0, кривая I_Э = f (U_ЭБ ) идет незначительно выше, чем в случае, когда U_БК =0 т. е U_БК мало влияет на I_Э .

Выходные характеристики :

График зависимости тока коллектора от выходного напряжения I_К = f (U_БК ) называется выходной характеристикой (см. рис. 3б.). Эта характеристика аналогична характеристике полупроводникового диода в обратном направлении (см. описание работы «Снятие вольтамперной характеристики полупроводникового диода»).

При токе через эмиттер, отличном от нуля, выходные характеристики практически линейны и идут с небольшим наклоном, что означает малое влияние напряжения U_БК на ток I_К. Так как I_Э = I_Б + I_К, a I_Б мал, то для увеличения тока I_К надо увеличить I_Э (инжектировать из области эмиттера в область базы больше носителей тока). Если величина I_Э неизменна во времени, то возрастание U_БК приводит к снижению процесса рекомбинации дырок и электронов в базе, т. е. к уменьшению тока базы I_Б и увеличению тока I_К

Так как I_Б сам по себе мал, то и прирост тока I_Кт невелик.

Дифференциальные параметры транзистора для схемы включения с общей базой (рис.5) обозначаются как h-параметры :

1) входное сопротивление.

при U_БК=const.

Величины U_ЭБ и I_Э находятся из треугольника АВС, построенного на графиках, отражающих входные характеристики (см. рис.4а).

2) коэффициент обратной связи.

при I_Э=const.

Этот коэффициент характеризует наличие внутренней обратной связи и отражает изменение тока I_Э при изменении напряжения U_БК по сравнению с изменением напряжения U_ЭБ. Величина имеет порядок .

3) коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока).

при U_БК=const.

Условие U_БК = const используется для того, чтобы изменение выходного тока I_К зависело только от изменения входного тока I_Э .

Для используемой схемы величина = 1.

4) выходная проводимость.

при I_Э=const.

На практике чаще используется величина выходного сопротивления, обратная .

Для используемой схемы обратное сопротивление может достигать сотен кОм. Величины приращений I_K и U_БК находятся из треугольника МNК, построенного на графике, представляющем выходную характеристику (см. рис.4б).

Порядок выполнения работы .

• 1. Изучить схему установки (рис.5) и проверить правильность монтажа элементов схемы на стенде.
• 2. Включить источники ₁ и ₂. Замкнуть ключи К₁ и К₂ в цепях эмиттера и коллектора.
• 3. Изменяя с помощью потенциометра R_Э напряжение U_ЭБ от 0 до 180 мВ, снять показания миллиамперметра в цепи эмиттера при трех значениях напряжения U_БК (см. таблтцу 1). Напряжение U_БК устанавливается и поддерживается с помощью потенциометра R_К. Данные занести в таблицу 1.

Таблица 1.

Результаты измерений.

• 4. Установить и поддерживать постоянным ток эмиттера с помощью потенциометра R_Э. Изменяя напряжение U_БК от 0 до 12 В, снять показания миллиамперметра в цепи коллектора. Измерения провести при трех значениях I_Э. Данные занести в таблицу 2.
• 5. С помощью потенциометров R_Э и R_К уменьшить до нуля напряжения в цепях эмиттера и коллектора. Разомкнуть ключи. Отключить выпрямители от сети.

Таблица 2.

Результаты измерений.

• 6. По данным таблиц 1 и 2 построить входные и выходные характеристики транзистора.
• 7. Из графиков входных и выходных характеристик найти h-параметры транзистора.

Контрольные вопросы.

• 1. Объяснить механизм собственной и примесной (электронной и дырочной) проводимости полупроводника.
• 2. Рассмотреть явления, происходящие в р-n переходе при прямом и обратном включении напряжения.
• 3. Каково устройство и принцип работы транзистора?
• 4. Проанализировать входные и выходные характеристики транзистора.
• 5. Что такое h-параметры и как они определяются из вольтамперных характеристик?

• 4. Савельев И. В. Курс общей физики. Учеб. Пособие. В 3-х т. Т.1. Механика. Молекулярная физика. — 3-е изд., испр. — М.: Наука. Гл. ред. физ. мат. лит. 1986. 432 с.
• 5. Епифанов Г. И. Физика твердого тела. — М.: Высшая школа, 1977.