Теоретические основы эксперимента

Лабораторная работа

Изучение биполярных транзисторов

Цель работы: ознакомиться с принципом работы биполярных транзисторов, определить коэффициент усиления транзистора.

Оборудование: детали из электронного конструктора «Знаток» - транзисторы, лампочка 6В, выключатели, реостат, резисторы, амперметр, батарейки, провода.

Теоретические основы эксперимента

Транзисторы – полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления и преобразования электрических сигналов. Транзисторы делятся на два вида: биполярные и униполярные (полевые) транзисторы. В биполярных носителями заряда служат как электроны, так и дырки (отсюда приставка «би» - два), в униполярных – либо электроны, либо – дырки (отсюда приставка «уни» - один). Изготавливаются в основном из кремния и германия.

(Слово «транзистор» происходит от двух английских слов: TRAN SFORMER «преобразователь» и RE SISTOR – «регулируемое сопротивление». Транзистор ставят вместо реостата и тогда управлять током можно и с его помощью).

В работе используются биполярные кремниевые транзисторы.

Основу биполярного транзистора составляют два p-n перехода. В зависимости от взаиморасположения p-n переходов транзисторы разделяются на p-n-p(PNP) и n - p-n (NPN) типа.

На рис. 1 изображены мгновенные картины теплового равновесия двух отдельно взятых кусков полупроводников n – типа и p – типа. Слева мы видим неподвижные положительные ионы, а справа – неподвижные отрицательные ионы. Слева – подвижные отрицательные заряды – электроны изображены как светло-серое поле с штриховкой слева направо, а справа – подвижные положительные заряды изображены как темно-серое поле с штриховкой справа налево.

Рис.1

В полупроводнике n – типа, основными носителями тока являются электроны, полупроводнике p – типа, основными носителями тока являются дырки. В целом один отдельный кусок полупроводника одного типа проводимости электрически нейтрален, т.е. имеет столько электронов, сколько протонов.

Примечание. Когда говорят о перемещении дырок, то нужно иметь в виду, что на самом деле под действием электрического поля перемещаются электроны. В полупроводнике р-типа, где имеет место недостаток свободных электронов, преобладают места свободные от них. Эти места и называются дырками. По мере передвижения электрона, он занимает место, где был избыточный положительный заряд, т.е. дырка. Таким образом, получается, что электроны движутся в одну сторону, а дырки - в противоположную.

Если соединить полупроводники вместе (а на практике их сваривают друг с другом), то в области их соединения из-за диффузии, электроны из полупроводника n – типа перемещаются в полупроводник p – типа и сосредотачиваются в пограничном слое (Рис.2). За счет перехода зарядов в чужую область, в обоих кусках полупроводников нарушается электрическое равновесие. В области, куда перешли электроны, возникает избыточный отрицательный заряд, а в области, которую электроны покинули появляется избыток протонов, т.е.избыточный положительный заряд. Из-за нарушения равновесия в пограничном слое возникает электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии электронов. Образуется потенциальный барьер, который электроны легко преодолеть не могут.

Рис.2

. Если подключить такой объединенный полупроводник к источнику питания так, как показано на рис.3а, то через пограничный слой устремятся основные носители тока обоих полупроводников: из полупроводника n – типа – электроны, из полупроводника р-типа – дырки. Сопротивление пограничного слоя уменьшится, проводимость увеличится (пропускное направление тока). В этом случае высота потенциального барьера уменьшается (рис.3 а), полупроводник становиться проводником.

Если подключить объединенный полупроводник к источнику питания так, как показано на рис.3б, то основные носители тока, наоборот, будут отходить от пограничного слоя к внутренним областям полупроводников, сопротивление пограничного слоя будет увеличиваться, (запорное направление тока). Высота потенциального барьера будет увеличиваться.

На этом основана работа выпрямителей (диодов). На рисунках 3а и 3б показан значок диода и направление, в котором идет ток.

Биполярный транзистор – это трехслойный элемент с двумя p-n переходами, у которого в рабочем состоянии один p-n переход открыт, а другой закрыт. По другому можно сказать, что транзистор состоит из двух выпрямителей (диодов), включенных навстречу друг другу (Рис.4). Но это не значит, что можно взять два отдельных диода и, спаяв их, получить транзистор. Биполярный транзистор – имеет три вывода, - эммитер (Э), базу (Б) и коллектор (К).

Рис.3б

Рис.3а

	-

. На рис.4 показана структура (PNP) транзистора, на рис.4а показано устройство и обозначение транзисторов.

На электрических схемах транзистор обозначается так:

Конструкция транзистора имеет схематично следующий вид (рис.5). Базу выполняют в виде металлизированной подложки, коллектор впаивают в подложку в виде кольца, величина эмиттера в центре кольца имеет вид маленькой точки. Площадь коллектора по сравнению с эмиттером очень большая, толщину базы делают поменьше, так, чтобы испускаемые эмиттером заряды, не могли «увильнуть» мимо коллектора.

Для того, чтобы транзистор «открылся», т.е начал проводить ток, необходимо на базу подать управляющий потенциал для задания тока базы. Значение этого потенциала и направление тока базы зависит от типа транзистора (PNP) и (NPN).

Рассмотрим работу транзистора (PNP) типа (Рис.6). Для этого необходимо иметь два источника питания. Для работы транзистора нужно, чтобы переход база - эмиттер был открыт, а переход коллектор - база был закрыт.

Передвинем движок реостата вверх (см. рис.6), т.е. уменьшим сопротивление в цепи Э-б. Дырки, испущенные эмиттером, устремляются в направлении базы и проходят мимо закрытого коллекторного p-n перехода. На закрытом коллекторном p-n переходе действует сильное электрическое поле (см.рис.3б), которое «засасывает» проходящие рядом электрические заряды. Поэтому большая часть зарядов не доходит до электрода базы, а «выносится» на электрод коллектора. При этом коллекторный p-n переход остается закрытым!

В цепи коллектора наблюдается ток. Как уже говорилось, площадь коллектора делается большой, в результате коллектор захватит много больше дырок, чем их дойдет до базы (до базы дойдет дырок в β раз меньше, чем захватит коллектор). Получается, что транзистор распределяет ток на две неравные части. Отношение этих неравных частей порождает эффект усиления. На самом деле, происходит перераспределение зарядов. Поэтому можно записать такие соотношения между силами токов: I_э=I_к + I_б и - коэффициент усиления по току. Графически это можно показать так, как изображено на рис.7.

Передвинем движок реостата вниз, т.е. увеличим сопротивление в цепи Э-б. Соответственно уменьшиться и ток в цепи коллектора в β раз, т. к. уменьшится величина внешнего поля, действующая на дырки.

Таким образом, если регулировать ток базы, то получается что транзистор сам возьмет себе такой ток эмиттера, чтобы ток коллектора был в β раз больше, чем ток базы. Обычно коэффициент усиления равен β≈100…1000.