Лабораторная работа № 10. Испытание биполярного транзистора и усилителя по схеме с общим эмиттером

ИСПЫТАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА И УСИЛИТЕЛЯ ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Цель работы

Изучить устройство и принцип работы полупроводниковых триодов (транзисторов). Снять статические вольт-амперные характеристики изучаемого транзистора. Изучить схемы включения транзистора и области применения.

Общие сведения

Полупроводниковый триод, подобно электронной лампе, обладает усилительными свойствами. Наиболее распространены германиевые и кремниевые транзисторы.

Устройство (рис.1а). В тонкую (0,025-0,005 мм) пластинку монокристалла германия (базу) с двух сторон впаяно по капле индия. В пластинке образуются два электронно-дырочных перехода р-п и п-р.

Один р-п переход триода соединён с источником напряжения в проводящем направлении. Он является основным источником носителей тока (дырок) и называется эмиттером; он эмиттирует, т.е. испускает заряды. В условном обозначении (рис. 1б) эмиттер указывается стрелкой. Другой запирающий слой триода соединен с источником напряжения в непроводящем направлении и называется коллектором – собирателем основных носителей зарядов.

Транзисторы с двумя электронно-дырочными переходами называются

биполярными. В зависимости от чередования областей с различной электропроводностью биполярные транзисторы подразделяются на два типа: р-п-р (германиевые) и п- р-п (кремниевые).

Схема включения. Плюс батареи, эдс которой Е_э<1 В, подан через регулируемое сопротивление R _э на эмиттер, минус батареи соединен с базой (рис.2). Коллектор подключен к минусу другой батареи; её э.д.с. 10-20 В. Сопротивление R_к является нагрузкой цепи коллектора.

а) б) Рис.2. Включение транзистора Рис.1. Полупроводниковый триод: по схеме с общей базой и зависимость

а -устройство, б -условное обозначение. I_к= f(I_э).

Управление током р-п перехода. Если к переходу р-п приложено обратное напряжение, то в запирающем слое практически нет носителей тока, и он представляет собой диэлектрик. Незначительный по величине обратный ток через переход обусловлен неосновными носителями заряда. Концентрация их возрастает с температурой. Изменяя температуру, можно регулировать величину обратного тока. Есть и другие способы влиять на величину обратного тока. Например, электрическое поле, созданное вблизи р-п перехода, также изменяет обратный ток. Последний способ используется в полупроводниковом триоде.

В цепи коллектора (рис.2), питаемой от источника напряжения Е_к =10-20В, при I_э = 0 устанавливается обратный ток I_ко, незначительный по величине (минус источника подключен к р -Gе, переход р-п коллектор - база заперт). Переход р-п в маломощной цепи эмиттера (Е_э<1В) включен в прямом направле-нии (плюс источника к р - Gе); переход открыт, и величина тока I_Э зависит только от величины сопротивления в цепи эмиттера R_э. Появление тока в цепи эмиттера увеличивает обратный ток в цепи коллектора.

Влияние тока эмиттера I_э на ток коллектора I_к можно объяснить следующим.

Ток эмиттера (р - германий) вызван движением основных носителей заряда - дырками. Попадая в п - германий, где в избытке свободные электроны, одна часть дырок будет заполнена, но часть из них достигнет перехода п-р коллектора. Поступление носителей тока — дырок в запертый электронно-дырочный переход коллектора уменьшает сопротивление этого перехода. Ток коллектора увеличивается пропорционально числу дырок, достигших этого перехода.

Усиление в полупроводниковом триоде основано на управлении обратным током коллекторного перехода током другого, расположенного рядом, эмиттерного перехода. Ток эмиттера влияет на ток коллектора так же, как в электронной лампе - триоде потенциал сетки влияет на величину анодного тока.

Рис.3. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером.

Коэффициент передачи тока. Зависимость тока коллектора от тока эмиттера при U_к =соnst характеризует коэффициент передачи тока:

" =) I_к /) I_э.

Для линейного участка характеристики (рис.2) коэффициент передачи тока является постоянным. Это один из основных параметров полупроводниковых триодов; он находится в пределах " = 0,90...0,99.

Коэффициент усиления β. Если считать ток эмиттера входным, а ток коллектора выходным током триода, то в полупроводниковом триоде нет усиления тока (" 1). В нем происходит усиление мощности. Действительно, при равных значениях токов I_э и I_к изменение мощности в цепи коллектора )Р_к больше изменения мощности в цепи эмиттера )Р_э, так как эдс Е_к превышает Е_э в 10 -20 раз.

Схемы включения транзисторов. Схему с общей базой (рис.2) — база является общим электродом для входной и выходной цепей — применяют редко. Чаще используют схему с общим эмиттером (рис.3), в которой общий электрод — эмиттер. Электрическое состояние транзистора в этой схеме характеризуют ток базы I_б и напряжение база — эмиттер U_бэ; ток коллектора I_к и напряжение коллектор — эмиттер U_кэ. Две величины можно принять независимыми (например, I_б и U_кэ), а две другие выразить уравнениями через эти величины и вспомогательные коэффициенты, так называемые h -параметры транзистора. Это основные параметры при расчете устройств на биполярных транзисторах. Они приведены в технической документации на транзисторы.

При работе транзисторов мощность не должна превышать максимально допустимую Р_к = U_кэ·I_к Р_{к max}. Коллекторное напряжение и коллекторный ток должны быть меньше максимально допустимых значений:

U_кэ U_{кэ max}, I_к I_{к max}.

Биполярные транзисторы — это полупроводниковые усилительные и ключевые приборы универсального назначения; их применяют в различных усилителях, генераторах, логических и импульсных устройствах.