Лабораторна робота №110

ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ ТРАНЗИСТОРА У СХЕМІ ВВІМКНЕННЯ ІЗ СПІЛЬНОЮ БАЗОЮ

Мета роботи: дослідити роботу транзистора у схемі ввімкнення із спільною базою та визначити коефіцієнт підсилення напруги.

Прилади і матеріали: транзистор, реостат, вольтметр, джерело постійного струму.

1 ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

1.1 Напівпровідниковий тріод (транзистор)

Напівпровідникові p-n-переходи використовуються не тільки для випрямлення змінного струму, але й можуть бути використані також для підсилення електричних сигналів. Якщо в електричну схему із двох ввімкнених послідовно між собою p-n-переходів ввести зворотній зв’язок, то її можна використовувати і для генерації електричних коливань. Напівпровідникові прилади, призначені для розв’язку цих завдань, отримали назву напівпровідникових тріодів або транзисторів. Перші напівпровідникові тріоди отримали в 1949 р. американські вчені Д. Бардін, В. Браттайн та І. Шоклі, за що були удостоєні Нобелівської премії в 1956 р. Транзистор (TRANSFER RESISTOR – перетворюючий опір) – це напівпровідниковий прилад, який застосовують для підсилення або генерації електричних сигналів.

Для виготовлення транзисторів використовуються в основному германій і кремній, оскільки вони характеризуються значною механічною міцністю, хімічною стійкістю і великою рухливістю носіїв струму. Напівпровідникові тріоди є двох типів – точкові і площинні. Перші використовуються для підсилення напруг, однак недоцільні для підсилення потужності, оскільки при цьому можуть перегріватись (верхня межа робочої температури точкового германієвого тріода становить 50-80°C).
Площинні тріоди є більш потужними.

Розглянемо принцип роботи площинного n-p-n-транзистора (рис. 110.1). Робочі “електроди” транзистора, якими є базаБ (середня частина транзистора) емітерЕ і колектор К (напівпровідники, які прилягають до бази з обидвох боків з іншим типом провідності, ніж база), вмикаються за допомогою металічних провідників в електричну схему.

Рисунок 110.1

Між емітером Е і базою Б вмикається постійне джерело ε_Е зміщуючої напруги в прямому напрямі, а між базою Б і колектором К – постійне джерело Ε_К зміщуючої напруги в зворотному напрямі. Внаслідок такої полярності ввімкнення ε_Е і ε_К n-p-перехід між емітером Е і базою Б буде мати малий опір (буде відкритим), а p-n-перехід між базою Б і колектором К буде мати великий опір (буде закритим). Оскільки база Б одночасно ввімкнена в емітерне і колекторне електричні кола, то така схема ввімкнення транзистора називається схемою із спільною базою. Підсилювана змінна напруга U_вх подається на вхідний опір R_вх в емітерному колі, а підсилена напруга U_вих знімається із вихідного опору R_вих в колекторному колі.

Протікання струму в емітерному колі обумовлене рухом електронів і супроводжується їх “вприскуванням” - інжекцією – в область Б. Частина цих електронів рекомбінує із дірками, які є в p-напівпровіднику бази. Оскільки товщина бази Б досить мала (вимірюється в мікронах), то значна частина електронів, які не встигли рекомбінувати під дією прискорюючого електричного поля між базою Б і колектором К, дифузують в нього з великими швидкостями і змінюють величину струму в колекторному колі. Таким чином, зміна струму в колі емітера обумовлює відповідну зміну струму в колі колектора. Прикладаючи між емітером Е і базою Б змінну напругу U_вх, отримують в колекторному колі змінний струм, а на вихідному опорі R_вих змінну напругу U_вих.

Використовується й інша найбільш поширена схема ввімкнення транзистора – із спільним емітером (рис.110. 2). В цій схемі p-n-перехід між базою і емітером відкритий і має малий опір. Струм в колекторному колі безпосередньо залежить від струму в базовому колі. Таким чином, величина струму в колекторному колі управляється малим струмом в базовому колі. Якщо в базове коло ввімкнути джерело електричного сигналу, то такий же значно підсилений сигнал виділиться на резисторі навантаження в колекторному колі.

Напівпровідникові тріоди, на відміну від діодів, мають два електронно-діркових переходи, ввімкнених послідовно між собою назустріч один одному (n-p-n або p-n-p-переходи). Умовне позначення транзисторів на схемах подають, як зображено на рис. 110.3.

Напівпровідниковий тріод – транзистор - виконує ті ж завдання, що і ламповий тріод, який має три електроди – катод, анод і сітку.

В транзисторі функцію катода виконує емітер, функцію анода – колектор, функцію сітки – база. Транзистор, подібно до вакуумної електронної лампи, дає підсилення по напрузі і потужності. Якщо в лампі анодний струм регулюється потенціалом сітки, то в транзисторі струм колектора, який відповідає анодному струму лампи, регулюється напругою на базі.

Рисунок 110.2

Рисунок 110.3

Транзистори мають суттєві переваги перед вакуумними лампами. Це такі, як малі габаритні розміри, високі к.к.д. і термін експлуатації. Якщо для роботи підсилювальної лампи необхідна висока напруга, то для живлення транзистора вистачає низьковольтного гальванічного елемента. Транзистори електрично більш економічні від лампового тріода, оскільки в них відсутній нагрівний електрод (катод). Однак транзистори в порівнянні з вакуумними лампами мають деякі недоліки: вони бояться перегріву, виходять з ладу при короткому замиканні навантаження та мають гіршу вольт-амперну характеристику. Тому підсилювачі на лампових схемах набагато якісніші, ніж на транзисторах.

1.2 Визначення коефіцієнта підсилення транзистора

Розглянемо схему ввімкнення транзистора n-p-n із спільною базою (рис.110.4). На перший n-p-перехід між емітером і базою від джерела ε_Е подається пряма напруга, під дією якої електрони переходять із емітера в базу. Струм через цей перехід залежить від величини прикладеної напруги. При цьому навіть невеликі зміни

Рисунок 110.4

напруги

(110.1)

обумовлюють певну зміну струму ΔІ_Е в емітерному колі через опір R_Е-Б переходу “емітер-база”. Це пояснюється тим, що опір цього переходу при прямій напрузі незначний. З емітера електрони попадають в базу, яка має інший тип провідності (p-тип). В базі ці електрони рекомбінують з дірками. Для рекомбінації електронів і дірок необхідний деякий час (порядку 10÷100 мкс). За цей час електрон встигає пробігти відстань 0.3÷0.5 мм. Товщина бази в транзисторах досягає не більше 0.01 мм. Тому значна частина електронів, які не встигли рекомбінувати в базі, досягає переходу “база-емітер”. Джерело живлення ε_к ввімкнено в коло цього переходу в зворотному напрямі. Тому опір переходу “база-колектор” набагато більший, ніж опір переходу “емітер-база”. Внаслідок цього незначні коливання напруги в емітерному колі обумовлюють великі аналогічні коливання напруги в колекторному колі. Спад напруги на переході “база-колектор”

, (110.2)

де ΔІ_к – зміна величини струму в колекторному колі; R_Б-К – опір переходу “база-колектор”. Оскільки

(110.3)

,

то згідно співвідношень (110.1) і (110.2)

, (110.4)

тобто при ввімкненні транзистора в схему із спільною базою відбувається підсилення по напрузі. Робота транзистора в режимі підсилення по напрузі характеризується коефіцієнтом підсилення

. (110.5)

Рисунок 110.5