ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Усиление электрических колебаний

Лабораторная работа №14

Изучение работы полупроводникового триода

(транзистора)

Студент должен знать: образование р-n-перехода и его свойства; устройство и принцип работы транзистора в схемах включения с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ); принцип работы и формулу для коэффициентов усиления усилителя по току, напряжению и мощности на транзисторе; статические входную и выходную характеристики и параметры транзистора в схеме с ОЭ.

Студент должен уметь: пользоваться электроизмерительными приборами, рассчитывать параметры транзистора.

Краткая теория

Полупроводниковый триод или транзистор представляет собой монокристалл германия или кремния, в котором имеются два электронно-дырочных n-p перехода (рис. 1).

Рис. 1

Каждый переход ведет себя в отдельности как обычный полупроводниковый диод, т.е. обладает односторонней проводимостью. Один из переходов – эмиттерный – предназначен для включения в прямом, пропускающем направлении, а другой – коллекторный – в обратном, запирающем направлении. Средняя область транзистора, общая для обоих n-p переходов, называется базой, крайние области – эмиттер (источник носителей зарядов) и коллектор (сток носителей заряда). Эмиттер и коллектор всегда имеют проводимость, противоположную проводимости средней области – базы. В зависимости от характера проводимости базы различают транзисторы типа p-n-p и n-p-n типа.

Рассмотрим работу транзистора типа p-n-p, когда в цепи эмиттера и коллектора включены только постоянные напряжения E_К и E_Э (рис.2). Напряжение в цепи эмиттера задается небольшим, в пределах 1-2 В. Так как эмиттерный переход включается в пропускном направлении, то напряжение E_Э понизит потенциальный барьер на границе эмиттер-база и будут созданы условия для перемещения (инъекция) дырок из эмиттера в базу, а электронов – из базы в эмиттер.

Рис. 2

Сопротивление эмиттерного перехода становится незначительным. Напряжение в цепи коллектора E_К задается в пределах 10-30 В и включается так, что переход база – коллектор находится в непроводящем состоянии. Основные носители зарядов уходят от коллекторного перехода и по обе стороны от него образуются области, лишенные основных носителей заряда, прямой ток отсутствует. Это означает, что сопротивление коллекторного перехода велико (сотни кОм).

Однако через этот переход протекает слабый обратный ток I_КО, образуемый не основными носителями зарядов (неосновные носители в области p - электроны, а в области n - дырки).

При одновременном включении обеих батарей (E_К и E_Э) вследствие понижения величины потенциального барьера эмиттерного перехода и наличия градиента концентрации носителей заряда происходит перемещение дырок из эмиттера в базу и электронов в обратном направлении. Следовательно, ток эмиттерного перехода I_Э обусловлен встречным потоком основных носителей зарядов эмиттера и базы. Однако, количество электронов, инжектируемых из базы в эмиттер, ничтожно мало по сравнению с дырками, которые инжектируются в базу, так как концентрация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в эмиттере. К тому же и объем базы весьма мал по сравнению с размерами эмиттера. Поэтому для объяснения физических процессов в транзисторе p-n-p электронной составляющей эмиттерного тока обычно пренебрегают.

Инжектированные эмиттером в базу дырки из-за наличия градиента концентрации носителей заряда (концентрация понижается в сторону коллектора) начинают перемещаться в направлении коллекторного перехода. В процессе диффузного движения дырок в базе некоторые из них рекомбинируют с электронами, образуя ток базы, остальная часть дырок достигает коллекторного перехода.

Здесь дырки втягиваются электрическим полем коллекторного перехода (в то же время это электрическое поле является препятствием для электронов со стороны базы) и проникают в коллектор, образуя ток I_К. Величина тока коллектора I_К оказывается очень близкой к величине тока эмиттера I_Э, так как область базы делается очень узкой (от нескольких мкм до десятков мкм) и при такой ширине базы число рекомбинированных дырок невелико и большая часть дырок достигает коллекторного перехода.

При увеличении толщины базы увеличивается число рекомбинаций, и ток базы возрастает, но всегда ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора:

I_Э = I_К + I_Б

И если толщина базы очень мала, то I_Б << I_К и можно считать ток коллектора приблизительно равным току эмиттера:

I_Э » I_К

Усиление электрических колебаний

С помощью транзисторов

Транзистор можно использовать в качестве усилителя или генератора колебаний. Причем сравнительно малые по отношению к радиолампам размеры транзисторов позволяют не только уменьшить размеры приборов, но и создать приборы, а также датчики к ним настолько малых размеров, что они могут безопасно вводиться внутрь различных органов или даже вживляться в ткани организма.

В схемах усилителей используется три способа включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором (рис. 3).

Рис. 3

Из рисунка видно, что база транзистора обязательно соединяется с входом усилителя, а коллектор – с его выходом. Рассмотрим работу транзистора p-n-p типа в качестве усилителя при включении его по схеме с общей базой (рис. 3а). Усиливаемое переменное напряжение U_вх включено между эмиттером и базой последовательно с постоянным напряжением E_Э. Входным током является ток эмиттера I_Э. При изменении U_вх соответственно будет меняться и I_Э по закону U_вх. Следовательно, по этому же закону будут менять свою величину ток базы I_Б и ток коллектора I_К. Изменяющийся I_К, проходя по сопротивлению нагрузки R_н, создает на нем изменяющееся падение напряжения, переменная составляющая которого через разделительный конденсатор подается на выход в виде величины U_вых. Выходной коллекторный ток I_К почти равен входному току эмиттера, и если R_н выбрать больше, чем сопротивление входной цепи, падение напряжения на нагрузке U_вых будет больше входного напряжения

U_вх при неизменной форме сигнала. Таким образом, усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано на изменении величины тока коллектора за счет изменения входного напряжения U_вх; это усилительное свойство характеризуется коэффициентом усиления по напряжению k

где R_Э - сопротивление эмиттерного перехода (десятки ом).

Так как I_Э » I_К , то .

Кроме этого, вводят еще коэффициент усиления по току a, равный отношению приращения выходного – коллекторного тока DI_К к вызвавшему это приращение изменению входного – эмиттерного тока DI_Э при постоянном напряжении на коллекторе U_K, т.е.

при U_K = const.

Для рассмотренной схемы включения с общей базой коэффициент усиления по току a всегда меньше единицы и обычно

a = 0,90 ¸ 0,99.

Отметим теперь некоторые особенности работы транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером (рис. 3 б). В этом случае входным током является ток базы I_Б, а выходным – ток коллектора I_К.

При изменении U_вх изменяется напряжение на базе транзистора. По этой причине изменяется потенциальный барьер эмиттерного перехода транзистора и происходит изменение интенсивности инжекции дырок из эмиттера в базу, т.е. изменение тока эмиттера I_Э .

В результате этого наблюдается одновременное изменение токов коллектора I_К и I_Б базы. Эти изменения синфазны, т.е. если увеличивается ток базы, то увеличивается и ток коллектора, а их величины пропорциональны. Поэтому формально для простоты рассмотрения физических процессов в транзисторе по схеме с общим эмиттером будем считать, что выходной ток – ток коллектора I_К управляется входным током – током базы I_Б, хотя физически это неверно, т.к. реальной причиной изменений тока коллектора являются изменения входного напряжения U_вх, приложенного к эмиттерному переходу. Для характеристики управляющего действия тока базы вводят один из важнейших параметров транзистора – коэффициент усиления по току b в схеме с общим эмиттером, равный отношению приращения коллекторного тока DI_К к вызвавшему его изменению тока базы DI_Б при постоянном напряжении на коллекторе:

при U_K = const.

Таким образом, процесс усиления в транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером можно формально рассматривать так: входное напряжение U_вх изменяет входной ток I_Б, а уже ток базы вызывает значительно большие изменения тока коллектора I_К, т.е. происходит усиление входного сигнала по току.

( >> 1 - примерно несколько десятков).

Ввиду наличия сопротивления нагрузки R_н изменение тока коллектора сопровождается изменением падения напряжения на этом сопротивлении. Переменная составляющая этого изменения падения напряжения через конденсатор С подается на выход усилителя в качестве выходного напряжения U_вых. И так как амплитуда тока коллектора I_К всегда больше амплитуды тока базы I_Б (b >> 1), то при достаточной величине сопротивления нагрузки R_н амплитуда выходного напряжения U_вых получается значительно больше амплитуды входного напряжения U_вх. Следовательно, в схеме с общим эмиттером сигнал усиливается по напряжению, по току и мощности P (P=U×I), тогда как в схеме с общей базой только по напряжению и по мощности.