Схема опыта по обнаружению транзисторного эффекта

Схема опыта по обнаружению транзисторного эффекта

Первый точечный транзистор

Транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый

прибор с одним или несколькими электрическими р-n переходами,пригодный

для усиления мощности, имеющий три или более выводов.

Транзисторы делятся на два класса биполярные и униполярные (полевые)

(канальные) транзисторы.

В биполярных транзисторах носителями заряда служат как электроны,так и

дырки (отсюда приставка «би»-два),в униполярных - либо электроны,либо

дырки (отсюда приставка «уни»-один).Изготавливают транзисторы из герма-

ния или кремния.Наиболее распространенными являются биполярные тр-ры.

В соответствии с чередованием областей с различными типами электропро-

водности биполярные транзисторы подразделяются на два типа:

- типа p - n - p                       

                                                Структурная схема                         УГО

- типа n - p - n                     

                                               Структурная схема                        УГО

Биполярный транзистор имеет имеет три вывода.Эмиттер,база,коллектор.

Область транзистора,излучающая (эмиттирующая) носители тока,называ-

ется эмиттером, а область собирающая носители тока,называется коллектором.

Зона,заключенная между этими областями,называется базой.

P - N переход между эмиттером и базой называется эмиттерным, а между ба-

зой и коллектором называется коллекторным.

Транзисторы принято разделять на группы так же по частоте и мощности.

Назначение и принцип работы

Транзистор или триод предназначается для коммутации электрических

сигналов,усиления их,генерирования и преобразования электрических коле-

баний.

Чтобы понять принцип работы транзистора,нужно условно соединить два

полупроводниковых диода так,чтобы их граничные участки имели одина-

ковый тип проводимости.

р р

                                                              n

Если при этом общей окажется область с р-проводимостью,то получится

транзистор со структурой n-p-n,если общая область будет с n проводимостью

то транзистор будет со структурой p-n-p.

Для получения транзистора - прибора с новыми свойствами,отличными от

составных полупроводниковых диодов необходимо среднюю зону (базу) с n

или р - проводимостью уменьшить до толщины в несколько микрон (тысяч-

ные доли миллиметра).

В исходном положении,при отсутствии внешних источников напряжения на границах обоих р-n переходов образовываются потенциальные барьеры.

Полярность эмиттерного и коллекторного переходов препятствуют движе-

нию основных носителей зарядов базы - электронов как в область эмиттера,

так и в область коллектора,а основных носителей зарядов эмиттера и коллек-

тора - дырок - в область базы. В результате,при отсутствии внешнего нап-

Его усиление.

Те дырки,которые все же рекомбинируют в области базы с электронами,

участвуют в создании тока базы I б, проходящего в цепи:+Е1,mA1,эм-р,база, mA2,ключи К2 и К1,-Е1.Следовательно ток базы равен разности тока эмиттера

и тока коллектора.               I б = I э - I к

Так,как напряжение источника питания в коллекторной цепи всегда значи-

тельно выше напряжения цепи эмиттер-база,а ток в цепи эмиттера и коллек-

тора примерно одинаковый,в выходной коллекторной цепи происходит уси-

ление мощности.        Р вых = I к · U 2 >>Р вх = I э · U 1

Вывод: в цепях эмиттера и коллектора практически протекает одинаковый

ток,который за счет большого сопротивления нагрузки в выходной коллек-

торной цепи образует мощность,в сотни раз превышающую мощность прило-

женную в эмиттерной входной цепи. Р вых = I ² к · R б-к >> Р вх = I ² э · R э-б (сопро-

тивление нагрузки выбирается равным сопротивлению коллекторного пере-

хода Rн ≈ Rб-к  с целью сохранить мощность - правило баланса мощностей)

Rб-к≈10-100кОм, Rэ-б ≈ 10-50Ом.Входное сопротивление транзистора незна-

чительное,выходное сопротивление высокое.

В дословном переводе с английского транзистор - означает трансфор-

Схема включения с ОБ

 

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ)

В схеме с ОБ входной сигнал прикладывается к выводам эмиттера и базы,а

выходной снимается с коллектора относительно базы.(сопротивление нагруз-

ки включено между выводами коллектора и базы)

Усилительный каскад,собранный по схеме с ОБ,обладает малым входным

сопротивлением (порядка единиц Ом) и большим выходным сопротивлением

(сотни килом).Низкое входное сопротивление каскада с ОБ является его су-

щественным недостатком.В многокаскадных схемах это сопротивление ока-

зывает шунтирующее действие на сопротивление нагрузки предыдущего кас-

када и резко снижает усиление этого каскада по напряжению и мощности.

Поэтому между каскадами,собранными по схеме с ОБ,приходится включать

специальные согласующие устройства (например,понижающий согласующий

трансформатор),что ограничивает применение данной схемы в усилительных

устройствах.Схема с ОБ дает усиление по напряжению до 1000 и такого же порядка усиление по мощности. K i = Δ I k / Δ I э ≈ α ≈ 0,95-0,99 < 1; K u >1; K p

Схема включения с ОЭ

   

Схема включения с ОК

Статический режим работы

Статические характеристики транзисторов,как и статические характерис-

тики электронных ламп,связывают между собой токи и напряжения различ-

ных электродов прибора. В транзисторах взаимно связаны всегда четыре ве-

личины: входные и выходные токи и напряжения.Одним семейством харак-

теристик эту зависимость показать нельзя.Поэтому необходимо пользоваться

двумя семействами статических характеристик транзистора.Наибольшее

распространение получили входные и выходные статические характери-

стики для двух основных схем с ОЭ и ОБ.

Для схемы с ОБ входная характеристика представляет собой зависимость

тока эмиттера Iэ от напряжения между эмиттером и базой Uэб при постоянной

величине напряжения между коллектором и базой Uкб 

Iэ = f(Uэ.б) при Uкб = const.

Статические характеристики транзистора для схемы с общей базой:

а) - входные; б) - выходные;

 

 

   Выходные характеристики транзистора для схемы с общей базой изоб-

ражают зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе при по-

стоянных значениях эмиттерного тока. I к = φ (U к.б) при I э = const.

Из выходных характеристик видно,что при нормальной рабочей полярнос-

ти напряжения Uк.б,когда коллекторный переход работает в обратном направ-

лени, выходные характеристики представляют собой почти прямые линии,

идущие с очень небольшим наклоном.Это обьясняется тем,что коллекторный

ток создается за счет диффузии зарядов, проникающих от эмиттера через ба-

зу к коллектору.Поэтому величина коллекторного тока определяется глав-

ным образом величиной тока эмиттера и незначительно зависит от напряже-

ния Uк.б,приложенного к коллекторному переходу.Из характеристики видно,

что даже при U к.б. =0 ток коллектора может иметь достаточно большую вели-

чину,зависящую от величины тока эмиттера.

При Iэ = 0 характеристика выходит из начала координат,а затем идет на не-

большой высоте почти параллельно оси абсцисс.Она соответствует обычной

характеристике обратного тока p-n перехода.Ток Iко,определяемый такой ха-

рактеристикой,является неуправляемым и представляет собой один из пара-

метров транзистора.Из выходных характеристик видно также,что при пере-

мене полярности напряжения Uк.б ток Iк резко уменьшается и достигает нуля

при значениях напряжения Uк.б порядка десятых долей вольта.В этом случае

коллекторный переход работает в прямом направлении и напряжение Uк.б противодействует диффузии носителей зарядов,идущих от эмиттера к кол-

лектору.При дальнейшем увеличении прямого напряжения,приложенного к

коллекторному переходу,ток через этот переход резко возрастает и идет в направлении,обратном нормальному рабочему току.При этом транзистор мо-

жет выйти из строя.Поэтому участки характеристик,показанные пунктирны-

ми линиями,не являются рабочими и обычно на грфиках не приводятся.

Для схемы с общим эмиттером статической входной характеристикой яв-

ляется график зависимости тока базы Iб от напряжения база-эмиттер Uб.э при

постоянном значении напряжения коллектор- эмиттер Uк.э.

I б = f (U б.э.) при U к.э. = const

                   

Статические характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером:

а-входные;б-выходные;

Выходные характеристики транзистора для схемы с ОЭ представляют со-

бой зависимости тока коллектора от напряжения между коллектором и эмит-

тером при постоянном токе базы I к = f (U к.э.) при I б = const.

Из характеристик видно,что с ростом напряжения Uк.э ток Iб уменьшается.

Это обьясняется тем,что при увеличении Uк.э растет напряжение,приложен-

ное к коллекторному переходу в обратном направлении,уменьшается веро-

ятность рекомбинации носителей заряда в базе,так как почти все носители

быстро втягиваются в коллектор.

Вопросы для самоконтроля

1.Назовите год создания первого точечного транзистора;

2.Дайте определение,какой эл. прибор называется транзистором;

3.Классификация транзисторов;

4.Представьте структурные схемы транзисторов;

5.Как называются выводы транзисторов;

6.Чем транзистор отличается от диода;

7.Схемы включения транзистора;

8.Обьясните,за счет чего происходит усиление сигнала в транзисторе;

9.Что показывает входная характеристика транзистора;

10.Что показывает выходная характеристика транзистора;

11.Где применяются транзисторы;

 

Полевые транзисторы

Развитие цивилизации,формирование информационного общества проис-

ходит благодаря транзистору.

Первым усилительным элементом была трехэлектродная электровакуум-

ная лампа (аудин),созданная в 1906 году американским инженером Ли де Фо-

рестом.Электровакуумная лампа обеспечивала работу электронной техники

на протяжении длительного времени,вплоть до 60-х годов 20-го века.

Однако она имела целый ряд известных недостатков.Поэтому,начиная с

20-х годов во всем мире велись поиски малогабаритного,малопотребляющего

и высоконадежного усилительного элемента,способного заменить электрон-

ную лампу.

Первыми изобретенными транзисторами,как ни странно,были полевые.

В 1928 году польский физик Юлий Эдгар Лилиенфельд,эмигрировавший в

США запатентовал принцип работы полевого транзистора, который осно-

вывался на электростатическом эффекте поля.В 1935 году в Англии получил

патент на полевой транзистор немецкий изобретатель Оскар Хейл.

Предложенные Лилиенфельдом и Хейлом транзисторы не были внедрены

в производство, из-за ошибок в конструкции.

В 1952 году Уильям Шокли - один из изобретателей биполярного транзис-

тора (в 1947 году был создан точечный биполярный транзистор.Шокли,поняв

принцип его работы создает плоскостной вариант биполярного транзистора,

который жив и сегодня и будет жить,пока существует микроэлектроника,па-

тент на него он получил в 1951 году) дал теоретическое описание констру-

кции униполярного полевого транзистора, а в 1955 году инженеры Дейси и

Росс изготовили и провели аналитическое рассмотрение характеристик тран-

зисторов,которые впоследстие получили название полевых транзисторов с

управляющим p - n переходом.

В 1960 году М.Аталла и Д.Кант предложили использовать структуру металл - диэлектрик - полупроводник, в которой проводимость поверхност-

ного канала изменялась в полупроводнике под действием напряжения,при-

ложенного к металлическому электроду,изолированному тонким слоем окис-

ла полупроводника.

Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор,в котором ток основ-

ных носителей,протекающих через канал,управляется электрическим полем.

Основа такого транзистора - созданный в полупроводнике и снабженный

двумя выводами (исток и сток) канал с электропроводностью n -или p -типа.

Сопротивлением канала управляет третий электрод - затвор,соединенный с

его средней частью p - n переходом.

Действие полевого транзистора можно сравнить с действием плотины или

крана. С помощью постоянного источника (течения реки) и плотины создан перепад уровней воды.Затрачивая небольшую энергию на вертикальное пе-

ремещение затвора,мы можем управлять потоком воды бльшой мощности,

т.е.управлять энергией мощного постоянного источника.

Полевым транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый

прибор,в котором ток создают основные носители заряда под действием про-

дольного электрического поля, а управление величиной тока осуществля-

ется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением,прило-

женным к управляющему электроду.

Все полевые транзисторы по своим конструктивным особенностям можно

разделить на две группы:

1 - полевые транзисторы с затвором в виде управляющего p - n - перехода;

2 - полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП металл-диэлект- рик-полупроводник или МОП металл-окисел-полупроводник);

 

Поле.

При подаче на затвор отрицательного смещения свободные электроны в

кремнии n -типа вытесняются (отталкиваются) из прилегающей к затвору

области,в которой образуется слой, обедненный носителями.

При достижении определенного отрицательного потенциала на затворе у

поверхности кремния накапливаются положительные заряды и в узкой

области под затвором изменяется тип проводимости кремния с электрон-

Ного на дырочный.

В результате этого образуется р-канал и две области с р-проводимостью

(истока и стока) соединяются друг с другом тонким слоем р -проводимости.

Изменяя напряжение на затворе,можно изменять количество носителей в

области канала. Следовательно, затвор регулирует ток,проходящий в ка-

нале. Транзистор работает в режиме обогащения, как биполярный.

Вопросы для самоконтроля

1.История и цель создания полевых транзисторов;

2.Какой электронный прибор называется полевым транзистором;

3.Конструкция полевого транзистора;

4.Принцип работы;

5.Как подразделяются полевые транзисторы по конструкции;

6.Конструкция и принцип работы полевого транзистора с затвором в виде

управляемого p-n перехода;

7.Конструкция и принцип работы МОП транзистора с встроенным каналом;

8.Конструкция и принцип работы транзистора с индуцированным каналом;

9.Условно-графические обозначения полевых транзисторов с управляемым р-n переходом,

МОП транзисторов с встроенным каналом и МОП тр-в с индуцированным каналом;

10.Основные параметры полевых транзисторов;

11.Основные достоинства полевых транзисторов;

12.Область применения полевых транзисторов;

 

Схема опыта по обнаружению транзисторного эффекта

Первый точечный транзистор

Транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый

прибор с одним или несколькими электрическими р-n переходами,пригодный

для усиления мощности, имеющий три или более выводов.

Транзисторы делятся на два класса биполярные и униполярные (полевые)

(канальные) транзисторы.

В биполярных транзисторах носителями заряда служат как электроны,так и

дырки (отсюда приставка «би»-два),в униполярных - либо электроны,либо

дырки (отсюда приставка «уни»-один).Изготавливают транзисторы из герма-

ния или кремния.Наиболее распространенными являются биполярные тр-ры.

В соответствии с чередованием областей с различными типами электропро-

водности биполярные транзисторы подразделяются на два типа:

- типа p - n - p                       

                                                Структурная схема                         УГО

- типа n - p - n                     

                                               Структурная схема                        УГО

Биполярный транзистор имеет имеет три вывода.Эмиттер,база,коллектор.

Область транзистора,излучающая (эмиттирующая) носители тока,называ-

ется эмиттером, а область собирающая носители тока,называется коллектором.

Зона,заключенная между этими областями,называется базой.

P - N переход между эмиттером и базой называется эмиттерным, а между ба-

зой и коллектором называется коллекторным.

Транзисторы принято разделять на группы так же по частоте и мощности.

Назначение и принцип работы

Транзистор или триод предназначается для коммутации электрических

сигналов,усиления их,генерирования и преобразования электрических коле-

баний.

Чтобы понять принцип работы транзистора,нужно условно соединить два

полупроводниковых диода так,чтобы их граничные участки имели одина-

ковый тип проводимости.

р р

                                                              n

Если при этом общей окажется область с р-проводимостью,то получится

транзистор со структурой n-p-n,если общая область будет с n проводимостью

то транзистор будет со структурой p-n-p.

Для получения транзистора - прибора с новыми свойствами,отличными от

составных полупроводниковых диодов необходимо среднюю зону (базу) с n

или р - проводимостью уменьшить до толщины в несколько микрон (тысяч-

ные доли миллиметра).

В исходном положении,при отсутствии внешних источников напряжения на границах обоих р-n переходов образовываются потенциальные барьеры.

Полярность эмиттерного и коллекторного переходов препятствуют движе-

нию основных носителей зарядов базы - электронов как в область эмиттера,

так и в область коллектора,а основных носителей зарядов эмиттера и коллек-

тора - дырок - в область базы. В результате,при отсутствии внешнего нап-