Изучение свойств P-N-перехода различными методами

величину , то и обратный через стабилитрон ток возрастёт на некоторую величину . Это вызовет уменьшение дифференциального сопротивления стабилитрона на величину . Уменьшение же сопротивления приведёт к уменьшению напряжения на электродах стабилитрона, а, значит, и на нагрузке. В результате питаемое нагрузку напряжение останется равным .

Транзистор

Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, способный работать в ключевом или усилительном режимах. В отличии от диода, транзистор имеет два p-n-перехода, между которыми располагается полупроводник, например, p-типа, а по обе стороны от p-n-переходов – кристаллы полупроводника n-типа. Такие транзисторы называются транзисторами n-p-n типа (рис. 6. а.). Если между p-n-переходами располагается полупроводник n-типа, а по обе стороны от p-n- переходов – полупроводники p-типа, то такой транзистор называют транзистором p-n-p типа (рис. 6. б.). Центральная область транзистора называется базой, а крайние области – эмиттером и коллектором. В функции эмиттера входит вводить (эмитировать) в базу дырки (в транзисторе p-n-p типа) или электроны (в транзисторе n-p-n типа), а функции коллектора – собирать эти заряды. Графическое обозначение транзисторов разной структуры показано на рисунке 7.

Легко заметить, что такая комбинация полупроводников напоминает два диода с общим анодом (n-p-n) или катодом (p-n-p). Такая аналогия вполне справедлива и на практике позволяет легко тестировать транзистор на предмет его работоспособности при помощи обычного омметра.

Рассмотрим в общих чертах работу транзистора p-n-p типа. Пусть сначала цепь эмиттер-база разомкнута, а между коллектором и базой приложено обратное напряжение порядка десяти вольт. В этом случае p-n-переход окажется запертым, и в коллекторной цепи будет протекать обратный ток незначительной величины, являющийся важной характеристикой транзистора.

Теперь между эмиттером и базой приложим прямое напряжение порядка единиц вольт. Поскольку эмиттер содержит значительно больше атомов примеси, чем база, то концентрация дырок в эмиттере больше, чем в базе. Так как напряжение приложено к p-n-переходу в прямом направлении, то в цепи эмиттер-база протекает ток значительной величины даже при небольшом значении приложенного напряжения. В базе некоторая часть дырок рекомбинирует со свободными электронами, убыль которых пополняется новыми электронами, поступающими из внешней цепи, образуя в ней ток базы . В базе вследствие диффузии большая часть дырок доходит до коллекторного перехода и под действием электрического поля источника проникает через p-n-переход в коллектор. В результате в цепи база-коллектор возникает ток того же порядка, что и на участке эмиттер-база. Отношение приращения коллекторного тока к соответствующей величине приращения эмиттерного тока при постоянном напряжении на коллекторе называется коэффициентом передачи тока:

(при )

и является одной из важнейших характеристик любого транзистора.

Из сказанного следует, что коэффициент передачи тока всегда меньше единицы и принимает значение порядка 0,9-0,99.

Принцип действия транзистора n-p-n- типа полностью аналогичен рассмотренному. В транзисторе n-p-n типа под действием напряжения между эмиттером и базой эмитируются электроны из области n в область p. Полярность источников и в этом случае должна быть обратной по сравнению с той, которая имела место при рассмотрении принципа действия транзистора p-n-p типа.

Как было сказано выше, транзистор может быть использован в качестве усилителя напряжения, тока или мощности. При этом усиливаемый сигнал подаётся на два электрода транзистора (вход), а усиленный сигнал снимается тоже с двух электродов (выход). Таким образом, один электрод является общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой из электродов является общим, различают три схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК) и с общей базой (ОБ).

При включении транзистора по схеме ОЭ (рис. 8. а.) напряжение питания прикладывается между эмиттером и коллектором, в цепь которого включается сопротивление , служащее нагрузкой усилителя. Усиливаемый сигнал прикладывается между заземлённым эмиттеров и базой через конденсатор связи , препятствующий проникновению на базу транзистора постоянной составляющей усиливаемого сигнала. Усиленный сигнал снимается с эмиттера и коллектора транзистора. Схема ОЭ позволяет достигать 10-200-кратного усиления сигнала по напряжению и 20-100-кратного усиления по току (зависит от усилительных свойств транзистора).

Существенным недостатком такого включения транзистора является его малое входное сопротивление (всего 500-1000 Ом), что значительно затрудняет согласование каскадов, собранных по схеме ОЭ. Объясняется это тем, что эмиттерный переход в этом случае оказывается включённым в прямом направлении, в результате чего сопротивление перехода, зависящее от величины прикладываемого напряжения, очень мало. Выходное же сопротивление схемы ОЭ велико (2-20 кОм) и зависит не только от усилительных свойств транзистора, но и от сопротивления нагрузки .

При включении транзистора по схеме ОК (рис. 8. б.) усиливаемый сигнал прикладывается между базой и эмиттером через резистор , выполняющий функции нагрузки транзистора. Именно с него и снимается усиленный сигнал. Такая схема включения транзистора даёт усиление по напряжению меньше единицы, а по току коэффициент усиления может достигать той же величины, что и при включении по схеме ОЭ. Поскольку транзистор в этом случае не даёт усиления по напряжению, а только как бы повторяет его на выходе (эмиттере), транзистор, включаемый по схеме ОК, также называют эмиттерным повторителем. Важным достоинством такой схемы включения транзистора является большая величина его входного сопротивления (10-500 кОм), что хорошо согласуется с высоким выходным сопротивлением схемы ОЭ.

Чтобы разобраться в причинах, по которым транзистор, включаемый по схеме ОК, не усиливает напряжения, вновь обратимся к рисунку 8. б. Резистор , показанный пунктиром (в состав схемы ОК он не входит) представляет собой эквивалент внутреннего сопротивления источника усиливаемого сигнала (например, микрофона). Через это сопротивление усиленный сигнал с нагрузки через сопротивление подаётся на базу в противофазе. В результате между эмиттерной и базовой цепями возникает сильная отрицательная обратная связь, сводящая усиление каскада по напряжению на нет.

При включении транзистора по схеме ОБ (рис. 8. в.) база через конденсатор соединена с эмиттерной цепью, то есть с общим, заземлённым проводом. Усиливаемы сигнал через конденсатор связи подаётся одновременно и на базу и на эмиттер транзистора, а усиленный сигнал снимается с коллектора и заземлённой базы, которая, таким образом, служит общим электродом входной и выходной цепей каскада. Схема ОК даёт усиление по току меньше единицы, а по напряжению примерно такое же, как и при включении транзистора по схеме ОЭ (10-200 раз). Поскольку входное сопротивление схемы ОК очень невелико (30-100 Ом), её обычно используют в генераторах электрических колебаний, в аппаратуре радиоуправления моделями и пр..

Оптимальный режим работы транзистора, включённого в ту или иную цепь, во многом определяется его, так называемыми, входными и выходными статическими характеристиками. Входной характеристикой транзистора называется функциональная зависимость тока базы от напряжения между базой и эмиттером при фиксированном напряжении между коллектором и эмиттером :

.

Графически эта зависимость для транзистора p-n-p типа, включённого по схеме ОЭ, показана на рисунке 9. При малых значениях между базой и эмиттером ток базы растёт медленно, но по мере возрастания напряжения крутизна кривой увеличивается и характеристика выходит на линейный участок. Как видно из рисунка, угол наклона линейных участков характеристики зависит от величины выходного напряжения .

Выходная характеристика транзистора представляет собой функциональную зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированной величине тока базы :

.

Графически выходные характеристики для транзистора p-n-p типа, включённого по схеме ОЭ, представлены на рисунке 9.

СПОСОБЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Снятие ВАХ диода при помощи вольтметра и амперметра

На рисунке 4 изображена принципиальная схема, позволяющая исследовать ВАХ p-n-перехода, функции которого выполняет полупроводниковый диод Д. Показанное на схеме включение реостатов и позволяет осуществлять плавную регулировку напряжения на электродах диода в большом диапазоне значений. Двухполюсной ключ К предназначен для изменения полярности питающего цепь напряжения. Так как диод представляет собой последовательное соединение полупроводника и запирающего слоя, а вольтметр фиксирует полное падение напряжения (не только на запирающем слое), то выражение (2), вообще говоря, следует записывать так:

, (3)

где – напряжение на электродах диода, – падение напряжения на слое полупроводника сопротивлением R. Согласно (2) и (3) при (в прямом направлении) и при больших значениях величина , и формулы могут быть переписаны в виде:

, (4)

то есть с ростом напряжения ток возрастает экспоненциально.

При ещё большем напряжении, когда падение напряжения на слое полупроводника становится соизмеримым с падением напряжения на электродах диода, следует писать:

, (5)

Дифференцируя выражение (3) по и исключая из производной напряжение , можно убедиться, что при большом прямом токе характеристика становится линейной и дифференциальное сопротивление диода устремляется к постоянной величине:

. (6)

Если сопротивление запирающего слоя много больше сопротивления полупроводника, то, пренебрегая величиной и логарифмируя выражение (2), получаем линеаризованную ВАХ диода:

, (7)

которая позволяет экспериментально определить величину коэффициента (ток насыщения при этом определяется по ВАХ, показанной на рисунке 3).

Схема экспериментальной установки изображена на рисунке 4. Реостаты и предназначены для плавной регулировки напряжения на электродах диода Д в широких пределах. Ключ К предназначен для изменения полярности напряжения. Снятие ВАХ рекомендуется начинать с максимальной величины обратного тока (правое по схеме положение ключа К) в сторону уменьшения. По достижении =0 следует при помощи переключателя К изменить полярность напряжения и продолжать снимать зависимость вплоть до величины .

В ходе работы при пользовании ключом следует помнить о соблюдении полярности измерительных приборов.

Снятие ВАХ диода при помощи осциллографа

Схема экспериментальной установки показана на рисунке 5. Питание цепи осуществляется от ЛАТРа через понижающий трансформатор Тр. На электродах диода действует переменное напряжение, которое подаётся на горизонтально отклоняющие пластины электронного осциллографа ЭО. На вертикально отклоняющие пластины осциллографа подаётся напряжение с резистора R. Поскольку это напряжение пропорционально силе тока в цепи, то вертикальное отклонение электронного луча осциллографа позволяет измерять силу тока, соответствующую разности потенциалов на электродах диода (см. лабораторную работу «Изучение электронного осциллографа»).

Снятие ВАХ диода при помощи операционного усилителя

При измерении силы тока посредством амперметра последний вносит в цепь некоторое дополнительное сопротивление (внутреннее сопротивление амперметра), что приводит к изменению режима работы цепи и, следовательно, к возникновению систематической погрешности измерений. Избежать этого можно, используя при измерении силы тока операционный усилитель с бесконечно малым внутренним сопротивлением.

Операционный усилитель представляет собой усилитель постоянного тока с большим (более ) коэффициентам усиления, который схемах с обратной связью может выполнять математические операции (сложение, умножение, интегрирование и пр.) над напряжением, подаваемым на его вход. На рисунке 6 показан традиционный способ включения операционного усилителя DA для измерения тока. Поскольку потенциалы точек a и b практически одинаковы, то падения напряжения на участке ab не возникает и режим работы цепи не нарушается. Измеряемый ток равен току I через резистор R обратной связи, что позволяет, зная величину этого сопротивления и измерив напряжение на выходе операционного усилителя, можно определить ток в изучаемой цепи:

.

Схема экспериментальной установки по изучению ВАХ p-n-перехода показана на рисунке 7. В качестве сопротивления обратной связи здесь используется сопротивление p-n-перехода, функции которого выполняет полупроводниковый диод VD. При снятии прямой ветви ВАХ в цепь при помощи ключа К включается резистор , а при снятии обратной ветви – резистор ( и полярность диода меняется на обратную).

Поскольку потенциалы точек a и b равны нулю, то напряжение U на диоде VD равно напряжению на выходе операционного усилителя. Ток через диод равен току через последовательно включённый резистор или , так как входная цепь операционного усилителя тока не потребляет. Согласно сказанному выше, ток I через диод VD можно определить, измерив напряжение U, подаваемое на резисторы или с потенциометра R по формуле:

,

где при снятии прямой ветви ВАХ и - при снятии обратной ветви.

Снятие ВАХ стабилитрона

Снятие ВАХ стабилитрона может быть осуществлено аналогично описанному для диода с учётом иной полярности включения и крутизной ветвей характеристики. Однако на практике обычно оказывается достаточным точно знать величину напряжения стабилизации стабилитрона . Остальные его предельные параметры (минимальный и максимальный токи стабилизации, максимально допустимые прямое и обратное напряжения) берутся из справочников. Определить величину напряжения стабилизации конкретного стабилитрона можно при помощи схемы, показанной на рисунке …. Работает она аналогично рассмотренной выше. Плавно изменяя напряжение на электродах стабилитрона, следят за показаниями вольтметра, которые сначала возрастают, а затем остаются неизменными. Это напряжение и есть напряжение стабилизации.

Снятие статических характеристик транзистора

Принципиальная схема простейшего устройства для снятия входных и выходных характеристик транзистора показана на рисунке …. Резисторы и предназначены для плавной регулировки напряжения на базе транзистора, а резисторы и обеспечивают возможность грубой и точной регулировки напряжения между коллектором и эмиттером. Порядок работы со схемой следующий:

1. При разомкнутой входной цепи устанавливают напряжение на коллекторе = -8 В и измеряют начальный обратный ток коллектора .

2. Устанавливают значение = 0 В и, изменяя напряжение между базой и эмиттером от нуля до 250 мВ с шагом 50 мВ, измеряют ток базы .

3. Повторяют измерения при напряжениях = -5 В и = -10 В.

4. По полученным данным строят три входные статические характеристики транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером. Результаты измерений удобно заносить в следующую таблицу:

№	= 0 В		= -5 В		= -10 В
	, мВ	, мкА	, мВ	, мкА	, мВ	, мкА
1
2
3
…

5. Устанавливают ток базы = 50 мкА и, изменяя напряжение на коллекторе от нуля до –12 В с шагом 1 В, измеряют ток коллектора.

6. Повторяют измерения при токах базы = 100 мкА и = 150 мкА.

7. Результаты измерений заносят в нижеприводимую таблицу, по которой строят три выходные характеристики транзистора .

№	= 50 мкА		= 100 мкА		= 150 мкА
	, В	, мА	, В	, мА	, В	, мА
1
2
3
…

ВЫПРЯМЛЕНИЕ ТОКА

Способность диода проводить электрический ток только в одном направлении может быть использована при выпрямлении переменного тока. Наибольшее распространение на практике получили две схемы выпрямления переменного тока: однополупериодная и двухполупериодная (или мостовая).

На рисунке 6 а показана схема однополупериодного выпрямителя, который представляет собой всего один диод, включённый последовательно с нагрузкой . В течение второй половины периода на аноде диода действует положительный полупериод напряжения, а на катоде – отрицательный. При этом диод открывается и через него, а значит и через нагрузку , протекает ток. В течение второй половины периода, когда на аноде диода действует отрицательный полупериод напряжения, а на катоде – положительный, диод закрыт и ток через нагрузку практически не течёт (при этом через нагрузку протекает обратный ток диода, значительно меньший прямого). Таким образом диод, отсекая отрицательные полупериоды переменного тока, пропускает через нагрузку пульсирующий ток одного направления (в течение положительных полупериодов переменного напряжения). На рисунке 7 показаны графики временной зависимости переменного тока и выпрямленного (пульсирующего) тока, протекающего через нагрузку. Однополупериодный выпрямитель обеспечивает частоту пульсаций тока, равной частоте переменного тока.

Мостовая схема выпрямления тока представляет собой четыре диода, соединённых по схеме, показанной на рисунке 6 б. Принцип действия мостового выпрямителя состоит в следующем. В течение первой половины периода переменного напряжения открытыми оказываются только диоды Д1 и Д3. При этом ток протекает через диод Д1, нагрузку и диод Д3 (сплошные стрелки на рисунке). В течение второй половины периода открытыми оказываются диоды Д2 и Д4, а диоды Д1 и Д3 – закрыты. Теперь ток протекает через диод Д2, нагрузку и диод Д4 (пунктирные стрелки на рисунке). В результате через нагрузку протекает ток в течение обоих полупериодов переменного напряжения. При этом направление тока