Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению лабораторной работы № 103
СНЯТИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО
ТРАНЗИСТОРА
Мариуполь, 2010
УДК 538.915
Методические указания к выполнению лабораторной работы № 103 «Снятие характеристик полупроводникового транзистора»/ Сост. Е.В.Цветкова.-Мариуполь: ПГТУ, 2010,-14с.
Содержат основные теоретические положения по свойствам контактных явлений на границе двух полупроводников разного типа проводимости, свойствам и использованию р-п-р перехода, описание электрической схемы, методики измерений и определения характеристик полупроводникового транзистора.
Составитель доц. Цветкова Е.В.
Рецензент ст.преп. Джеренова А.В.
Ответственный за выпуск проф. Коляда Ю.Е.
Утверждено на заседании кафедры физики
протокол № 5 от 24 ноября 2010г.
Цель: изучить свойства р-п-р перехода и на практике получить характеристики транзистора.
Указания по подготовке к работе: проработайте данное руководство; изучите лекционный материал по теме «Полупроводники, полупроводниковые устройства (диоды и транзисторы)»; изучите работу экспериментальной установки; ответьте на контрольные вопросы.
Краткое теоретическое введение
Полупроводниковые триоды, или как их называют, транзисторы, способны выполнять ряд функций обычной электронной лампы, а в некоторых случаях решать специфические задачи, которые не могут быть осуществлены с помощью ламп.
Транзисторы обладают рядом преимуществ перед электронной лампой: малыми размерами, долговечностью, высокой механической прочностью, экономичностью (не требуют электроэнергии на накал) и т.п. Поэтому, не смотря на определенные технические трудности при их изготовлении, они получили весьма широкое распространение в качестве усилителей, генераторов колебаний, смесителей и т.д.
Рассмотрим кратко те физические процессы в полупроводниках, которые используются при работе транзистора. Известно, что в зависимости от природы примесей основными носителями тока в полупроводнике являются электроны или «дырки», в первом случае полупроводник и его проводимость называют электрон ными (п – типа, донорными), во втором - дырочными (р – типа, акцепторными). Например, присутствие в германии атомов мышьяка создает электронную проводимость, а примесь атомов индия – дырочную [1-3].
Рассмотрим, что будет происходить, если привести в контакт (сплавить) полупроводники разного типа проводимости (р и п) между собой. На границе их соприкоснове ния, которую называют р-п переходом, имеет место диффузионный переход "дырок" в п-область и электронов в р-область. Такое перемещение свободных зарядов создает в узком приконтактном слое толщиной 10-4 – 10-6 см электрическое поле, препятствующее дальнейшей диффузии зарядов. Кроме того, т.к. при встрече элек трона с "дыркой" имеет место их рекомбинация, эта область ока зывается обедненной носителями тока по сравнению с основной толщей полупроводника, т.е. она будет иметь повышенное электрическое сопротивление.
Образовавшийся в р-п переходе слой называется запирающим. Он подобен конденсатору с собственным (внутренним) полем напряженностью Евнутр, направленным от полупроводника п-типа к полупроводнику р-типа. В итоге выравнивания уровня Ферми в единой системе контактирующих полупроводников (рис. 1) в области р-п перехода образуется потенциальный барьер высотой qUk и в область р-типа могут проникнуть только электроны, энергия которых больше qUk .
При включении р-п перехода в цепь внешне го источника с напряжением U можно изменить высоту потенциального барьера: увеличить q(Uk+U), если напряженность внешнего поля совпадает по направлению с напряженностью внутреннего поля (запирание перехода) и уменьшить q(Uk -U), если напряженность внешнего поля навстречу внутреннему полю перехода (пропускание тока или прямое подключение р-п перехода). В первом случае полупроводник п-типа подключается к положительному полюсу источника тока, во втором – к отрицательному.
В итоге, вольтамперная характеристика р-п перехода имеет вид , где Js - дрейфовый ток неосновных носителей заряда (для п-области неосновными являются дырки, а для р-области – электроны).
Свойство односторонней проводимости р-п перехода определяет его назначение: полупроводниковые диоды используются как выпрямители электрического тока (выпрямление до 99% в схемах диодных мостов).
Принцип действия полупроводникового триода (транзистора).
Полупроводниковый триод можно рассматривать как систему из двух р-п переходов (двух диодов, соединенных последова тельно навстречу друг другу. Эту систему называют р-п-р (или п-р-п ) переходом (рис. 2). Триод состоит на двух слоев примесного полупроводника од ного типа, разделенных прослойкой того же полупроводника дру гого типа проводимости.
Эта прослойка имеет форму тонкой пленки значительной пло щади сечения и поэтому рассматриваемые триоды называют плоскостными, в отличие от точечных триодов, в которых площадь сечения р-п-р перехода является весьма незначительной. Прин цип действия плоскостных и точечных триодов одинаков.
Рис.2. Схематическое (а) и условное (б) изображение транзисторов. Э-эмиттер; Б-база; К-коллектор.
Рассмотрим механизм усиления тока триодом на примере р-п-р транзистора.
Триод, (рис. 3), включается в цепь с двумя источниками ЭДС (Еэ , Ек), причем, их полярность такова, что левый (р-п переход) , включен в пропускном направлении, а правый (п-р) – в запирающем. Их называют, соответственно, эмиттерным и коллек торным переходами. Аналогично электрод (левый), к которому приложен положительный потенциал, называется эмиттером, а пра вый - с отрицательным потенциалом, - коллектором. Средний электрод, присоединенный к п - области, называется базой или основанием.
Поскольку сопротивление эмиттерного перехода мало (про пускное направление), то, естественно, для получения допустимых токов не требуется большой ЭДС, она невелика и составляет, обычно, доли вольта. ЭДС источника Ек - равна десяткам вольт, т.к. коллекторный переход является запорным.
Рис.3. Принцип действия полупроводникового триода.
При включенном напряжении Еэ между эмиттером и базой, в эмиттерном переходе будет создано электрическое поле, и в п-прослойку из р-области будут переходить «дырки». При этом эмиттер как бы впрыскивает (или, как говорят, инжектирует), «дырки» в базу. В этом отношении он подобен катоду электронной лампы.
Если включено также напряжение Ек между коллектором и базой, то тем самым будет создано электрическое поле между эмиттером и коллектором. Под действием этого поля «дырки», инжектированные в базу, будут продолжать своё движение по направлению к коллекторному переходу и, дойдя до него, будут втянуты в коллектор.
Следует иметь в виду, что коллекторный переход не препятствует, а помогает указанному (слева направо) движению «дырок». Он является запорным только для перемещения «дырок» в обратном направлении из коллектора в базу и удерживает переход электронов из базы в коллектор.
При изменении тока эмиттера Iэ на величину ∆Iэ , будет на такую же величину меняться и ток коллектора ∆Iк. Это изменение обуславливается увеличением или уменьшением количества «дырок», попадающих из эмиттера в коллектор. Таким образом, с помощью транзистора (при указанной на рис. 3 схеме включения), нельзя получить усиления по току. В действительности, благодаря частичной рекомбинации «дырок» в базе (см. ниже), ∆Iк будет даже несколько меньше ∆Iэ.
Однако, сопротивление коллекторного перехода (он включен в запорном направлении), значительно больше сопротивления эмиттерного (пропускное направление). Практически, их сопротивления составляют, соответственно, величины, порядка 105 и 10 Ом. Поэтому, хотя изменения токов ∆Iк и ∆Iэ, примерно, одинаковы, то при указанном различии в сопротивлениях небольшие колебания напряжения на эмиттере вызовут весьма значительные изменения (∆U=R∆I) напряжения на коллекторе. Практически, триод усиливает напряжение (и мощность), в тысячи раз.
В описанном выше механизме перемещения «дырок» через р-п-р переход не учтено одно важное обстоятельство. Предполагалось, что все «дырки», инжектированные в п- область «без потерь» доходят до коллекторного п-р перехода, затем, втягиваются в коллектор, т.е. не учитывалась рекомбинация при их движении через п-область полупроводника, в которой носителями тока являются электроны.
Для того, чтобы р-п-р переход мог выполнять функции электронной лампы – триода, необходимо свести к минимуму рекомбинацию «дырок» при их прохождении через п-область. Это требование является основным при выборе материала для транзистора и для технологии его изготовления.
Уменьшение рекомбинации «дырок» в базе достигается таким образом:
Характеристики поликристаллических полупроводников не удовлетворяют этому условию.
На практике не представляет особых трудностей выполнить для многих полупроводников требование 1 и 2. Однако, требованию 3 удовлетворяют очень немногие полупроводники. Вот поэтому в настоящее время транзисторы изготовляются только из германия и кремния.
Полупроводниковый триод, как усилитель.
Рис.4. Принципиальная схема триода с общим эмиттером.
Существует три основных схемы усилителей по типу подключения: с заземлённым коллектором, с заземлённым эмиттером и с заземлённой базой (основанием).
В настоящей работе для снятия характеристик используется германиевый триод (МП-39Б) с р-п-р переходом, включённый по схеме с заземлённым эмиттером. Принципиальная схема такого усилителя представлена на рис. 4.
Целью настоящей работы является снятие следующих характеристик полупроводникового триода:
Iк=f(Uk), при Uэ=const.
Iк=f(Uэ), при Uк=const.
Iб=f(Uэ), при Uк=const.
Рис.5. Рис.6.
Рис.7.
После построения графической зависимости для указанных выше вольтамперных характеристик (их вид показан на рис. 5, 6, 7), необходимо на графиках выбрать участки, наиболее близкие к прямолинейным (это соответствует режиму работы триода в радиотехнических схемах) и определить следующие величины:
Для выполнения работы используется схема с общим эмиттером (рис. 8). Схема дается в готовом (собранном), виде.
Рис. 8.
В схеме используются следующие приборы:
- германиевый транзистор МП-39Б;
- Ак - миллиамперметр на 7,5 мА для измерения тока через коллектор;
- Аб - микроамперметр на 500 мкА для измерения тока через базу;
- Vk - вольтметр на 7,5 В для измерения напряжения между коллек-
тором и базой;
- Vэ - вольтметр на 1,5 В для измерения напряжения между эмиттером и базой;
- Rк - сопротивление на 580 Ом;
- R1 и R2 - потенциометры, которые подключаются, соответственно, к селеновому выпрямителю (6 В) и кенотронному выпрямителю (60В);
- К1 и К2 - ключи
Категорически запрещается увеличивать ток коллектора Iк свыше 20 мА.
Порядок выполнения работы
Затем устанавливая последовательно показания вольтметра на 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 В, снимите, соответственно, показания миллиамперметра Ак, (при этом необходимо будет менять последовательно пределы измерения прибора от 1,5мА до 7,5мА).
Не забывайте при измерениях каждый раз следить за тем, чтобы напряжение на эмиттере Uэ было равно 0,15 В.
Данные занесите в таблицу 1.
|
Таблица 1. Iк=f(Uk) при Uэ=0,15В. |
||||||||
|
Uк , В |
||||||||
|
Iк, мА |
Таблица 1. Iк=f(Uk) при Uэ=0,2В.
|
Uк , В |
||||||||
|
Iк, мА |
На основании полученных данных постройте зависимость Ik(Uk)
(рис.5).
5. Замкните ключ К2 и с помощью потенциометра R2 установите напряжение на коллекторе Uк = 5 В. В последующем, перед каждым измерением проверьте значение Uк и в случае изменения поддерживайте его 5 В.
6. Замкните ключ К1 и с помощью потенциометра R1 установите показания вольтметра Vэ на 0,08 В. После этого замерьте показания тока через коллектор Iк и тока через базу Iб. Затем повторите измерения Iк и, меняя показания вольтметра Vэ через 0,02В до 0,28В.
Данные измерения запишите в таблицу 2.
Таблица 2 при напряжении Uк=5 В.
|
Uэ , В |
||||||||||
|
Iк , мА |
||||||||||
|
Iб, мкА |
Таблица 2 при напряжении Uк=5 В.
|
Uэ , В |
||||||||||
|
Iк , мА |
||||||||||
|
Iб, мкА |
следующей формуле: γ = S Rвых .
Указания по оформлению отчета.
Отчет должен содержать:
- электрическую схему;
- таблицы измерений;
- графики, построенные на миллиметровке с обозначенными на них участками ΔI и ΔU соответствующие дальнейшим расчетам;
- расчеты характеристик транзистора;
- выводы по работе.
Контрольные вопросы
характеристики.
12. Применение полупроводниковых диодов и транзисторов.
Литература.
PAGE 2
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4
EMBED Equation.DSMT4
Рис.1