Дослідження транзистора

Завдання роботи:

1. Дослідити підсилювальні властивості транзистора.
2. Визначити коефіцієнт підсилювання транзистора.

Обладнання:

– набірне поле «Школяр»;
– міліамперметр (2 шт);
– з’єднувальні провідники;
– джерело струму.

Основні терміни та поняття

Транзистор Біполярні транзистори Біполярний транзистор (принцип дії та характеристики)

Теоретична частина

Рис. 1. Електричне коло для дослідження властивостей транзистора

Транзистор – це напівпровідниковий елемент електронної техніки, який дає можливість керувати струмом, що протікає через нього, за допомогою прикладеної до додаткового електрода напруги.
Транзистори є основними елементами сучасної електроніки. Зазвичай вони застосовуються в підсилювачах і логічних електронних схемах.
У мікросхемах у єдиний функціональний блок об’єднані тисячі й мільйони окремих транзисторів.
За будовою та принципом дії транзистори поділяють на два великі класи – біполярні та польові. До кожного з цих класів входять численні типи транзисторів, що відрізняються за будовою і характеристиками.
У біполярному транзисторі носії заряду рухаються від емітера через тонку базу до колектора. База відділена від емітера й колектора p-n переходами. Струм протікає через транзистор лише тоді, коли носії заряду інжектуються з емітера в базу через p-n перехід. У базі вони є неосновними носіями заряду та легко проникають через інший p-n перехід між базою і колектором, прискорюючись при цьому. У самій базі носії заряду рухаються за рахунок дифузійного механізму, тож база повинна бути досить тонкою. Управління струмом між емітером і колектором здійснюється зміною напруги між базою й емітером, від якої залежать умови інжекції носіїв заряду в базу.
У польовому транзисторі струм протікає від витоку до стоку через канал під затвором. Канал існує в легованому напівпровіднику в проміжку між затвором і нелегованою підкладкою, в якій немає носіїв заряду, й вона не може проводити струм. Безпосередньо під затвором існує зона збіднення, в якій теж немає носіїв заряду завдяки утворенню між легованим напівпровідником і металевим затвором контакту Шотткі. Отже, ширина каналу обмежена простором між підкладкою та зоною збіднення. Прикладена до затвору напруга збільшує чи зменшує ширину зони збіднення, а тим самим – ширину каналу, контролюючи струм.
Окрім біполярних та польових, існує багато різних типів транзисторів, специфічних за своєю будовою.
Біполярні транзистори розрізняються за полярністю: вони бувають p-n-p та n-p-n типу. Середня літера в цих позначеннях відповідає типу провідності матеріалу бази.
Польові транзистори поділяють за типом провідності в каналі: на p-канальні (основний тип провідності – дірковий) та n-канальні (основний тип провідності – електронний).
Транзистор має два основні застосування: як підсилювач і як перемикач.
Підсилювальні властивості транзистора пов’язані з його здатністю контролювати великий струм між двома електродами за допомогою малого струму між двома іншими електродами. Завдяки цьому малі зміни величини сигналу в одному електричному колі можуть відтворюватися з більшою амплітудою в іншому колі.
Використання транзистора як перемикача пов’язане з тим, що, приклавши відповідну напругу до одного з його виводів, можна зменшити практично до нуля струм між двома іншими виводами, що називають запиранням транзистора. Цю властивість використовують для побудови логічних вентилів.
У цій роботі пропонується дослідити властивості біполярного транзистора. Позначення та будова біполярних транзисторів показана на рисунку 2.

Рис. 2. Будова та позначення біполярних транзисторів:
а) n-p-n транзистор; б) p-n-p транзистор

На рисунку 3 показана схема, яка дає змогу дослідити властивості транзистора. Вона буде застосовуватися в цій роботі.

Рис. 3. Схема для дослідження транзистора

Зазначена схема є схемою підсилення із загальним емітером. Міліамперметр mA1 реєструє загальний струм, а міліамперметр mA2 – струм бази транзистора VT1. Вхідний сигнал, що подається на базу, імітується змінним резистором R1. Резистор R2 призначено для обмеження струму бази. Як навантаження схеми використовується світлодіод VD1. Струм колектора визначається за формулою:

(1)

Струм емітера складається зі струму колектора і струму бази:

(2)

Найважливішою характеристикою транзистора в цій схемі є коефіцієнт підсилення за струмом, який визначається за формулою:

(3)

Коефіцієнт підсилення за змінним струмом при нульовому опорі навантаження – це коефіцієнт передачі струму h21, що є одним з основних довідникових параметрів транзистора разом з номінальною напругою та струмом. За цими параметрами здійснюють вибір транзистора під час проектування різноманітних електронних схем.

Хід роботи

1. З набірного поля «Школяр» зберіть електричне коло відповідно до рисунку 1, керуючись також схемою на рисунку 3.
2. З’єднайте міліамперметри з зібраним колом.
3. Установіть на джерелі живлення напругу 5 В, вимкніть його та з’єднайте з зібраним електричним колом, дотримуючись полярності.
4. Установіть ручку змінного резистора в одне з крайніх положень.
5. Увімкніть джерело живлення.
6. Зчитайте показання міліамперметрів та занесіть їх до таблиці результатів.
7. За допомогою змінного резистора змінюйте струм бази та зафіксуйте показання міліамперметрів ще у 5-ти положеннях ручки резистора, зокрема в іншому крайньому. Результати вимірювань заносьте до таблиці.
8. Вимкніть джерело живлення.
9. Повторіть досліди, замінивши світлодіод у схемі лампою розжарювання.

Аналіз даних

1. За формулою (1) розрахуйте струм колектора.
2. За формулою (2) розрахуйте струм емітера.
3. За формулою (3) розрахуйте коефіцієнт підсилення.
4. Побудуйте графіки залежності коефіцієнту підсилення від струму бази та від струму колектора.
5. Дійдіть висновків про значення коефіцієнту підсилення транзистора та його залежності від струмів у схемі.

Таблиця результатів