Транзистор КТ312 — структуры n-p-n, эпитаксиально-планарный, кремниевый, универсальный. Применяется в генераторах, усилителях и различных переключающих устройствах. Имеет металлостеклянный корпус, выводы — гибкие. Тип указан на корпусе. Весит не более 1 г.
КТ312 цоколевка
Цоколевка КТ312 показана на рисунке.
Цель практических занятий: базируясь на лекционном материале закрепить изучение физических основ и принцип действия полупроводниковых приборов, являющихся основными элементами современной электроники, изучить основные параметры и характеристики полупроводниковых приборов, знать их условное обозначение и назначение.
Пример проведения практического занятия
Определение положения уровня Ферми
Для собственного полупроводника уравнение электронейтральности приобретает вид
p — n = 0 или p = n. Если ширина запрещенной зоны полупроводника достаточно велика (Eg много больше kT) и если эффективные массы электронов mn и дырок mp одного порядка, то уровень Ферми будет достаточно удален от краев зон (EC — F > 2kT и F — EV > 2kT) и полупроводник будет невырожденным.
Подставляя 
(1.10) и 
(1.13) в уравнение
p + pD — n — nA = 0, имеем:
(1.20)
Отсюда вычисляем F. Уравнение (1.20) — это уравнение первого порядка относительно exp(F/kT). Это дает
(1.21)
где через Ei = (1/2)*(EV + EC) обозначена энергия середины запрещенной зоны. При выводе правого выражения для F величина (NC/NV) была заменена на (mn/mp) с помощью уравнения (1.11). Для случая mn* = mp* энергия Ферми в собственном полупроводнике находится посреди запрещенной зоны F = (EC + EV)/2. Положение уровня Ферми зависит от того, какие другие величины заданы. Если известны концентрации носителей заряда в зонах n и p, то значение F можно определить из формул (1.10) и (1.13). Так, для невырожденного полупроводника n-типа имеем:
(1.22)
Аналогично для невырожденного полупроводника p-типа
(1.23)
Из выражений (1.22 и 1.23) видно, что чем больше концентрация основных носителей, тем ближе уровень Ферми к краю соответствующей зоны. Для донорного полупроводника n0 = ND (1.17), тогда
(1.24)
Для акцепторного полупроводника p0 = NA (1.19), тогда
(1.25)
Найти положение уровня Ферми в собственном Германии при 300 К, если известно, что ширина его запрещенной зоны 
∆Е=0,665 эВ, а эффективные массы плотности состояний для дырок валентной зоны и для электронов зоны проводимости соответственно равны: mp=0,388 mo и mn= 0,55mo, где mo – масса свободного электрона.
Положение уровня Ферми в собственном полупроводнике определяется выражением
, где
— эффективные плотности состояний для дырок в валентной зоне и для электронов в зоне проводимости соответственно. Вычислим их значения в нашем случае.
Положение уровня Ферми относительно потолка валентной зоны определится как
Уровень Ферми лежит выше потолка валентной зоны на 0,326 эВ . Результаты расчета, таким образом показывают. Что уровень Ферми приближается к той зоне, плотность состояний которой имеет меньшую плотность и поэтому заполняется быстрее.
Примеры задач, закрепляющих теоретические рассмотрения характеристик полупроводниковых приборов
По вольт-амперной характеристике кремниевого выпрямительного диода КД103А при t = 20 °С (рис. 1.1) определить сопротивление постоянному току при прямом включении для напряжений
Uпр = 0,4; 0,6; 0,8 В. Построить график зависимости R0 = f (Uпр) .
Используя вольт-амперную характеристику диода КД103А при t = 20 °С (рис. 1.1), определить сопротивление постоянному току при обратном включении для напряжений Uобр = – 50; –100; – 200 В.
Построить график зависимости R0 = f (Uобр).
Рис. 1.1. Вольт-амперная характеристика диода
Построить зависимость сопротивления постоянному току диода КД103А при прямом включении от температуры окружающей среды, используя характеристики, представленные на рис. 1.1, для прямого напряжения Uпр = 0,4; 0,6; 0,8 В.
Построить график зависимости сопротивления постоянному току диода КД103А при обратном включении от температуры окружающей среды, используя вольт-амперные характеристики рис. 1.1, для обратного напряжения Uобр= – 50; – 100 В.
По вольт-амперным характеристикам диода КД103А (рис. 1.1) определить изменения прямого тока при изменении температуры от – 60 до + 120 °С для значений прямого напряжения Uпр = 0,4; 0,6; 0,8; 1 В.
По вольт-амперным характеристикам диода КД103А (рис.1.1) определить изменения обратного тока при изменении температуры от – 60 до + 120 °С для значений Uпр= – 50; – 100; – 200 В.
Для транзистора КТ312А мощность, рассеиваемая на коллекторе, P к = 225 мВт. Используя семейство выходных характеристик транзистора КТ312А в схеме с общим эмиттером (рис. 1.2), определить рабочую область, учитывая, что наибольшее допустимое напряжение на коллекторе Uк = 20 В.
Рис 1.2. Выходные характеристики транзистора КТ312А в схеме с общим эмиттером
Для транзистора КТ312А статический коэффициент усиления тока базы h21э = 10 : 100. Определить, в каких пределах может изменяться коэффициент передачи тока эмиттера h21б.
По семейству выходных характеристик транзистора КТ312А в схеме с общим эмиттером (рис. 1.2) определить значения коэффициентов усиления тока базы h21э при напряжении на коллекторе Uк = 15 В для токов базы IБ = 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 мА.
Построить график зависимости h21э = f(Uк).
Используя семейство выходных характеристик транзистора КТ312А в схеме с общим эмиттером (рис.1.2), определить выходное сопротивление транзистора при токе базы IБ = 0,6 мА и напряжениях на коллекторе Uк = 5; 10; 15 В.
Построить график зависимости Rвых = f(Uк).
Для транзистора КТ339А, включённого по схеме с общей базой, при изменении тока эмиттера на 10 мА ток коллектора изменяется на 9,7 мА. Определить коэффициент усиления по току для транзистора в схеме с общим эмиттером.
Задача № 12
В каком направлении включается коллекторный p-n–переход в транзисторе:
в) это зависит от типа кристалла;
г) это зависит от схемы включения транзистора.
По вольт-амперным характеристикам (рис. 1.6.) определите тип полупроводникового прибора.
Рис. 1.6. Вольт-амперная характеристика
По вольт-амперной характеристике выпрямительного диода, изображённой на рис. 1.7, определите сопротивление диода по постоянному току при включении тока в прямом и обратном направлении, если к диоду приложено напряжение Uпр = 0,5 В и Uобр = – 50 В.
Рис. 1.7. Вольт-амперная характеристика
Какие виды пробоя диода вы знаете?
Какие диоды используются для генерации электрических колебаний:
г) для генерации электрических колебаний диоды не используются.
У какого транзистора входное сопротивление максимальное:
а) у биполярного;
б) у полевого с затвором в виде р-n–перехода;
в) у МДП–транзистора;
Нарисуйте три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).
Какие приборы называют оптронами (оптопарами)?
Ответ
Задача №5 (Варианты 1-10)
Для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, используя входную и выходные характеристики, определить коэффициент усиления h21Э, значение напряжения на коллекторе Uкэ мощность на коллекторе Рк, если дано напряжение на базе Uб (В), значение сопротивления нагрузки Rк (кОм) и напряжение источника питания Ек (В). Данные для своего варианта взять из таблицы.
Рис. Схема включения транзистора по схеме с ОЭ.
Номер вариантаUбэ, ВRк, кОмEк, В 10,40,0540 20,150,240 30,150,140 40,10,0540 50,15140 60,251020 70,30,120 80,3540 90,25140 100,2120
Задача №5 (Варианты 11-20)
Для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, заданы напряжение на базе Uбэ (В), напряжения на коллекторе Uкэ (В) и напряжение источника питания Ек (В). Определить, используя входную и выходные характеристики, ток коллектора Iк, коэффициент усиления h21Э, сопротивления нагрузки Rк и мощность на коллекторе Рк. Данные для своего варианта взять из таблицы.
Рис. Схема включения транзистора по схеме с ОЭ.
Номер вариантаUбэ, ВUкэ, ВEк, В 110,42040 120,21540 130,22040 140,251040 150,21540 160,251020 170,3520 180,32040 190,31540 200,251020
Задача №5 (Варианты 21-30)
Для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, определить по выходным характеристикам коэффициент усиления h21Э, значение сопротивления нагрузки Rк и мощность на коллекторе Рк для значений тока базы Iб, если напряжение на коллекторе Uк (В) и напряжение источника питания Ек (В). Данные для своего варианта взять из таблицы.
Рис. Схема включения транзистора по схеме с ОЭ.
Номер вариантаIб, мА (мкА)Uкэ, ВEк, В 2122040 2212540 2361540 24102040 250,61540 26201020 270,51020 28601540 291002040 301501020
Рис. Входная и выходные характеристики транзистора (вариант 1,11,21).
Рис. Входная и выходные характеристики транзистора (вариант 2,12,22).
Рис. Входная и выходные характеристики транзистора (вариант 3,13,23).
Рис. Входная и выходные характеристики транзистора (вариант 4,14,24).
Рис. Входная и выходные характеристики транзистора (вариант 5,15,25).
Рис. Входная и выходные характеристики транзистора (вариант 6,16,26).
Рис. Входная и выходные характеристики транзистора (вариант 7,17,27).
Рис. Входная и выходные характеристики транзистора (вариант 8,18,28).
Рис. Входная и выходные характеристики транзистора (вариант 9,19,29).
Рис. Входная и выходные характеристики транзистора (вариант 10,20,30).
Задачи по транзисторам:
Для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, определить коэффициент усиления по его входной характеристике и выходным характеристикам, если В; В. подсчитать также коэффициент передачи по току и мощность на коллекторе.
Решение. 1. По входной характеристике определяем при В ток базы: =500 мкА.
2. По выходным характеристикам для В и =500 мкА определяем ток коллектора: мА.
3. На выходных характеристиках строим отрезок АВ, из которого находим:
4. Определяем коєффициент усиления:
5. Определяем коєффициент пердачи по току
6. Определяем мощность на коллекторе
Для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, найти ток базы , ток коллектора и напряжение на коллекторе , если напряжение В; напряжение питания В; сопротивление нагрузки в цепи коллектора кОм. Входная и выходная характеристики транзистора приведены на рисунке.
Перед решением этого примера приведём некоторые пояснения. Для коллекторной цепи усиленного каскада в соответствии со вторым законом Крихгофа можно написать уравнение
т.е. сумма напряжений на резисторе и коллекторного напряжения всегда равна — э.д.с. источника питания.
Расчёт такой нелинейной цепи, т.е. определение и для различных значений токов базы и сопротивления резистора можно произвести графически. Для этого на семействе выходных характеристик необходимо провести из точки на оси абсцисс вольтамперную характеристику резистора , удовлетворяющую уравнению
Эту характеристику удобно строить по двум точкам: при =0 на оси абсцисс и при =0 на оси ординат.
Построенную таким образом вольт-амперную характеристику коллекторного резистора называют линией нагрузки. Точки её пересечения коллекторными выходными характеристиками дают графическое решение уравнения для данного резистора и различных значений тока базы .
Решение. 1. Откладываем на оси абсцисс точку 20В, а на оси ординат – точку соответствующую =20/800=0,025 А=25 мА. Здесь =0,8 кОм=800Ом.
2. Соединяем эти точки прямой и получаем линию нагрузки.
3. Находим на выходной характеристике для В ток базы =250 мкА.
4. Находим на выходных характеристиках точку А при пересечении линии нагрузки с характеристикой, соответствующей =250 мкА.
5. Определяем для точки А ток коллектора=17мА и напряжение В.
Мощность на коллекторе транзистора Вт, напряжение на коллекторе В напряжение питания В. Используются выходные характеристики, определить ток базы ,ток коллектора , коэффициент усиления и сопротивления нагрузки .
