Съдържание

IEPhO 2018, Експеримент, 9–10 клас — Задача 3. Транзистор

Оригинал на условието (PDF)Съобщи за грешка

Всички материали от IEPhO 2018

Транзистор — IEPHO 2018

Внимание: Бележка към темата

Сохранены оба полных архивных решения «Транзистор»:9 и10 классы, каждое со своими исходными схемами и графиками. Условие в папках9/d3 и10/d3 совпадает побайтно и не печатает класс. Ранее связанный файл «Фотометр»,10 класс, относится к другой задаче и исключён из решения; исходный исторический файл сохранён. Отдельная официальная публикация ключей не установлена, решения атрибутированы архиву.

Примечание к архивным решениям

Оба источника сохраняют печатные формулировки пунктов2–3 «при нулевом напряжении 3 В между стоком и затвором» и «при нулевом напряжении - 3 В между стоком и затвором», хотя условие и подписи схем задают напряжение затвор–исток. В пункте2 дана ссылка на рисунок4, но соответствующая схема подписана «Рис.3». Эти расхождения не исправлялись. Сами измерения, схемы, числовые таблицы и результаты обоих источников сохранены отдельно; баллы и критерии в исходных четырёхстраничных решениях не напечатаны.

Условие

Погрешности в задаче оценивать не требуется!

Условное обозначение полевого транзистора: окружность с вертикальным каналом, слева к нему подходит вывод со стрелкой, подписанный «G затвор»; верхний вывод справа подписан «D сток», нижний — «S исток». — Рис. 1. Обозначение полевого транзистора

Теоретическая справка

Полевой транзистор — электрический прибор, вольт-амперная характеристика между двумя контактами которого управляется напряжением на третьем контакте.

Управляющий контакт носит название затвор, остальные два контакта носят название сток и исток. Характерные сопротивления между затвором и истоком, затвором и стоком очень велики, но характерное сопротивление между стоком и истоком мало.

При больших положительных значениях напряжения между стоком и истоком $U_{DS} = \phi_D - \phi_S > 0$ значение силы тока $I_{DS}$ , протекающего от стока к истоку, практически перестает зависеть от $U_{DS}$ . Данное значение силы тока называют током насыщения.

Задание

Важно! В пунктах 1-3 используйте один батарейный отсек для подачи напряжения между стоком и истоком.

Важно! Подвижный контакт потенциометра - нижний!

1. Измерьте вольт-амперную характеристику транзистора $I_{DS}(U_{DS})$ между стоком и истоком при подаче нулевого напряжения $U_{GS}$ между затвором и истоком. Определите ток насыщения $I_{\text{нас}1}$ .

2. Измерьте вольт-амперную характеристику транзистора $I_{DS}(U_{DS})$ между стоком и истоком при подаче напряжения $U_{GS} = \phi_G - \phi_S = 3\ \mathrm{В}$ (подключении батарейного отсека) между затвором и истоком. Определите ток насыщения $I_{\text{нас}2}$ .

3. Измерьте вольт-амперную характеристику транзистора $I_{DS}(U_{DS})$ между стоком и истоком при подаче напряжения $U_{GS} = \phi_G - \phi_S = -3\ \mathrm{В}$ между затвором и истоком. Определите ток насыщения $I_{\text{нас}3}$ .

4. Нанесите измеренные вольт-амперные характеристики на один график. За положительное направление тока $I_{DS}$ примите направление сток-исток.

5. Придумайте и зарисуйте схему, позволяющую измерять зависимость тока насыщения $I_{\text{нас}}$ от напряжения $U_{GS}$ между затвором и истоком. Снимите эту зависимость и постройте ее график. При каком напряжении $U_0$ между затвором и истоком ток насыщения становится равным нулю?

Оборудование.

Два мультиметра, два батарейных отсека с батарейками, транзистор, соединительные провода, потенциометр.

Решение

9 класс — Транзистор. Решение

1. Для измерения вольт-амперной характеристики транзистора между стоком и истоком при нулевом напряжении между истоком и затвором соберем схему, изображенную на рисунке 2.

Исходная схема: затвор соединён с истоком; вольтметр включён между стоком и истоком, амперметр последовательно; потенциометр и батарейный отсек задают напряжение. — Рис. 2. Установка для измерения вольт-амперной характеристики между стоком и истоком и нулевом напряжении между затвором и истоком

2. Для измерения вольт-амперной характеристики транзистора между стоком и истоком при нулевом напряжении 3 В между стоком и затвором немного модифицируем схему, добавив еще один батарейный отсек (рисунок 4).

Схема с дополнительным батарейным отсеком между затвором и истоком; положительный полюс присоединён к затвору. Сохранены амперметр, вольтметр, потенциометр и основной батарейный отсек. — Рис. 3. Установка для измерения вольт-амперной характеристики между стоком и истоком при $U_{GS}=3\ \mathrm{В}$

3. Для измерения вольт-амперной характеристики транзистора между стоком и истоком при нулевом напряжении - 3 В между стоком и затвором немного модифицируем схему, поменяем полярность добавленного батарейного отсека (рисунок 4).

Схема с обратной полярностью дополнительного батарейного отсека: положительный полюс соединён с истоком, отрицательный — с затвором. Остальные приборы и соединения сохранены. — Рис. 4. Установка для измерения вольт-амперной характеристики между стоком и истоком при $U_{GS}=-3\ \mathrm{В}$

4. Нанесем измеренные вольт-амперные характеристики на график.

U, В	I, мА
2.97	13.7
2.58	13.4
2.00	13.0
1.83	12.9
1.40	12.4
1.19	12.1
1.06	11.9
0.84	11.3
0.70	10.8
0.58	10.1
0.49	9.4
0.43	8.7
0.39	8.2
0.33	7.4
0.30	6.9
0.26	6.1
0.23	5.7
0.20	5.1
0.16	4.1
0.10	2.8
0.00	0.0
−0.11	−3.7
−0.14	−4.8
−0.18	−6.0
−0.22	−7.7
−0.28	−10.0
−0.32	−11.7
−0.37	−13.9
−0.43	−16.8
−0.53	−21.2
−0.61	−24.5
−0.79	−29.6
−1.08	−35.3
−1.59	−40.7

$U_{GS}=0\ \mathrm{В}$

$I_{\text{нас}1}=13{,}7\ \mathrm{мА}$

U, В	I, мА
2.50	45.2
2.40	45.2
2.30	45.0
2.20	44.7
2.00	44.2
1.90	43.8
1.80	43.4
1.70	43.0
1.60	42.5
1.40	41.3
1.30	40.4
1.20	39.5
1.10	38.3
1.00	36.7
0.90	35.0
0.80	32.9
0.70	30.2
0.60	27.5
0.50	24.4
0.40	20.3
0.30	16.4
0.20	11.5
0.10	5.9
0.00	0.0
−0.10	−6.4
−0.20	−11.6
−0.30	−16.7
−0.40	−20.5
−0.50	−24.7
−0.60	−27.6
−0.70	−30.5
−0.80	−32.8
−0.90	−35.1
−1.00	−37.0
−1.10	−38.5
−1.20	−39.9
−1.30	−41.1
−1.50	−43.0
−1.60	−43.8
−1.70	−44.4
−1.90	−45.6
−2.10	−46.6
−2.20	−47.6
−2.40	−48.1

$U_{GS}=3\ \mathrm{В}$

$I_{\text{нас}2}=45{,}2\ \mathrm{мА}$

U, В	I, мА
2.80	0.0
2.50	0.0
2.00	0.0
1.50	0.0
1.00	0.0
0.50	0.0
0.00	0.0
−0.50	0.0
−1.00	0.0
−1.50	0.0
−2.00	0.0
−2.20	0.0
−2.30	−0.2
−2.40	−0.9
−2.50	−2.2
−2.60	−4.0
−2.72	−6.8

$U_{GS}=-3\ \mathrm{В}$

$I_{\text{нас}3}=0{,}0\ \mathrm{мА}$

Три измеренные вольт-амперные характеристики на одном графике: U от −3 до3 В, I от −50 до50 мА; сохранены все точки, сетка, оси, деления, подписи и стрелки. — График зависимости I от U

5. Для измерения зависимости тока насыщения от напряжения затвор-исток соберем схему, изображенную на рисунке 5.

Два батарейных отсека; потенциометр изменяет напряжение затвор-исток, которое измеряется вольтметром; амперметр включён в цепь стока. — Рис. 5. Схема для измерения зависимости тока сток-исток от напряжения затвор-исток.

Измерения занесем в таблицу и построим график исследованной зависимости. Так как измерить напряжение между затвором и истоком, при котором ток через транзистор пропадает, напрямую невозможно, экстраполируем полученный график до пересечения осью напряжений. Откуда найдем напряжение, при котором ток через транзистор не течет. $U_0\approx-0.6\ \mathrm{В}$ .

$U_{GS}$ , В	$I_{\text{нас}}$ , мА
3.03	49.7
2.87	49.2
2.45	47.5
2.17	46.4
1.74	44.7
1.55	44.0
1.25	42.6
1.03	41.5
0.84	40.4
0.56	37.1
0.39	29.9
0.22	22.2
0.06	15.7
0.00	13.7
−0.16	8.6
−0.34	4.0
−0.42	2.3
−0.47	1.6
−0.50	1.2

Полная таблица19 измерений UGS и тока насыщения и исходный график этих точек с экстраполяцией к U0 около−0.6 В; сохранены обе оси, единицы, все деления и строки. — График зависимости $I_{\text{нас}}$ от $U_{GS}$

10 класс — Транзистор. Решение