ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
Цель работы: Изучение принципа работы полупроводниковых приборов на примере биполярного и полевого транзисторов. Экспериментальное и компьютерное исследование их вольт-амперных характеристик и расчет основных h-параметров.

1. 
   Полупроводниковые диоды
   

Диодами называют двухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью тока. В полупроводниковых диодах односторонняя проводимость обуславливается применением полупроводниковой структуры, сочетающей в себе два слоя, один из которых обладает дырочной (p), а другой электронной (n) проводимостью.

А p n К А К

Принцип действия полупроводникового диода основывается на специфике процессов, протекающих на границе раздела р- и n- слоев, в так называемом электронно-дырочном p-n-переходе.

В германиевых и кремниевых диодах двухслойная p-n-структура создается введением в один из слоев монокристалла акцепторной примеси, а в другой – донорной примеси. На практике наибольшее распространение получили p-n-структуры с неодинаковой концентрацией акцепторных и донорных примесей, т.е. с неодинаковой концентрацией основных носителей заряда в слоях р_р и n_n. Типичными являются структуры с р_р » n_n. На примере германия принято следующее распределение концентраций: р_р = 10¹⁸ см ^–3, n_n = 10¹⁵ см ^–3. Концентрация собственных носителей заряда в германии при 20ºС n_i = 2,5 · 10¹³ см ^–3.

В p-n-структуре на границе раздела слоев АВ (рис.1) возникает разность концентраций одноименных носителей заряда. В приграничной области под действием разности концентраций возникает диффузионное движение основных носителей заряда во встречном направлении через границу раздела. Дырки из р-области диффундируют в n-область, электроны из n-области – в р-область.

При уходе дырок из р-области в ней создается нескомпенсированный отрицательный объемный заряд за счет оставшихся отрицательных ионов акцепторных атомов примеси. Электроны, ушедшие из n-слоя оставляют здесь нескомпенсированный положительный объемный заряд. Наличие объемного заряда является главной особенностью p-n-перехода.

A

- + +

p - + + n

- + +

- + +

B

p_p 10¹⁸

n_i n_n 10¹⁵

n_p 10⁹ p_n 10¹²

x
q +

x

_

Е

x

φ x

φ_o Рис. 1

Ввиду наличия объемного заряда в р-n-переходе создаётся электрическое поле и разность потенциалов.

Толщина слоя объемного заряда составляет доли микрометров. Внутреннее электрическое поле объемных зарядов с потенциальным барьером φ_о создает тормозящее действие дальнейшего диффузионного процесса. При комнатной температуре для германия φ_о = 0,3 ÷ 0,5 В, а для кремния φ_о = 0,6 ÷ 0,8 В.

Рассмотрим случай, когда внешнее напряжение подключено к p-n- структуре в прямом направлении, т.е. плюсом источника к выводу p-области, а минусом источника к выводу n-области. При таком подключении источника создаваемое им электрическое поле направлено противоположно внутреннему полю, что приводит к уменьшению результирующего поля в p-n-переходе. Уменьшение потенциального барьера облегчает переход основных носителей заряда под действием поля через границу раздела.

+

- +

p - + n

- +

 x

φ_o-U_a

φ_o
φ_o+U_a a)
I_a
Рис. 2

I_o

U_a б)

ΔU_a

С повышением приложенного внешнего напряжения, диффузионный ток увеличивается (т.к. уменьшается потенциальный барьер), в связи с чем возрастает прямой ток через p-n-переход. Примерный вид прямой ветви вольтамперной характеристики p-n- перехода показан на рис. 2б.

При подключении к диоду источника внешнего напряжения в обратном направлении (рис.2а) потенциальный барьер возрастает на величину U_а и становится равным φ_о+U_а. При этом увеличивается объемный заряд в p-n-переходе и его ширина. Возросший потенциальный барьер затрудняет прохождение через p-n-переход основных носителей заряда, вследствие чего диффузионный ток уменьшается. Дрейфовый ток, обусловленный неосновными носителями заряда, остается неизменным.

Прямой ток диода создается основными носителями заряда, а обратный – неосновными. Концентрация основных носителей заряда на несколько порядков превышает концентрацию неосновных носителей. Этим и обуславливаются вентильные свойства p-n-перехода, а следовательно и диода. Проведенному теоретическому анализу вольт-амперной характеристики диода соответствует ее запись в аналитической форме:
, называемая уравнением Шокли. При 20˚С = 0,026 В.
По конструктивно-технологическим признакам диоды подразделяются на точечные и плоскостные, сплавные и диффузионные, по функциональному назначению и принципу образования p-n-перехода – на выпрямительные, импульсные, туннельные, диоды Шотки, стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и т.д.
Выпрямительные диоды. Это диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока в постоянный, к быстродействию, емкости p-n-перехода и стабильности параметров которого не предъявляют высоких требований. Их выполняют на сплавных и диффузионных несимметричных p-n-переходах. Они характеризуются малым сопротивлением в прямом направлении и позволяют пропускать большие токи (до десятков и сотен ампер) при допустимых обратных напряжениях до 1000 В. Емкость p-n-перехода из-за большой его площади относительно велика (десятки пикофарад), и, следовательно, переходные процессы протекают относительно долго.

Импульсные диоды. Диоды, предназначенные для работы в импульсных цепях, должны иметь малую длительность переходных процессов, что можно обеспечить лишь уменьшением емкости p-n- перехода. Уменьшение емкости достигается за счет сокращения площади p-n-перехода. Однако это уменьшает теплоотвод, и естественно допустимые мощности рассеяния (30 – 40 мВт).

Переходные процессы в диоде заключаются в следующем. При подаче к диоду импульса напряжения прямой полярности происходит инжекция неосновных носителей (дырок) из р-области в n-область и диод переходит из запертого состояния в открытое. Этот процесс определяет время установления прямого тока t_уст. (рис. 3).

i

t_уст I_прям.

0,1 I_пр. t
i_обр.

t_вост. Рис. 3

При изменении полярности импульса напряжения требуется время для рассасывания неосновных носителей из n-области и восстановления исходного состояния. Это рассасывание происходит как за счет рекомбинации дырок с электронами, так и за счет возвращения дырок в свою р-область. Этот процесс характеризуется временем восстановления обратного сопротивления t_вост . Это время в течение которого обратный ток уменьшается до 0,1 I_пр .

Учитывая важность переходных процессов для оценки работы импульсных диодов, они (в дополнение к параметрам выпрямительных диодов) характеризуются временами t_уст и t_вост , а также емкостью p-n-перехода С_д и максимальным прямым импульсным напряжением U_пр.max .

Диоды Шотки. Металлополупроводниковые диоды (диоды Шотки), у которых выпрямляющий переход представляет собой тонкую пленку молибдена или алюминия, нанесенную на пластинку кремния методом вакуумного испарения, обладают емкостью, не превышающую 0,01пкФ, что обеспечивает время их переключения доли наносекунды и предельную частоту работы десятки гигагерц. Благодаря меньшему прямому напряжению 0,3 В, вместо 0,7 В у диодов с p-n-переходом, они обеспечивают более высокий КПД. Условное обозначение диода Шотки отличается от выпрямительного и импульсного.

Стабилитроны. Это диоды, использующие участок вольт-амперной характеристики p-n-перехода соответствующий обратному электрическому пробою. Работу стабилитрона иллюстрирует приведенная схема и вольтамперная характеристика (рис. 4).
R_o U_ст I

U

U_вх I_ст U_ст

ΔI_ст

А I_ст

Рис. 4

ΔU_ст

Во избежании теплового пробоя последовательно со стабилитроном всегда включают резистор R_о, ограничивающий ток I_ст, который является обратным током для p-n-структуры стабилитрона.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона . Если напряжение U_вх может меняться в обе стороны от своего среднего значения, то точку “А” выбирают на середине вольт-амперной характеристики стабилитрона, причем

Перейдя к приращениям, запишем , а подставив ΔΙ_ст из выражения r_диф , получим: , откуда .

При видно, что и стабильность выходного напряжения тем лучше, чем больше отношение .

Основными параметрами стабилитрона являются:

U_ст – напряжение стабилизации;

I_ст – минимальный ток стабилизации;

I_{max ст} – максимальный ток стабилизации;

r_диф – дифференциальное сопротивление;

Р_max – максимальная мощность рассеяния;

α_ст – температурный коэффициент стабилизации.

Выпускаются кремниевые стабилитроны на напряжение стабилизации от 1,3 до 400 В и на мощности от 250 мВт до 50 Вт.

Варикапы. Это полупроводниковые диоды, у которых используется барьерная емкость запертого p-n- перехода, зависящая от значения приложенного к варикапу обратного напряжения. Внешнее обратное напряжение, втягивая электроны в глубь n-области, а дырки в глубь p-области, расширяет p-n-переход, и в соответствии с выражением изменяет барьерную емкость от параметра d. Основной характеристикой варикапа является зависимость его емкости от значения обратного напряжения – вольт-фарадная характеристика (рис. 5).
С пФ

Рис. 5 0 U_обр, В

10В

Основными параметрами варикапов являются номинальная емкость и диапазон ее изменения, а также допустимое обратное напряжение и мощность. Варикапы применяются для электрической настройки колебательных контуров в радиоаппаратуре.

Туннельные диоды. Так называют диоды, основанные на туннельном эффекте, который наблюдается в p-n-структуре с настолько большим содержанием примесей, что полупроводник приобретает свойства, близкие к металлам.

Явление, заключающееся в том, что электрон, имеющий энергию, недостаточную для преодоления потенциального барьера p-n- перехода, все же проходит через него, если с другой стороны барьера имеется такой же свободный энергетический уровень, который занимал электрон перед барьером, называют туннельным эффектом.

Вероятность туннельного перехода тем выше, чем уже p-n- переход и меньше его потенциальный барьер. В туннельных диодах благодаря высокой концентрации примесей толщина p-n-перехода составляет 0,01мкм, что в десятки раз меньше, чем у диодов других типов, поэтому туннельный эффект в них ярко выражен и приводит к своеобразному виду вольтамперной характеристики (рис. 6).

I_пр

+

U₀ I_п А C

R₁

I_a

R₂

+

U_вх. U_вых.

I_в B

_ U₁ U_п U_в U_pp U_пр

Рис. 6

Туннельный диод не обладает односторонней проводимостью.

Основные параметры туннельных диодов: пиковый ток I_п и напряжение пика U_п; ток впадины I_в и напряжение впадины U_в; напряжение раствора U_рр.

Падающий участок АВ характеристики диода можно рассматривать как дифференциальное отрицательное сопротивление. На этом свойстве основано применение этих диодов для создания генераторов и переключающих схем.

2. Биполярные транзисторы
Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с тремя выводами, имеющий два взаимодействующих электронно-дырочных перехода, которые образованы между тремя областями с чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы p-n-p- и n-p-n- типов.

Средняя область называется базой (Б). Переход, к которому приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а соответствующую наружную область – эмиттером (Э). Другой переход, смещенный в обратном направлении, называют коллекторным, а соответствующую наружную область – коллектором (К).

Ge n Б Э n p

p p
Э K n
I_n I_n K

а) б)

Б

Рис. 7

При изготовлении транзистора методом вплавления (рис.7а), базой его служит пластинка германия или кремния, например n-типа, на которую с двух сторон наплавляют капли акцепторной примеси, например индия.

В приграничных слоях между германием и индием образуются p-области, представляющие эмиттер и коллектор, расстояние между которыми (толщина базы) очень маленькое.

Кроме того, концентрация атомов примеси в области базы должна быть во много раз ниже, чем в области эмиттера. Это условие очень важно для работы транзистора.

Более совершенным является диффузионный метод изготовления транзисторов, при котором в пластинке кремния n-типа (рис.7б) с помощью фотолитографии формируют базовую и эмиттерную области, коллектором в такой n-p-n-структуре служит исходная пластинка кремния n-типа.

Рассмотрим принцип действия транзистора на примере p-n-p- структуры. Между базой и эмиттером к транзистору подают прямое напряжение U_бэ, для которого эмиттерный переход открыт и, следовательно, под действием напряжения в доли вольта через него потечет значительный прямой ток эмиттера I_э.
Э Б К Э Б К

p n p p n p
I_э I_к I_к

I_э

+ _ _ +

U_бэ I _б + U_бк U_бэ I_б U_бк

_ + _

Э К Э К

Б

а) Б б)

Рис. 8

В транзисторах концентрация носителей в базе во много раз ниже, чем в эмиттере, поэтому ток I_э создается в основном дырками, инжектированными эмиттером в базу.

Введенные в базу дырки пытаются рекомбинировать со свободными электронами базы, но так как последних мало, а область базы узкая, подавляющее большинство дырок успевает пройти через базу и достигнуть коллекторного p-n-перехода, прежде чем произойдет рекомбинация. Небольшая же часть рекомбинированных дырок создает ток базы I_б (рис.8а).

Пройдя к коллектору, дырки начинают испытывать ускоряющее действие p-n-перехода коллектора. Это поле для дырок является ускоряющим, и они вытягиваются из базы в коллектор, “собираются им”, создавая ток коллектора I_к.

Учитывая небольшой процент дырок, рекомбинирующих с электронами в базе, можно считать, что , где =0,95  0.99 – коэффициент передачи тока эмиттера.

Так как напряжение U_бк является обратным, оно в десятки раз может превышать напряжение U_бэ, которое, будучи прямым, является входным для транзистора и определяется вольтамперной характеристикой p-n-перехода. Входной ток транзистора I_э и его выходной ток I_к примерно равны. Поэтому мощность на выходе схемы U_бк·I_к может оказаться намного больше, чем затрачиваемая во входной цепи U_бэ·I_э. Это положение определяет усилительные свойства транзистора.

Принцип действия транзистора n-p-n-типа отличается только тем что носителями зарядов в нем служат не дырки, а свободные электроны (рис.8б).

Для исследования свойств транзистора приложим входное напряжение U_бэ и измерим выходной ток I_к как функцию выходного напряжения U_кэ.

I_к >0

I_б>0

+ +

U_бэ U_кэ

_ I_э _

Путем ступенчатого повышения входного напряжения получим семейство выходных характеристик (рис.9а).

I_к mA U_бэ=700mВ I_к mA

30 ΔI_кэ 30

ΔU_кэ U_кэ=const
U_бэ=680mВ

15 15

U_бэ=640mВ
U_бэ=620mВ

5 10 U_кэ,В 0,2 0,4 0,6 U_бэ,В

а) б)

Рис. 9

Особенностью транзистора является тот факт, что коллекторный ток мало изменяется после достижения U_кэ – определенного значения. Напряжение, при котором характеристика имеет изгиб, называется напряжением насыщения. Другой особенностью является то, что малого изменения входного напряжения оказывается достаточно для того, чтобы вызвать относительно большое изменение коллекторного тока. Это видно на проходной характеристике, изображенной на рис.9б, которая представляет собой зависимость I_к от U_бэ. Проходная характеристика транзистора, как и диода, имеет вид экспоненциальной функции , где I_s – обратный ток коллектора. Изменение коллекторного тока I_к в зависимости от U_бэ характеризуется крутизной S:

, при U_кэ=const. Эту величину можно рассчитать, используя теоретическую зависимость I_к(U_бэ): . Таким образом, крутизна пропорциональна коллекторному току и не зависит от индивидуальных свойств каждого транзистора, поэтому для ее определения не требуется измерений.

Зависимость коллекторного тока от напряжения U_кэ характеризуется дифференциальным выходным сопротивлением , при U_бэ=const. С высокой точностью сопротивление r_кэ обратно пропорционально I_к, т.е. - где коэффициент пропорциональности. U_у называется напряжением Эрли. Его можно определить, измерив r_кэ. Типовое значение U_у находится в пределах 80÷200 В для n-p-n-транзисторов и 40÷150 В для p-n-p- транзисторов.

Для описания входной цепи транзистора как нагрузки, соединенной с входным источником напряжения, вводят дифференциальное входное сопротивление , при U_кэ = const. Его можно определить по входной характеристике I_б = f(U_бэ) (рис.10).

I_б μА

100

ΔI_б

50. 
    ΔU_бэ
    

U_бэ, В

0,3 0,6

Рис.10

Эта характеристика, как и проходная характеристика, описывается экспоненциальной функцией.

Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом статического усиления по току. Однако пропорциональность имеет место только в ограниченной области тока, так как β зависит от I_к.

Дифференциальный коэффициент усиления по току в рабочей точке определяется выражением при U_кэ= const. Зная β и крутизну можно рассчитать входное сопротивление r_бэ: . При малых сигналах транзисторы характеризуются коэффициентом обратной передачи по напряжению: при I_б=const. Абсолютное значение его не превышает 10^-4. Поэтому, влиянием обратной передачи практически можно пренебречь. При высоких частотах обратную передачу все же приходится учитывать.
Транзистор как активный четырёхполюсник

При исследованиях и расчетах удобно рассматривать транзистор как усиливающее мощность устройство, на входе которого действуют напряжение U₁ и ток I₁, а на выходе – напряжение U₂ и ток I₂. Такую модель называют активным четырехполюсником. Так как транзистор имеет только три вывода, один из них должен быть общим для цепей входа и выхода. На рис.11а представлена схема с О.Э. (общим эмиттером).

I_к I_б˝ I_б ΔU_кэ

ΔI_б ΔU΄_бэ

I₁ I₂ ΔI΄_к I΄_б I΄_б

U₁ U₂ ΔI_к Р I_б

P ΔU_кэ

а) ΔU_бэ

U΄_кэ U˝_кэ U_кэ U_бэ

б) в)

Рис. 11

Если принять в качестве независимых переменных I₁ и U₂, то U₁ и I₂ являются функциями U₁=f₁(I₁,U₂); I₂=f₂(I₁,U₂). Дифференцируя U₁ и I₂ по I₁ и U₂, получим систему двух уравнений:

Обозначим:

Подразумевая под U₁, I₁, U₂ и I₂ малые приращения их постоянных значений или амплитуды их переменных составляющих, дифференциальные уравнения с учетом обозначений можно переписать в виде:

.

Коэффициенты, входящие в эту систему, называются h – параметрами, имеющими определенный физический смысл: при U₂=0 – входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе, его можно вычислить, если источник напряжения U₂ подключить к выходу и измерить U₁ на входных зажимах. при I₁=0 – коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе. при U₂=0 – коэффициент усиления по току. при I₁=0 – выходная проводимость транзистора при разомкнутом входе.

Значения h – параметров транзистора зависят от схемы его включения (ОБ, ОЭ, ОК).

Порядок расчета h – параметров

Рассмотрим порядок расчета h – параметров для схемы с общим эмиттером. Параметры h₂₂ и h₂₁ определяют по входным характеристикам в заданной или выбранной точке Р (рис.11б).

Для этого при неизменном токе базы I_б΄ задают приращение ΔU_кэ=U˝_кэ-U΄_кэ, находят при этом приращении тока ΔI_к и определяют выходную проводимость транзистора при I_б=const. Обратная величина h₂₂ дает выходное сопротивление r_кэ.

При постоянном напряжении U΄_кэ=const задают приращение тока базы , определяют приращение тока ΔI_к΄ и рассчитывают коэффициент передачи тока базы (коэффициент усиления по току β):

при U΄_кэ=const.

Параметры h₁₁ и h₁₂ определяют по входным характеристикам (рис.11в). Для этого в той же рабочей точке Р (U΄_кэ, I΄_б) задают приращение ΔI_б (симметрично по обе стороны от точки Р на кривой с отметкой U΄_кэ=const), находят получившееся при этом приращение ΔU_бэ и вычисляют входное сопротивление транзистора:

при U΄_кэ=const.

Наконец, при постоянном токе базы I_б΄ задают приращение напряжения , определяют получающееся при этом приращение ΔU΄_бэ и находят коэффициент обратной связи по напряжению:

при I_б΄=const.
Униполярные (полевые) транзисторы
Полевой транзистор – это трехэлектродный полупроводниковый прибор, в канале которого, представляющем полупроводник лишь одного типа проводимости, ток создается внешним продольным приложенным напряжением, а управление сечением накала (а, значит, и проходящим по нему током) осуществляется за счет эффекта поля, создаваемого поперечным напряжением, приложенным к управляющему электроду – затвору.

Все полевые транзисторы делят на две группы: полевые транзисторы с управляющим p-n- переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором. В обеих группах полевых транзисторов электроды называют истоком И (соответствует эмиттеру Э биполярного транзистора), затвором З (соответствует базе Б) и стоком С (соответствует коллектору К).

На рис.12а схематически изображен полевой транзистор с p-n- переходом и каналом n-типа.

+ - З I_c mA U_зи= 0

15 U_зи= -1

И р С

n n-p 10

n-p ΔI΄_c U_зи= -2 ΔU_зи

p R_н

5 ΔU_си ΔI_c

I_c U_зи= -3
- + 5 10 U_си, В

а) б)

I_c

I_си С

15 З n-канальный
10 И г)

5 С

р-канальный
U_отс -3 -2 -1 U_зи З И д)

в)

Рис.12
Исток, сток и затвор (образованный параллельно соединенными р-областями) включаются в цепь с помощью омических выводов с n-и р-областями. Подача на затвор отрицательного напряжения относительно истока приводит к обеднению электронами участков канала примыкающих к затвору. Ширина p-n-перехода возрастает, а сечение канала уменьшается, что приводит к увеличению его сопротивления.

Рассмотрим выходные характеристики полевого транзистора (рис.12б). При малых значениях напряжения между стоком и истоком U_си ток I_с пропорционален напряжению U_си и определяется исходным сечением канала. С увеличением его положительный потенциал, приложенный к стоку, являясь обратным для p-n- переходов, расширяет их в области, примыкающей к стоку, в результате чего канал принимает форму воронки у стокового конца с повышенным сопротивлением для тока I_с. В итоге наступает режим насыщения (рис.12б).

При подаче на затвор отрицательного напряжения U_зи исходное сечение канала уменьшается, и режим насыщения наступает раньше. Поэтому выходные характеристики лежат ниже.

Зависимость тока на выходе I_с от напряжения на входе называется проходной, передаточной или стокозатворной характеристикой (рис.12в). Напряжение U_зи, при котором канал полностью перекрывается (I_с = 0), называется напряжением отсечки U_отс. Так как U_зи является обратным для p-n-переходов, ток во входной цепи представляет обратный ток для p-n-перехода и ввиду его малости полевой транзистор можно считать прибором, управляемым напряжением. Это свойство определяет высокое входное сопротивление полевых транзисторов. При величинах напряжений U_зи больших U_отс передаточная характеристика описывается уравнением:

, где I_си – ток стока при U_зи = 0. На практике эта величина тока для полевого транзистора является предельной, так как положительных напряжений затвор – исток стараются избегать, чтобы не потерять преимуществ, обеспечиваемых очень малым током затвора.

По передаточной характеристике транзистора может быть определен такой его параметр, как крутизна: при U_си = const.

Дифференцированием выражения можно определить крутизну .

Особый интерес представляет значение крутизны при I_c = I_cи. Для полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом это максимальное значение крутизны. . Можно отметить, что при равных токах стока полевого и коллектора биполярного транзисторов крутизна полевого транзистора существенно ниже, чем у биполярного.

По выходным характеристикам можно определить выходное или внутреннее сопротивление транзистора

при U_зи = const.

Наряду с рассмотренным транзистором с n-каналом имеются транзисторы с p-каналом. Принцип действия их аналогичен; различие заключается лишь в противоположной полярности источников питания и в соответствующих условных обозначениях (рис.12г,д). Полевые транзисторы с p-n-переходом применяют в основном для усиления сигналов.

Полевые транзисторы с изолированным затвором.

В этой группе транзисторов затвор представляет собой тонкую пленку металла, изолированную от полупроводника, в котором формируется проводящий канал. В зависимости от вида изоляции различают МДП и МОП – транзисторы.

Исток и сток формируют в сильно легированных областях полупроводника. Как МДП, так и МОП – транзисторы могут быть выполнены с каналом p- и n-типов. Канал в этой группе транзисторов может быть встроенным (т.е. созданным при изготовлении) и индуцированным (т.е. наводящимся под влиянием напряжения, приложенного к затвору).

На рис.13а изображен МДП – транзистор со встроенным каналом n-типа, соединяющим исток и сток (n⁺ - области). Эти области образованы в подложке – полупроводнике р-типа.

С З И С

n-канальные

n З П

n⁺ n⁺

И б)
p С

П р-канальные

З

а) подл. И в)

I_с mA I_c mA U_зи=1В

10 U_си=15В 10

U_зи=0

U_си=10В

5 5 д)

г) U_зи=-1В

-2 -1 0 1 2 U_зи,В 5 10 U_си,В
Рис.13
В зависимости от полярности напряжение U_зи, приложенное к затвору относительно истока, может обедняться и обогащаться основными носителями – электронами. При отрицательном напряжении на затворе U_зи электроны выталкиваются из области канала в подложку, канал обедняется носителями, и ток I_с снижается. Положительное напряжение на затворе втягивает электроны из подложки в канал и I_с через канал возрастает. В отличие от полевого транзистора с p-n-переходом, МДП – транзистор со встроенным каналом может управляться как

отрицательным, так и положительным напряжением, что отражено на его передаточных и выходных характеристиках (рис.13г,д).

Полевой транзистор с изолированным затвором

и индуцированным каналом

Этот вид транзистора отличается от предыдущего тем, что при отсутствии напряжения на затворе канал отсутствует (рис.14). Подача на затвор отрицательного напряжения не изменяет картины. Если же на затвор подать положительное напряжение больше порогового U_зи>U_{зи пор}, то созданное им электрическое поле “втягивает” электроны из n⁺ областей, образуя тонкий слой n-типа в приповерхностной области р-подложки (рис.14а).

З

И С С

n⁺ n⁺

П

З

p И
П б)

а)
I_с mA I_с mA

U"_зи>U'_зи
U_зи>U_{зи пор.}

U_зи=0

0 U_{зи пор.} U_зи,В 0 U_си,В

в) г)

Рис.14

Этот слой соединяет исток и сток, являясь каналом n-типа. От подложки канал изолируется возникшим обедненным слоем.

Таким образом, полевые транзисторы с индуцированным n-каналом, в отличии от транзисторов со встроенным каналом, управляются только положительным сигналом U_зи>U_{зи пор.} Значение U_{зи пор .}≈ 0,2 ÷ 0,1 В.

Значительно больше пороговое напряжение у транзисторов с индуцированным р-каналом. Значение U_{зи пор .}≈ -(2 ÷ 4) В. Управляются они отрицательным входным сигналом (рис.15в).

З

И С С
p⁺ p⁺

П

З

n И

П а) б)
I_с mA I_с mA U_зи= -10В
10 10 U_зи= -6В
U_зи= -4В

5. 
   5
   

0 -2 -4 U_зи, В 0 5 10 - U_си, В

в) г)

Рис.15

Преимущество полевых транзисторов:

1. 
   Высокое входное сопротивление для транзисторов с p-n- переходом 10⁶ ÷ 10⁹ Ом, а для МДП или МОП транзисторов 10¹³ ÷ 10¹⁵ Ом.
   
2. 
   Малый уровень собственных шумов, нет рекомбинационного шума.
   
3. 
   Высокая устойчивость против температурных и радиоактивных воздействий.
   
4. 
   Высокая плотность расположения элементов при изготовлении интегральных схем.
   

Э К С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н А Я Ч А С Т Ь

Описание экспериментальной установки

Лабораторный стенд в комплексе с внешними измерительными приборами позволяет исследовать входные, проходные и выходные вольтамперные характеристики биполярных транзисторов и проходные и выходные характеристики униполярных (полевых) n-канальных транзисторов с p-n-переходом.

Графически по входным, проходным и выходным характеристикам транзисторов легко определить h-параметры, которые используются в расчетах различных транзисторных схем.

Методика графического определения h-параметров для схемы транзистора с общим эмиттером приведена в разделе “Транзистор как активный четырехполюсник”.

В качестве исследуемых транзисторов в лабораторном стенде используются биполярный кремниевый транзистор n-p-n-типа КП 503 и полевой транзистор с p-n-переходом и n-каналом КП 307.

Токи во внешних цепях транзисторов измеряются щитовыми микро- и миллиамперметрами, встроенными в верхнюю панель лабораторного стенда. Напряжения в главных точках экспериментальных схем измеряются двумя внешними цифровыми вольтметрами постоянного тока Щ1516.

На рис.16 представлен внешний вид лабораторного стенда с органами управления и их назначением.

14

1

13

10

11. 
    2
    

12

3

9
8 7 6 5 4

Рис.16

1. 
   Тумблер включения питания лабораторного стенда “СЕТЬ”.
   
2. 
   Тумблер переключения типа исследуемого транзистора: “Биполярный транзистор”, “Полевой транзистор”. (К₁)
   
3. 
   Выводы “Общий” – общего провода электрической цепи.
   
4. 
   Вывод для измерения обратного тока коллектора.
   
5. 
   Вывод подключения вольтметра V₂ для измерения напряжения сток – исток (U_си) полевого транзистора.
   
6. 
   Вывод подключения вольтметра V₁ для измерения напряжения затвор – исток (U_зи) полевого транзистора.
   
7. 
   Вывод подключения вольтметра V₂ для измерения напряжения коллектор – эмиттер (U_кэ) биполярного транзистора.
   
8. 
   Вывод подключения вольтметра V₁ для измерения напряжения база – эмиттер (U_бэ) биполярного транзистора.
   
9. 
   Тумблер переключения прямого и обратного тока биполярного транзистора.
   
10. 
    Резистор для регулировки отрицательного напряжения на затворе полевого транзистора. (R₃)
    
11. 
    Резистор для регулировки тока базы биполярного транзистора. (R₁)
    
12. 
    Резистор для регулировки тока коллектора или тока стока биполярного или полевого транзисторов соответственно. (R₂)
    
13. 
    Микроамперметр для измерения тока базы биполярного транзистора.
    
14. 
    Миллиамперметр для измерения тока коллектора или тока стока биполярного или полевого транзисторов соответственно.
    

В качестве источников входных и питающих, экспериментальные схемы напряжений используется компенсационный стабилизатор напряжения +10В с двухканальным регулируемым выходом.

Регулировка выходных напряжений стабилизатора, питающих экспериментальные схемы, осуществляется регулировочными резисторами R₁, R₂ и R₃ (СП5 – 35Б) с высокой электрической разрешающей способностью.

Исследование вольтамперных характеристик биполярного транзистора n-p-n-типа и расчет его основных параметров

Для изучения работы транзистора в лабораторном стенде собрана электрическая цепь, схема которой представлена на рис.17.

Тумблер К₁ в положении “биполярный транзистор”, а тумблер К₂ в положении “ток прямой”.

I_к

I_б

+

U_п

0 ÷ 8B

_

+

U_вх

0÷3

В _ U_кэ

U_бэ

Рис.17
U_вх – источник постоянного тока с регулируемым выходным напряжением (0 ÷ 3В);

U_п – источник постоянного тока с регулируемым выходным напряжением (0 ÷ 8B);

I_б – ток базы транзистора, измеряемый микроамперметром “μА”;

U_бэ – напряжение база – эмиттер, измеряемое выносным вольтметром постоянного тока “V₁”;

I_к – ток коллектора, измеряемый миллиамперметром “mA”;

U_кэ – напряжение коллектор – эмиттер, измеряемое выносным вольтметром “V₂”.
Задание 1. Снятие семейства входных вольтамперных

характеристик биполярного транзистора

и графический расчет h₁₁ и h₁₂ – параметров.

Входная характеристика – это зависимость тока базы от напряжения база – эмиттер при постоянном напряжении коллектор – эмиттер

I_б=f(U_бэ) при U_кэ= const.
Вход вольтметра Щ1516“V₁” подключить к клеммам “Общ” и U_бэ,

а вход вольтметра Щ1516 “V₂” подключить к клеммам “Общ” и U_кэ, строго соблюдая полярность.

Включить лабораторный стенд в сеть тумблером “сеть”, а затем включить вольтметры V₁ и V₂. Напряжение U_бэ устанавливать резистором “Ток базы” по вольтметру V₁. Напряжение U_кэ устанавливать резистором “Ток коллектора” по вольтметру V₂. Показания тока базы I_б снимать по шкале микроамперметра, а тока коллектора по шкале милливольтметра. Проанализировав экспериментальный ход входных характеристик выбрать оптимальное количество точек для их воспроизведения.

Увеличивая ток базы при постоянных значениях коллекторного напряжения, снимать показания I_б, U_бэ и U_кэ и занести их в таблицу1

Таблица 1

№ U_кэ = 0 В U_кэ = 2 В U_кэ = 4 В U_кэ = 8 В

п/п U_бэ, В I_б, μА U_бэ, В I_б, μА U_бэ, В I_б, μА U_бэ, В I_б, μА
1.

2.

3.

…

r_бэ

А

По данным таблицы построить семейство входных характеристик. Пользуясь методикой расчета h – параметров определить дифференциальные входные сопротивления

и коэффициент обратной связи по напряжению

.
Задание 2. Снятие семейства проходных (передаточных)

характеристик биполярного транзистора

и определение крутизны и h – параметров.
Проходная или передаточная характеристика – это зависимость тока коллектора от изменения напряжения на базе при постоянном напряжении коллектор – эмиттер:

при .

Задаваясь постоянными значениями U_кэ, резистором “ток коллектора” по вольтметру V₂, изменяя U_бэ резистором “ток базы” по вольтметру V₁, снять соответствующие показания I_к по mA.

Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2

№ U_кэ = 2 В U_кэ = 4 В U_кэ = 8 В

п/п U_бэ, В I_к, mА U_бэ, В I_к, mА U_бэ, В I_к, mА

1.

2.

3.

…

S_экс

S_расч

β
По данным таблицы построить семейство проходных характеристик транзистора. Графически по данным эксперимента определить крутизну: при .

Крутизну можно рассчитать и теоретически, используя формулу:

, где .

Экспериментальные и теоретические значения крутизны сравнить и занести в таблицу 2.

Используя значения r_вх и крутизны S, рассчитать h₂₁=β – коэффициент передачи тока базы.

Результаты вычислений свести в таблицу 2.

Задание 3. Снятие семейства выходных характеристик

биполярного транзистора и экспериментальное

определение h – параметров.

Выходная характеристика – это зависимость тока коллектора I_к от изменения напряжения коллектор – эмиттер U_кэ при постоянных значениях тока базы I_б: .

При постоянных значениях тока базы I_б, измеряемых по “μА”, изменять напряжение коллектор – эмиттер по вольтметру V₂ и наблюдать изменение при этом тока коллектора I_к по миллиамперметру “mA”.

Выбрав оптимальное количество экспериментальных точек на кривой снять показание приборов и занести их в таблицу 3.

Таблица 3

№ I_б = 20μА I_б = 40 μА I_б = 60 μА I_б = 80 μА

п/п U_кэ, В I_к, mA U_кэ, В I_к, mA U_кэ, В I_к, mA U_кэ, В I_к, mA

1.

2.

…

r_кэ

h₂₂

β
Зависимость коллекторного тока от напряжения коллектор – эмиттер характеризуется дифференциальным выходным сопротивлением:

или выходной проводимостью – параметр h₂₂: .

По выходным характеристикам можно рассчитать коэффициент

усиления по току (коэффициент передачи тока базы) h₂₁:

при .

Рассчитать эти параметры транзистора и свести их в таблицу 3.

Исследование вольтамперных характеристик n-канального полевого транзистора с p-n-переходом и определение его основных параметров.

Для изучения работы полевого транзистора в лабораторном стенде собрана цепь, схема которой представлена на рис.18.

I_c

C

З +

U_cи U_п

_ И _

U_вх U_зи
+

Рис.18

U_вх – источник постоянного тока с регулируемым выходным напряжением  (0 ÷ 4 В);

U_п – источник постоянного тока с регулируемым выходным напряжением +(0 ÷ 8 В);

U_зи – напряжение затвор – исток, измеряемое вольтметром V₁;

U_cи – напряжение сток – исток, измеряемое вольтметром V₂;

I_с – ток стока, измеряемый миллиамперметром “mA”.

Для функционирования этой схемы необходимо переключить: вход вольтметра Щ1516 из разъема U_бэ в разъем U_зи, вход вольтметра Щ1516 из разъема U_кэ в U_cи. Тумблер К₁ в положение “полевой транзистор”.

Задание 4. Снятие сток – затворной характеристики полевого

транзистора.
Передаточная (сток – затворная) характеристика полевого транзистора представляет собой зависимость тока стока от величины напряжения на затворе при U_си = const:

.

Для получения семейства этих характеристик необходимо резистором “ток стока” установить постоянное напряжение по вольтметру V₂ и, изменяя напряжение на затворе по показаниям вольтметра V₁, наблюдать изменение силы тока стока “I_c”.

Произвести измерение параметров кривых I_c = f (U_зи) в приемлемом количестве точек. Результаты эксперимента свести в таблицу 4.

Таблица 4

№ U_си = 2 В U_си = 4 В U_си = 8 В

п/п U_зи, В I_с, mA U_зи, В I_с, mA U_зи, В I_с, mA

1.

2.

…

U_отс

S_эксп

S_max

По передаточной характеристике транзистора определить крутизну: .

Зная напряжение отсечки U_отс при I_с = 0 и учитывая уравнение

, определить максимальное значение крутизны:

, где I_си – ток стока при U_зи = 0.

Результаты расчетов свести в таблицу 4.

Задание 5. Снятие семейства выходных характеристик полевого

транзистора.

Выходная характеристика – это зависимость тока стока I_с от напряжения сток – исток U_си при постоянном напряжении затвор – исток U_зи : при .

Установив постоянные значения U_зи по вольтметру V₁, изменяя напряжение U_си по вольтметру V₂, наблюдать изменение силы тока стока I_с по миллиамперметру “mA”.

Результаты эксперимента свести в таблицу 5.

Таблица 5

№ U_зи = 0 В U_зи = -0,5 В U_зи = -1 В U_зи = -1,5 В

п/п U_си, В I_с, mA U_си, В I_с, mA U_си, В I_с, mA U_си, В I_с, mA

1.

2.

…

r_вых

K_u

Построив семейство выходных характеристик, определить:

1. 
   Дифференциальное выходное сопротивление:
   

при .

2. 
   Коэффициент усиления по напряжению:
   

при .

Результаты расчетов свести в таблицу 5.

Задание 6. Компьютерное моделирование лабораторного

эксперимента.

Используя программное обеспечение, предлагаемое преподавателем (Electronics Workbench 3.0E или CircutMaker v.5.0), построить на экране компьютера экспериментальную схему для исследования биполярного транзистора. Задать для транзистора по данным справочной литературы параметры аналогичные экспериментальному: КТ503А.

2. 
   Используя возможности компьютерного измерителя ВАХ, наблюдать семейства исследуемых вольт-амперных характеристик и сравнить их с экспериментальными.
   
3. 
   Провести аналогичный компьютерный анализ для полевого транзистора КП307.
   
4. 
   Графический материал распечатать на принтере и приложить к отчету.
   

После выполнения всех заданий сделайте выводы по работе и ответьте на следующие вопросы:

1. 
   Чем различаются симметричный и несимметричный p-n-переходы?
   
2. 
   Составьте схему стабилизатора напряжения со стабилитроном.
   
3. 
   Составьте схему выпрямителя переменного тока.
   
4. 
   Объясните усилительные свойства полевых и биполярных транзисторов.
   
5. 
   Какие усилительные электронные приборы управляются напряжением? Управляются током?
   
6. 
   Назовите параметры, описывающие транзистор как четырехполюсник. Каков их физический смысл?
   
7. 
   Проведите сравнительный анализ биполярных и полевых транзисторов, а также полевых транзисторов с p-n-переходом и МДП транзисторов.
   

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. 
   Забродин Ю.С. Промышленная электроника. М.: Высш.шк., 1982. 496с.; ил.
   
2. 
   Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники: Учебное пособие для студентов вузов. М.: Высш.шк., 1988. 464с.; ил.
   
3. 
   Основы радиоэлектроники: Учебное пособие / Ю.Н. Волощенко, Ю.Ю. Мартюшев и др. М.: Изд-во МАИ, 1993. 416с.; ил.
   
4. 
   Радиотехника: Учебное пособие для вузов / Е.М. Гершензон, Г.Д. Полянина, Н.В. Соина. М.: Просвещение, 1986. 319с.; ил.
   
5. 
   Элементы информационных систем: Учеб. для вузов / В.П. Миловзоров. М.: Высш.шк., 1989. 440с.; ил.