LS-Sb88865

лярном транзисторе, в отличие от полевых, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» – «два»).

Биполярные транзисторы используются для усиления и коммутации сигналов и обычно работают в активном режиме, т. е. когда переход база– эмиттер открыт, а база–коллектор закрыт. При этом ток коллектора будет протекать через оба перехода, а ток базы – только через переход база– эмиттер. Таким образом, ток эмиттера будет равен сумме токов базы и кол-

лектора (Iэ = Iб + Iк).

Для понимания принципа работы рассмотрим n–p–n-транзистор: все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая p–n–p-тран- зистора с заменой слова «электроны» на «дырки» и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку.

В n–p–n-транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер–база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть – диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещенного коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они – неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт) и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует

ток базы (Iэ = Iб + Iк).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ),

называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α = 0.9…0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передает ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор–база и база–эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы с коэффициентом пропорциональности

β = α/(1 − α) = (10…1000).

Коэффициент β может быть выражен и как отношение приращения тока коллектора к приращению тока базы:

Iк Iб .

11

активная область режимов I отличается тем, что на коллекторном переходе транзистора имеется запирающее напряжение, меньшее напряжения пробоя, а эмиттерный переход открыт;

область отсечки II, расположенная вдоль оси напряжений на выходных характеристиках, характеризуется тем, что эмиттерный переход закрыт, а ток коллектора определяется обратным током коллекторного перехода;

область насыщения III располагается вдоль оси токов на выходных характеристиках и отличается тем, что коллекторный переход смещен в прямом направлении. При этом происходит дополнительная инжекция неосновных носителей в базу и резкое падение усилительных свойств транзистора;

область пробоя IV на выходных характеристиках соответствует высоким напряжениям на коллекторе и отличается резким возрастанием коллекторного тока с ростом напряжения.

На входных характеристиках имеется область отсечки по входу V и об-

ласть пробоя эмиттерного перехода VI.

Биполярный транзистор имеет следующие режимы работы:

1.Нормальный активный режим (переход эмиттер–база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор–база – в обратном (закрыт)).

2.Инверсный активный режим (эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход – прямое).

3.Режим насыщения (оба p–n-перехода смещены в прямом направлении (оба открыты)).

4.Режим отсечки (в данном режиме оба p–n-перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты)).

Биполярные транзисторы характеризуются параметрами, основными из которых являются:

коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером β;

обратный ток коллектора Iк. об;

граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером fгр;

коэффициент шума биполярного транзистора Kш;

максимально допустимое напряжение коллектор–база Uк.-б max; максимально допустимое напряжение коллектор–эмиттер Uк.-э max;

13

максимально допустимый постоянный ток коллектора Iк max;

максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора Pк max.

2.2.Порядок выполнения работы

1.Исследовать зависимость входного тока от входного напряжения биполярного транзистора при фиксированном выходном напряжении.

1.1.Нажатием кнопки «Тип прибора» подключить к измерительной схеме исследуемый биполярный транзистор 4.

1.2.Установить Еоп = +12 В.

1.3.Измерить зависимость входного тока базы I1 от напряжения база– эмиттер Е1 измерить при двух значениях напряжения коллекторного питания

Е3 = 0 В, Е3 = 1 В, для чего:

1) установить значение напряжения Е3 = 0 В, 2) переключить мультиметр кнопкой ►, расположенной у дисплея в ре-

жим, отображающий значения входного тока базы I1 и напряжения база– эмиттер Е1,

3) изменяя значения тока I1 в интервале от 0.1…0.5 мА с шагом 0.1 мА, записать значения напряжения Е1,

4) по полученным значениям построить семейство входных статических характеристик (по оси ординат Y – ток I1; по оси абсцисс X – напряжение Е1).

1.4.Переключить мультиметр кнопкой ◄, расположенной у дисплея, в режим, отображающий ток I3 и напряжение Е3.

1.5.Установить значение напряжения Е3 = 1 В с точностью ±0.05 В.

1.6.Повторить п. 1.3.

2. Исследовать зависимость тока коллектора транзистора от кол-

лекторного напряжения.

Провести измерения при трех значениях напряжения на базе Е1 выбираемых самостоятельно из диапазона 0.6…0.67 В, для этого:

2.1.Установить выбранное значение напряжения Е1.

2.2.Переключить кнопкой ◄, расположенной у дисплея мультиметра, в режим, отображающий ток I3 и напряжение Е3.

2.3.Прокручивая ручку потенциометра Е3, добиться появления на экране «точки максимума» (таких значений напряжения и тока, которые будут

14

удовлетворять условиям Р = I3 E3 < 20 мВт, где Р – мощность, рассеиваемая на коллекторе.

2.4.Изменяя значение напряжения по убыванию с шагом 0.5 В, снять зависимость тока коллектора I3 от напряжения коллектора E3 (при этом необходимо постоянно контролировать уровень напряжения на базе Е1 переключением кнопок ◄, ► у дисплея мультиметра).

2.5.По полученным данным построить семейство выходных характеристик биполярного транзистора (по оси ординат Y – ток I3; по оси абсцисс X – напряжение E3).

2.3. Требования к отчету

Отчет о лабораторной работе должен содержать: краткие теоретические сведения; описание экспериментальной установки; таблицы с результатами экспериментов; графики; выводы по работе.

Лабораторная работа 3 ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

Цели работы:

1.Изучение статических вольт-амперных характеристик полупроводникового полевого транзистора.

2.Приобретение навыков экспериментального измерения статических вольт-амперных характеристик маломощных полупроводниковых приборов.

3.1. Краткие теоретические сведения

Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, в котором ток, протекающий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком. Он предназначен для усиления мощности электрических колебаний.

Принцип действия полевых транзисторов основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление то-

15

ком в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Вследствие этого транзисторы называют полевыми.

По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р–n-перехода и с изолированным затвором (МДПили МОП-транзисторы). Транзисторы с изолированным затвором бывают двух типов: со встроенным и с индуцированным каналом.

В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на: транзисторы с каналами р- и n-типов. Канал р-типа обладает дырочной проводимостью, а n-типа – электронной.

Полевые транзисторы с управляющим p–n-переходом – это полевой транзистор, затвор которого изолирован (т. е. отделен в электрическом отношении) от канала p–n-переходом, смещенным в обратном направлении.

Каналом полевого транзистора называют область в полупроводнике, в которой ток основных носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения.

Электрод (вывод), через который в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала основные носители заряда уходят, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала за счет управляющего напряжения, называ-

ют затвором.

Как правило, выпускаются кремниевые полевые транзисторы. Кремний применяется потому, что ток затвора, т. е. обратный ток р–n-перехода, получается во много раз меньше, чем у германия.

Условные обозначения полевых транзисторов с каналами n- и р-типов приведены на рис. 3.1.

Полевой транзистор с управляющим p–n-переходом имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток ос-

Рис. 3.1. Условные обозначения полевого транзистора с р–n-переходом: с каналами n- и р-типов

16

но, эффективная площадь поперечного сечения канала, его сопротивление и ток в канале зависят от этого напряжения. С его ростом расширяются р–n-переходы, уменьшается площадь сечения токопроводящего канала, увеличивается его сопротивление, а, значит, уменьшается ток в канале. Следовательно, если между

истоком и стоком включить источник напряжения Uс.-и , то силой тока стока Iс , протекающего через канал, можно управлять, изменяя сопротивление (сечение) канала с помощью напряжения, подаваемого на затвор. На этом принципе и основана работа полевого транзистора с управляющим р–n-переходом.

При напряжении Uз.-и = 0 сечение канала наибольшее, его сопротивление

наименьшее и ток Iс получается наибольшим. Ток стока Iс. нач при Uз.-и = 0 на-

зывают начальным током стока.

Напряжение Uз.-и, при котором канал полностью перекрывается, а ток стока Iс становится весьма малым (десятые доли микроампер), называют на-

пряжением отсечки Uз.-и. отс .

Вольт-амперная характеристика полевого транзистора с управ-

ляющим р–n-переходом. Рассмотрим ВАХ полевых транзисторов с р–n-пе- реходом. Для этих транзисторов представляют интерес два их вида: стоковые и стоко-затворные.

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р–n- переходом и каналом n-типа показаны на рис. 3.3, а. Они отражают зависи-

мость тока стока от напряжения Uс.-и при фиксированном напряжении Uз.-и:

Ic = f (Uс.-и) при Uс.-и = const.

17

а б Рис. 3.3. ВАХ полевого транзистора с р–п-переходом и каналом п-типа:

а – стоковые (выходные); б – стоко-затворная.

Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние как управляющее напряжение Uз.-и , так и напряжение Uс.-и. При Uс.-и = 0 выходной ток Iс = 0. При Uс.-и 0 (Uз.-и = 0) через канал протекает ток Iс , в результате чего создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Суммарное падение напряжения участка исток–сток равно Uс.-и . Повышение напряжения Uс.-и вызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечения и, следовательно, уменьшение проводимости канала. При некотором напряжении Uс.-и происходит сужение канала, при котором границы обоих р–n-переходов смыкаются и сопротивление канала становится высоким. Такое напряжение Uс.-и называют напряжением перекрытия или напряжением насыщения Uс.-и.нас.

При подаче на затвор обратного напряжения Uз.-и происходит дополнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значении напряжения Uс.-и.нас. В рабочем режиме используются пологие (линейные) участки выходных характеристик.

Стоко-затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока Iс от напряжения Uз.-и при фиксированном напряжении Uс.-и:

Ic = f (Uс.-и) при Uс.-и = const (рис. 3, б).

18

Полевые транзисторы с управляющим р–n-переходом имеют следующие основные параметры:

максимальный ток стока Iс max (при Uз.-и = 0);

максимальное напряжение сток-исток Uс.-и. max ;

напряжение отсечки Uз.-и. отс ;

внутреннее (выходное) сопротивление ri − представляет собой сопротив-

ление транзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока при Uз.-и = const:

деляется сопротивлением р−n-переходов, смещенных в обратном направлении. Входное сопротивление полевых транзисторов с р−n-переходом доволь-

но велико (достигает единиц и десятков мегаом, 107...109 Ом), что выгодно отличает их от биполярных транзисторов.

Полевые транзисторы с изолированным затвором. Полевой транзи-

стор с изолированным затвором (МДП-транзистор) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Условные обозначения МДП-транзисторов приведены на рис. 3.4.

МДП-транзисторы (структура: металл−диэлектрик−полупроводник) вы-

полняют из кремния. В качестве диэлектрика используют оксид кремния SiO2. Отсюда другое название этих транзисторов – МОП-транзисторы (структура: металл−оксид−полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1010…1014 Ом).

Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный

19

Рис. 3.4. МДП-транзисторы: а − со встроенным каналом n-типа; б − со встроенным каналом р-типа;

в− с индуцированным каналом n-типа;

г− с индуцированным каналом р-типа

слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и со встроенным каналом (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 3.5, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе отно-

сительно истока, которое называют пороговым напряжением (Uз.-и. пор).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 3.5, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой − канал, который соединяет исток со стоком.

20