МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И

МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Ордена Трудового Красного Знамени

федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Московский технический университет связи и информатики»

Лабораторная работа на тему:

«Исследование биполярного транзистора»

Выполнил: студент группы УБВТ 2102

Принял: ст.пр. Рыбаков В.С.

Москва, 2023

Оглавление

Цель работы 3

Ход работы 3

Контрольные вопросы 4

Цель работы

Ознакомление с физическими принципами функционирования биполярного транзистора (БТ), с особенностями его изготовления и взаимосвязью конструкции, размеров и параметров.

Ход работы

Вариант	Коэф. инжекции γ	Коэф. переноса	Коэф. передачи тока ОБ, α	Коэф. передачи тока ОЭ, β	Среднее время пролёта τПР, нс	Предельная частота в схеме ОБ , МГц
Исходный (табл. 1)	0,99981	0,98150	0,98132	52,5449	52,3504	3,04018
Однородная база η = 0 (диффузионный БТ)	0,99915	0,94228	0,94149	16,1049	170,138	0,93544
Повышенная концентрация примесей в эмиттере NЭ, см-3	1	0,98150	0,98150	53,0612	52,3504	3,04018
Повышенная концентрация примесей в базе NБ ,см-3	5,40065	0,98150	5,30075	5,40065	52,3504	3,04018
Увеличенная толщина базы w, мкм	0,99962	0,92989	0,92955	13,2004	209,401	0,76004

Контрольные вопросы

1. Изобразить n-p-n БТ в схеме с общей базой с указанием полярности напряжений и направления токов.

2. Изобразить p-n-р БТ в схеме с общей базой с указанием полярности напряжений и направления токов.

3. Пояснить физические процессы в БТ в схеме ОБ в активном режиме.

Активный режим создаётся двумя внешними напряжениями: U_ЭБ – входное напряжение, прямое для эмиттерного перехода и U_КБ – выходное напряжение, обратное для коллекторного перехода.

В открытом ЭП, благодаря прямому напряжению, понижается потенциальный барьер и поэтому протекает большой диффузионный ток основных носителей I_Э. При этом I_Э имеет электронную I_Эn и дырочную I_Эp составляющие, так как концентрация свободных электронов в эмиттере на несколько порядков больше, чем дырок в базе, I_Эn >> I_Эp. В ЭП протекает односторонний ток свободных электронов в базу - инжекция. Свободные электроны в базе - неосновные носители, поэтому в базе возникает градиент концентрации dn/dw и неосновные носители диффундируют к КП (диффузионный транзистор). КП заперт напряжением U_КБ и его электрическое поле для неосновных носителей – ускоряющее. Поэтому его носители извлекаются из базы в коллектор (экстракция). Появляется полезный выходной ток I_К. Так как база тонкая и слаболегированная, при продвижении неосновных носителей через базу только небольшая их часть рекомбинирует с основными носителями базы (не более 1…2%). Рекомбинация в базе несколько уменьшает концентрацию её основных носителей — дырок. Электрическая нейтральность базы нарушается, в ней образуется отрицательный заряд некомпенсированных ионов акцепторной примеси. Этот заряд создаёт рекомбинационный ток в выводе базы I_БРЕК. При разорванной цепи эмиттера тока в ЭП при этом нет, но в КП протекает небольшой по величине обратный ток коллектора I_КБ0, создаваемый обратным напряжением U_КБ.

В активном режиме в БТ действительны следующие соотношения токов:

I_Э = I_К + I_Б (закон Кирхгофа для БТ, рассматриваемого как узел цепи)

I_Б = I_БРЕК – I_КБ0

I_К = α I_Э + I_КБ0

4. Как и почему на свойства БТ влияет степень легирования эмиттера?

Повышение степени легирования эмиттера приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны, увеличению собственной концентрации свободных носителей заряда в эмиттере, понижению времени жизни и, как следствие, к снижению величины коэффициента инжекции эмиттера, а, следовательно, и коэффициента усиления по току. Высокая концентрация электронов в эмиттере заставляет больше электронов диффундировать в базу. Более низкая концентрация легирующей примеси в базе означает, что меньшее количество дырок диффундирует в эмиттер, которые могли бы увеличить ток базы.

5. Как и почему на свойства БТ влияет степень легирования базы?

Если база легирована по объёму равномерно, то процесс движения в базе свободных носителей заряда, инжектированных из эмиттера, носит диффузионный характер. Если база легирована неравномерно, то в ней появляется внутреннее электрическое поле.

6. Как и почему на свойства БТ влияет толщина базы?

При снижении толщины базы снижается предельное коллекторное напряжение и уменьшается время пролета неосновных носителей. Также в тонкой базе уменьшается рекомбинация. Все это улучшает частотные свойства.

7. Что такое инжекция, экстракция и рекомбинация в базе?

Инжекция - это процесс введения носителей зарядов, создающих избыточную концентрацию в полупроводниковом слое образуя практически односторонний ток электронов в n-p-n транзисторах или дырок в p-n-p транзисторах.

Экстракция - это процесс извлечения основных носителей из базы в коллектор под действием обратного напряжения.

Рекомбинация - взаимная нейтрализация части поступающих их эмиттера носителей заряда с носителями противоположных зарядов в базовой области.

8. Что такое дрейфовый БТ и почему он лучше диффузионного БТ?

В дрейфовом БТ движение неосновных носителей заряда через базовую область носит характер дрейфа под действием электрического поля. Возникновение электрического поля в базе обусловлено неравномерным распределением концентрации легирующей примеси, спадающей от эмиттера к коллектору.

Диффузионный БТ имеет во всем объеме базы одну и ту же концентрацию примеси. Вследствие этого в базе не возникает электрического поля, и скорость движения меньше скорости дрейфа носителей в ускоряющем поле.

Поэтому диффузионные БТ предназначены для более низких частот работы, в отличии от дрейфовых.

9. Как возникает ток базы и какие он имеет составляющие?

В открытом ЭП, благодаря прямому напряжению, понижается потенциальный барьер и поэтому протекает большой диффузионный ток основных носителей I_Э. При этом I_Э имеет электронную I_Эn и дырочную I_Эp составляющие. Если концентрация свободных электронов в эмиттере на несколько порядков больше, чем дырок в базе, то наблюдается практически односторонний ток свободных электронов в базу.

В КП, закрытым напряжением U_К электрическое поле для неосновных носителей – ускоряющее. Благодаря этому они извлекаются из базы в коллектор и появляется полезный выходной ток I_К.

Если уменьшить концентрацию основных носителей в базе, то электрическая нейтральность базы нарушается, в ней образуется отрицательный заряд некомпенсированных ионов акцепторной примеси. Этот заряд создаёт рекомбинационный ток в выводе базы I_БРЕК.

Если разорвать цепь эмиттера, то ока в ЭП не будет, но при том в ПК будет протекать небольшой по величине обратный ток коллектора I_КБ0, создаваемый обратным напряжением U_КБ.

10. Почему усиление БТ по мощности может достигать тысяч раз?

Так как БТ в отношении нагрузки является источником тока, сопротивление нагрузки (R_Н) может на несколько порядков превышать сопротивление открытого ЭП (r_Э). Поэтому, согласно формуле , коэффициент усиления может достигать многих тысяч раз.

8