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

(МТУСИ)

Факультет "Радио и телевидение"

Кафедра "Электроника"

ОТЧЁТ

по дисциплине "Электроника"

на тему:

"Исследование биполярного транзистора"

Выполнил:

Студент гр. БИК2309 ____________________ Р. Ю. Улендеев

Проверил:

Доцент, к. т. н. _______________________ В. П. Власов

Москва 2024

Лабораторная работа №5

Исследование биполярного транзистора

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

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Биполярный транзистор является прибором с двумя р-n переходами (рис. 1). Поэтому, для понимания процессов в БТ, необходимо изучить основные типы контактов в электронике (л.р. № 1 и л.р. № 2).

На рис. 1 изображён БТ со структурой n⁺ – р – n, хотя возможна, но менее распространена, и p⁺ – n - p структура. В работе этих структур принципиальных отличий нет. Области БТ получили следующие названия: n⁺ – эмиттер (область, “испускающая” носители); р – база и n (на рис. 1 – область справа) – коллектор (т.е. область, “собирающая” носители). Каждая область снабжена омическими контактами металл-полупроводник, служащими для подключения к внешним цепям. Названия внешних контактов такие же, как у областей – эмиттер, база, коллектор. P-n переход между эмиттером и базой получил название “эмиттерный переход” (ЭП), между базой и коллектором – “коллекторный переход” (КП).

Важнейшими особенностями конструкции являются:

1) малая толщина базы, не более 0,5 мкм;

2) малая концентрация примеси в базе (порядка 10¹⁶ см^-3);

3) большая концентрация примеси в эмиттере, до 10²⁰ см^-3.

Статический коэффициент передачи эмиттерного тока α является важнейшим параметром БТ. Можно показать, что коэффициент усиления по мощности БТ с общей базой определяется выражением

, (4)

где R_Н –сопротивление нагрузки, включаемое в разрыв коллекторной цепи; r_Э - сопротивление открытого ЭП, обычно очень малое.

Так как БТ в отношении нагрузки является источником тока (сопротивление закрытого КП очень велико), R_Н может на несколько порядков превышать r_Э. Поэтому, согласно (4), К_Р может достигать многих тысяч раз.

На величину коэффициента усиления влияют следующие особенности конструкции.

Качество работы ЭП характеризуется коэффициентом инжекции

, (5)

где I_Эn – полезный ток инжекции;

I_Эр – бесполезный встречный дырочный ток;

N_Э и N_Б – концентрация примесей в базе и эмиттере.

Увеличивая N_Э, можно получить γ = 0,999 и более.

Качество процессов в базе характеризуется коэффициентом переноса , который показывает, какая доля инжектированных в базу носителей избегает рекомбинации и достигает КП:

(6)

Этот коэффициент тем ближе к идеальному значению — единице, чем тоньше база и меньше степень её легирования (меньше концентрация примесей). Перемножив (5) на (6) получим:

(7)

Увеличению коэффициента усиления способствует также неоднородное легирование базы: примесей вводят больше вблизи ЭП, с уменьшением концентрации к КП. В такой базе нескомпенсированных ионов примеси, появляющихся из-за рекомбинации основных и неосновных носителей больше вблизи ЭП. В результате в базе возникает собственное электрическое поле, рис. 3.

Нетрудно убедиться, что собственное поле в такой базе – ускоряющее для неосновных носителей и сила Кулона F_K заставляет их дрейфовать к КП и в результате пересекать базу быстрее (дрейфовый транзистор). Поэтому время пребывания в такой базе (время пролёта) меньше, вероятность рекомбинации и потери из-за неё меньше, частотные и импульсные свойства – лучше.

Более точный анализ процессов в БТ приводит к следующим, более точным соотношениям, которые используются в расчётах в настоящей работе.

, (8)

где D_Б, D_Э – коэффициенты диффузии в эмиттере и базе;

N_Б, N_Э – концентрация примесей в эмиттере и базе;

w – толщина базы;

L_Э, L_Б – средняя диффузионная длина неосновных носителей в эмиттере и базе;

η – коэффициент неоднородности базы (в бездрейфовом БТ с однородной базой η = 0, в дрейфовом транзисторе η = 2...3).

Коэффициент переноса более точно рассчитывается по формуле:

(9)

В настоящей работе определяется статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером β (она наиболее распространённая)

β (10)

В число рассчитываемых параметров включается также предельная частота передачи тока в схеме с ОБ

, , (11)

– время пролёта базы неосновными носителями.

В настоящей работе БТ рассматривается несколько упрощённо. В наиболее точном и сложном описании БТ, в модели программы PSPICE, насчитывается до 60 параметров.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

В данном разделе представлен порядок выполнения работы.

Исходные данные

Необходимо вести исходные данные согласно заданному преподавателем номеру варианта. В нашем случае данные соответствуют варианту 4.

Таблица 1 – Исходные данные (дрейфовый кремниевый n-p-n БТ)

№ варианта	Концентрация примесей в эмиттере NЭ, см-3	Концентрация примесей в базе NБ, см-3	Толщина базы, w, мкм	Коэффициент неоднородности базы, η
4	3·1019	3·1017	0,25	2,5

Рисунок 1 – Исходные данные

Расчёт для случая однородной базы

Необходимо самостоятельно изменить исходные данные так, чтобы исходный дрейфовой транзистор стал диффузионным транзистором с однородной базой.

Рисунок 2 – Расчёт для случая однородной базы

В программе коэффициент неоднородности базы обозначается как Ƨ.

Коэффициент неоднородности базы в дрейфовом транзисторе , в бездрейфовом БТ с однородной базой .

Однородна база достигнута путём уменьшения коэффициента неоднородности до нуля.

Однородная база повлияла на такие параметры как:

1. Коэф. передачи тока, он уменьшится в 3,5 раза;

2. Среднее время пролёта, оно увеличится в 3,5 раза;

3. Предельная частота, она уменьшается в 3,5 раза.

Расчёт для случая повышенной концентрации примесей в эмиттере

Самостоятельно изменить исходные данные так, чтобы было достигнуто увеличение концентрации примесей в эмиттере N_Э.

Рисунок 3 – Расчёт для случая повышенной концентрации примесей в эмиттере

Увеличение концентрации примесей в эмиттере N_Э повлияло на коэффициент передачи тока, он незначительно увеличился в 1,09 раза.

Расчёт для случая повышенной концентрации примесей в базе

Самостоятельно изменить исходные данные так, чтобы было достигнуто увеличение концентрации примесей в базе N_Б.

Рисунок 4 – Расчёт для случая повышенной концентрации примесей в базе

Увеличение концентрации примесей в базе N_Б повлияло на коэф. передачи тока, он уменьшится в 1,2 раза.

Расчёт для случая увеличенной толщины базы

Самостоятельно изменить исходные данные так, чтобы было достигнуто увеличение толщины базы w.

Рисунок 5 – Расчёт для случая увеличенной толщины базы

Увеличение толщины базы w повлияло на такие параметры как:

1. Коэф. передачи тока, он уменьшится в 4 раза;

2. Среднее время пролёта, оно увеличится чуть больше чем в 4 раза.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТОВ

Таблица 2 – Результаты расчетов

Вариант	Коэф. инжекции γ	Коэф. переноса	Коэф. передачи тока ОБ, α	Коэф. переда-чи тока ОЭ, β	Среднее время пролёта τПР, нс	Предель-ная частота в схеме ОБ ,МГц
Исходный (табл. 1)	0,99988	0,99115	0,99103	110,520	24,8015	6,41712
Однородная база η = 0 (диффузионный БТ)	0,99939	0,96969	0,96911	31,3953	86,8055	1,83346
Повышенная концентрация примесей в эмиттере NЭ, см-3	0,99998	0,99115	0,99113	111,850	24,8015	6,41712
Повышенная концентрация примесей в базе NБ ,см-3	0,99880	0,99115	0,98996	98,7735	24,8015	6,41712
Увеличенная толщина базы w, мкм	0,99976	0,96551	0,96528	27,8137	99,2063	1,60428

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе лабораторной работы были изучены физические принципы функционирования биполярного транзистора (БТ), особенности его изготовления и взаимосвязь конструкции, размеров и параметров.