Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Полупроводниковые приборы. Лабораторный практикум
.pdf
По окончании работы клавишей «СЕТЬ» отключите пита-
ние стенда.
V. Обработка результатов измерений
1. По данным таблиц 2.1 и 2.2 постройте статическую
вольтамперную характеристику полупроводникового стабилитрона I3 = f (E3).
2. Рассчитайте сопротивление стабилитрона постоянному
току при его прямом и обратном включении.
3. Рассчитайте дифференциальное сопротивление стабилитрона в прямом включении (сопротивление переменному току)
в середине экспериментально измеренной ВАХ.
4. По данным таблицы 2.1 рассчитайте дифференциальное сопротивление стабилитрона на участке стабилизации при I
= 5 мА.
ст
5. Рассчитайте коэффициент качества стабилитрона. Коэффициент качества стабилитрона определяют как отношение статического сопротивления стабилитрона к дифференциальному
сопротивлению в заданной рабочей точке: Q = Rст / Ri, где
R
= Uст/I
ст
рабочей точке; U
лизации I
– статическое сопротивление стабилитрона в данной
ст
– напряжение стабилизации при токе стаби-
ст
ст min
6. Приведите основные параметры исследуемого стабилитрона КС156.
7. Сделайте выводы по работе.
VI. Контрольные вопросы
1. Какие виды пробоя p-n перехода существуют и в чем их
отличие?
2. Изобразите и объясните график ВАХ стабилитрона. Где
расположен рабочий участок на ВАХ стабилитрона?
3. Приведите основные параметры стабилитрона.
4. Как зависит ТКН от вида пробоя стабилитрона?
5. В чем заключается отличие стабилитрона от стабистора?
31
6. Приведите примеры маркировки полупроводниковых
стабилитронов.
7. В чем состоит характерная особенность электрического
пробоя в обратно смещенном p-n переходе?
8. Нарисуйте схему стабилизатора напряжения на полу-
проводниковом стабилитроне и объясните принцип его работы
при изменении входного напряжения.
9. Нарисуйте схему стабилизатора напряжения на полу-
проводниковом стабилитроне и объясните принцип его работы
при изменении сопротивления нагрузки.
10. Почему в качестве материала для стабилитронов ис-
пользуют кремний, а не германий?
32
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО
ТРАНЗИСТОРА
I. Цель работы
1. Изучить устройство, принцип действия, систему обозначений, параметры и характеристики биполярных транзисторов.
2. Экспериментально исследовать статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора, включенного по
схеме с общим эмиттером, и рассчитать по полученным характеристикам его основные параметры.
II. Подготовка к работе
1. Прочитать по теме материал, изложенный на лекциях
и в рекомендованной для самостоятельной работы литературе.
2. По настоящему руководству изучить описание лабораторной работы.
3. Оформить заготовку отчета по лабораторной работе. Изобразить схему цепи для проведения исследований, заготовить
таблицы.
4. Ответить на контрольные вопросы.
III. Теоретический материал для подготовки
и выполнения лабораторной работы
Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с тремя областями чередующейся электропроводности. Термин биполярный означает то, что работа такого транзистора основана на использовании как отрицательных носителей заряда (электронов), так и положительных носителей заряда
(дырок).
В зависимости от материала полупроводника различают
кремниевые и германиевые транзисторы. Два p-n перехода раз-
33
деляют монокристалл на три легированные примесями области,
называемые эмиттером, базой и коллектором и имеющие соответствующие выводы. По виду примесей различают транзисторы типов n-p-n и p-n-p (см. рис. 3.1). Приборы типа n-p-n в на-
стоящее время используют чаще, потому что по сравнению
с транзисторами p-n-p типа они имеют лучшие характеристики
в области высших частот из-за большей подвижности дырок
и большее усиление при одной и той же концентрации примесей
и одинаковой геометрии.
Биполярным транзистор называют потому, что его работа
зависит от носителей заряда обеих полярностей. Весьма часто
БТ называют просто транзистором от английского transfer
resistor. По смыслу это означает, что транзистор изменяет
(трансформирует) величину сопротивления, согласуя сопротивление нагрузки с выходным сопротивлением предыдущего каскада (узла) схемы.
а б
Рис. 3.1. Структуры и условные графические обозначения
биполярных транзисторов p-n-p (а) и n-p-n (б) типов
34
На рисунке 3.2 изображена типичная топология маломощного кремниевого n-p-n транзистора, выполненного по планарно-эпитаксиальной технологии.
Верхняя область транзистора является эмиттером, нижняя –
коллектором, а средняя – базой; три электрода на рисунке 3.2
обозначены прописными буквами Э, К и Б. Поскольку все области транзистора формируются путем диффузии примесей
в кремниевую пластину через одну из ее сторон (верхняя поверхность пластины), то такие транзисторы называют планарными. На рисунке 3.2 указаны типичные размеры различных областей планарного транзистора.
Рис. 3.2. Топология биполярного n-p-n транзистора
Подколлектор транзистора представляет собой высоколегированный слой полупроводника n типа, который расположен
непосредственно под коллекторной областью транзистора и позволяет существенно снизить сопротивление коллектора. Знак
плюс рядом с буквой n (n+) означает повышенную концентрацию примеси в данной области.
В местах присоединения выводов на кремниевую пластину
осаждается алюминиевая пленка, к которой привариваются проволочные выводы транзистора.
35
В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три
схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), общим
эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Схемы включения
изображены на рисунке 3.3.
В зависимости от характера напряжений на p-nпереходах различают следующие режимы работы биполярных транзисторов:
активный режим, при котором напряжение на эмиттер-
ном переходе прямое, а на коллекторном переходе обратное;
режим отсечки, при котором на обоих переходах обрат-
ные напряжения (транзистор заперт);
режим насыщения, при котором на обоих переходах пря-
мые напряжения (транзистор открыт и насыщен);
инверсный режим.
а б в
Рис. 3.3. Схемы включения биполярного транзистора:
а – с общей базой; б – с общим эмиттером; в – с общим коллектором
Режимы отсечки и насыщения характерны для работы транзистора в ключевом режиме, который используется в цифровых
схемах (логические элементы, триггеры, импульсные генераторы и т.п.). Активный режим используют при работе транзисторов в аналоговых схемах (усилители, фильтры и т.п.). В инверсном режиме переход эмиттер-база закрыт, а переход коллекторбаза открыт. Для перевода транзистора в инверсный режим одновременно изменяют полярность источников питания U
ЭБ
и UКБ. Поскольку конструкция современных транзисторов несимметрична (толщина области коллектора больше толщины
36
области эмиттера), на закрытый переход эмиттер-база нельзя
подавать большое напряжение. Обычно U
≈ 5 В. В таком ре-
ЭБ
жиме коэффициенты передачи тока транзистора уменьшаются,
поэтому инверсный режим в современной схемотехнике практически не используется.
Рассмотрим физические процессы, происходящие в транзисторе, как в системе двух взаимодействующих p-n переходов.
Выберем для анализа транзистор структуры p-n-p.
Биполярному транзистору присущи некоторые конструктивные особенности: p-n-переходы сформированы очень близко
друг к другу на расстоянии меньше длины диффузионного пробега носителей зарядов, поэтому заряды, прошедшие через один
переход, могут достичь другого перехода и проникнуть через
него; эмиттерную и коллекторную области легируют примесями
значительно больше, чем область базы, поэтому концентрация
основных носителей (дырок) в эмиттере и коллекторе гораздо
выше, чем электронов в базе. Из-за этого области p-n переходов
эмиттер-база (∆ХЭБ) и коллектор-база (∆Х
) смещены в область
КБ
базы, что дополнительно уменьшает ширину базы. Схематичное
изображение транзистора с такими конструктивными особенностями представлено на рисунке 3.4.
Рис. 3.4. Схематичное изображение транзистора структуры p-n-p
37
Подключение к электродам транзистора внешних источников питания Е
база, а Е
КБ
плюсом к эмиттеру открывает переход эмиттер-
ЭБ
минусом к коллектору закрывает переход коллектор-
база.
Через открытый переход эмиттер-база начинает протекать
ток эмиттера IЭ – ток основных носителей зарядов: дырки из
эмиттера проходят в базу, а электроны из базы – в эмиттер. Поскольку концентрация электронов в базе мала, то в базу проникает больше дырок, чем уходит из неѐ электронов. Происходит
инжекция (проникновение) в базу не основных для неѐ носителей зарядов – дырок. Инжектированные в базу дырки перемещаются в ней и частично рекомбинируют (соединяются, взаимно уничтожаются) с малым числом электронов, образуя ток базы IБ. Но ширина базы меньше длины диффузионного пробега
дырок, поэтому большая часть дырок избегает рекомбинации
и подходит к переходу коллектор-база.
Переход коллектор-база закрыт для электронов (основных
носителей зарядов в базе), но для не основных носителей он не
представляет препятствия. Наоборот, электрическое поле от Е
КБ
в области перехода коллектор-база ускоряет дырки, которые
свободно проходят в коллектор, создавая ток коллектора IК.
Токи в транзисторе связаны соотношением:
Iэ = Iк + IБ. (3.1)
Это – основное уравнение токов в транзисторе.
Основным показателем качества транзистора является ко-
эффициент передачи тока. Различают коэффициент передачи
тока эмиттера: статический А = Iк/Iэ и динамический (диффе-
ренциальный)
= ∆Iк/∆Iэ. (3.2)
э
Поскольку ток коллектора всегда меньше тока эмиттера на
величину тока базы, коэффициент передачи тока эмиттера всегда меньше единицы. Обычно э = 0.95…0.99.
Коэффициент передачи тока базы: статический В = Iк/I
Б
и динамический (дифференциальный)
β = ∆Iк/∆IБ. (3.3)
38
Так как ток коллектора всегда больше тока базы, коэффициент передачи тока базы всегда больше единицы. Обычно
β = 10…200.
Коэффициенты передачи тока можно выразить один через
другой:
β = (1 – э ); э = β /(β + 1). (3.4)
Следует отметить, что зависимость тока коллектора от тока
базы в схеме ОЭ и от тока эмиттера в схеме ОБ с учѐтом обратного тока закрытого коллекторного перехода I
отличается от
к0
основного уравнения токов транзистора (3.1) и определяются
формулами:
для схемы ОЭ: Iк = β (Iб + Iк0); (3.5)
для схемы ОБ: Iк = эIэ + Iк0, (3.6)
где I
– обратный ток перехода база-коллектор при токе Iэ= 0.
к0
Токи в транзисторе зависят от напряжений на всех его выводах. Вольтамперные характеристики транзистора снимают
между двумя выводами при фиксированном значении напряжения или тока на третьем, поэтому такие характеристики называются статическими. Изменяя фиксированное значение напряжения или тока, получают семейство статических вольтамперных характеристик, вид которых зависит от схемы включения
транзистора.
Статические характеристики транзистора бывают входные
и выходные. Для схемы ОЭ входная характеристика определяется выражением
IБ = f (UБ) при UКЭ = const, (3.7)
а выходная
IК = f (UКЭ) при UБ = const. (3.8)
Графики статических характеристик для схемы ОЭ представлены на рисунке 3.5.
39
Рис. 3.5. Статические характеристики транзистора в схеме ОЭ
Семейство входных статических характеристик для открытого перехода база-эмиттер также напоминает прямую ветвь
вольтамперной характеристики диода. До порогового напряжения переход закрыт, и ток не проходит. При U
= 0 переход
КЭ
коллектор-эмиттер замкнут накоротко (резистор R2 в нижнем по
схеме положении), и не влияет на ток базы IБ. С увеличением
U
происходит уменьшение толщины базы (эффект Эрли),
КЭ
вследствие чего ток базы начинает уменьшаться. Повышается
входное сопротивление транзистора, входная характеристика
смещается вправо.
Семейство выходных статических характеристик также напоминает обратную ветвь вольтамперной характеристики диода,
но отличается от вида выходных характеристик схемы ОБ. При
UКЭ = 0 ток коллектора тоже равен нулю, независимо от величины тока базы IБ. Это объясняется тем, что под воздействием Е
БЭ
из эмиттера в базу проходит малое число зарядов, которые все
рекомбинируют в базе и не проходят в коллектор. В области малых напряжений на коллекторе (1…1,2 В) транзистор находится
в режиме насыщения.
С увеличением напряжения на коллекторе U
всѐ больше
КЭ
зарядов проникает из эмиттера в коллектор, ток коллектора возрастает. На графике выходных характеристик это видно сначала
по резкому увеличению тока в области малых напряжений на
коллекторе, затем по плавному увеличению тока в области
средних напряжений и искривлению характеристик в области
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]