Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроника. Лабораторный практикум. В 2 частях. Ч.1. Учебное пособие
.pdf
n–p–n p–n–p
К
К
Б
Э
Рис. 7. Условное графическое
изображение биполярного транзистора
Б
Э
напряжение между базой и эмиттером позволяет управлять намного
большим коллекторно-эмиттерным током.
Разницы в принципе работы транзисторов обеих структур нет, но
полярность подключения выводов к источнику питания противоположная. Поскольку транзистор имеет симметричную структуру,
конструктивно коллектор может быть эмиттером, однако в реальных конструкциях для обеспечения лучшей работы транзистора
область коллектора делается большей по размерам.
При подключении транзистора к источнику питания один p–n-пе-
реход включается в прямом смещении, а другой – в обратном. Переход, смещенный в прямом направлении, называют эмиттерным,
асоответствующий вывод из наружного слоя – эмиттером. Переход,
смещенный в обратном направлении, называют коллекторным,
асоответствующий вывод из наружного слоя полупроводника –
коллектором. Средний слой полупроводника называют базой.
Принцип работы биполярного транзистора можно объяснить на
примере функциональной схемы, представленной на рис. 8.
При подключении к транзистору напряжений U
и Uкб через
эб
эмиттерный переход осуществляется инжекция дырок из эмиттера
в область базы. Одновременно электроны базы будут проходить в
область эмиттера. Следовательно, в эмиттерной цепи потечет ток
I
по пути +Uэб → Rэ → Э → Б → –Uэб. Этот ток равен сумме дырочной
э
и электронной составляющих:
I
= Iэp + Iэn. (4)
э
21
pp p
II I
ээ э
Э
p n p
К
R
э
I
э
U
Б
I
б
эб
U
R
к
I
к
кб
Рис. 8. Функциональная схема
биполярного p–n–p-транзистора
В транзисторах концентрация носителей заряда в базе значительно меньше, чем в эмиттере. Это приводит к тому, что число дырок, инжектированных из эмиттера в базу, во много раз превышает
число электронов, движущихся в противоположном направлении,
поэтому ток через эмиттерный переход в основном обусловлен
дырками.
Эффективность эмиттера оценивается коэффициентом инжекции γ, который для транзисторов типа p–n–p равен отношению
дырочной составляющей эмиттерного тока к общему току эмиттера:
γ= = =
III
эээ
+
pn
1
.
(5)
I
n
э
+
I
p
э
В современных транзисторах коэффициент γ мало отличается
от единицы (γ ≈ 0,999).
Инжектированные через эмиттерный переход дырки проникают
вглубь базы, для которой они являются неосновными носителями.
Попав в базу, некоторые дырки рекомбинируют с электронами,
однако из-за малой концентрации свободных электронов в базе
и малой ширины базы абсолютное большинство дырок достигает
коллекторного p–n-перехода. Вблизи коллектора дырки начинают
взаимодействовать с электрическим полем коллекторного перехода.
Это поле для дырок является ускоряющим, поэтому они в результате
22
экстракции быстро втягиваются в коллектор и участвуют в создании
∆
I
тока коллектора.
Цепь тока коллектора +U
→ –U
. Те дырки, которые все же рекомбинируют с электронами
кб
→ –Uэб → +Uэб → Rэ → Э → Б → К → Rк →
кб
в области базы, участвуют в создании тока базы, проходящего по
цепи +U
→ Rэ → Э → Б → –Uэб.
эб
Таким образом, ток базы можно записать в следующем виде:
I
= Iб + Iк. (6)
э
Для оценки влияния рекомбинации носителей заряда в базе
на усилительные свойства транзистора используют коэффициент
переноса носителей в базе δ, который показывает, какая часть инжектированных эмиттером дырок достигает коллекторного перехода:
I
p
к
δ= .
I
p
э
(7)
Одним из основных параметров транзистора является коэффициент передачи тока эмиттера, который равен отношению приращения тока коллектора к приращению тока эмиттера при неизменном напряжении на коллекторном переходе:
к
α=∆.
I
э
(8)
Коэффициент передачи тока эмиттера может быть также выражен через величины γ и δ:
α = δγ. (9)
Поскольку в цепи коллектора кроме тока, обусловленного экстракцией дырок из базы в коллектор, протекает дрейфовый обратный ток коллекторного перехода I
I
= αIэ + I
к
Таким образом, ток коллектора I
U
при определенном значении тока эмиттера Iэ не зависят от на-
эб
пряжения, приложенного к коллекторному переходу, U
, полный ток коллектора:
кб0
≈ αIэ. (10)
кб0
и напряжение эмиттер-базы
к
.
кб
23
Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициен-
( )
const
том усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером (ОЭ):
I
к
β= .
I
б
(11)
3.2.2. Характеристики биполярных транзисторов
Для анализа работы и определения параметров транзистора исполь-
зуют в основном статические входные и выходные характеристики.
Входные характеристики биполярного транзистора для схемы с
общим эмиттером определяют зависимость тока базы I
жения «база–эмиттер» U
тор–эмиттер» U
(рис. 9):
кэ
При напряжении U
при постоянном напряжении «коллек-
бэ
I fU
б бэ
= 0 входная характеристика представляет со-
кэ
.
==U
кэ
от напря-
б
бой вольт-амперную характеристику (ВАХ) двух параллельно включенных переходов в прямом смещении. При повышении напряжения
U
вероятность рекомбинации носителей заряда в базе уменьшается,
кэ
следовательно, уменьшается и ток базы (почти все носители втягиваются в коллектор), что видно из входных характеристик.
–3
× 10
5
Uкэ = 0,15 В
U
4,5
4
3,5
3
2,5
, А
б
I
2
1,5
1
0,5
0
0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7
кэ
U
зи
= 0,5 В
= 5 В
Uбэ, В
Рис. 9. Входные характеристики биполярного транзистора
24
( )
const
0,5
0,45
0, 4
0,35
Iб = 0,001 А
I
= 0,002 А
б
I
= 0,003 А
б
I
= 0,004 А
б
I
= 0,005 А
б
0,3
0,25
, А
к
I
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Uкэ, В
Рис. 10. Выходные характеристики биполярного транзистора
В схеме с ОЭ напряжение, приложенное к коллекторному пе-
реходу, равно разности U
– Uбэ, поскольку эти напряжения
кэ
оказываются включенными встречно между точками «коллектор–база». Поэтому при напряжении |U
| < |Uбэ| коллекторный
кэ
переход оказывается включенным в прямом направлении, при
этом крутизна выходных характеристик велика (транзистор работает в режиме насыщения). На участке где |U
| > |Uбэ| крутизна
кэ
характеристик мала, и они будут проходить почти параллельно оси
абсцисс (активный режим работы транзистора). Небольшой рост
тока на пологих участках характеристик обусловлен увеличением
напряжения U
заданном уровне, поскольку при увеличении напряжения U
, необходимым для поддержания тока базы на
бэ
кэ
ширина базы уменьшается и ток базы снижается, а также вследствие
ударной ионизации обратно смещенного коллекторного перехода.
Выходные характеристики биполярного транзистора для схемы
с общим эмиттером определяют зависимость тока коллектора I
напряжения «коллектор–эмиттер» U
(рис. 10):
I fU
к кэ
.
==I
б
при постоянном токе базы
кэ
к
от
25
3.2.3. Методические указания по выполнению лабораторной
работы. Исследование статических характеристик
биполярного транзистора
Экспериментальное исследование статических характеристик
биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, осуществляется на основе схемы, представленной на рис. 11.
Установите мини-модуль с одним из биполярных транзисторов
VT1…VT4. Включите многопредельный миллиамперметр А1 (модуль
«Миллиамперметры») на пределе «×10» (1 мА). Установите потенциометр RP1 в крайнее левое положение. Включите второй миллиамперметр А2 (модуль «Миллиамперметры») на пределе «×100» (10 мА).
Включите мультиметр в режиме измерения напряжения постоянного
тока для измерения напряжения V2. Тумблер SA2 установите в нижнее положение. Подключите второй мультиметр в режиме измерения
напряжения постоянного тока для измерения напряжения V1.
Входные характеристики снимают для двух значений U
U
= 0 В, Uкэ = 5 В (5…6 значений для каждого из значений Uкэ).
кэ
A2
кэ
:
RP1
R1
Рис. 11. Принципиальная электрическая схема исследования
статических характеристик биполярного транзистора
A1
V1
VT1
Rш
26
V2
= U
2
Чтобы Uкэ = 0 В, необходимо с помощью провода соединить коллектор с эмиттером, предварительно отключив источник напряжения
(отключить миллиамперметр А2 и поставить перемычку между гнездами X1–X10). При U
≠ 0 входные характеристики практически
кэ
совпадают. При желании в этом можно убедиться и снять входные
характеристики для нескольких значений U
. Ток базы изменяют
кэ
с помощью потенциометра RP1.
Результаты измерений входных характеристик транзистора за-
носят в табл. 2.
Выходные характеристики снимают при пяти значениях тока
базы в интервале от 0 до 100 мкА. Напряжение U
изменяют в ди-
кэ
апазоне от минимального значения до 10 В (5…7 значений).
Результаты измерений выходных характеристик транзистора
заносят в табл. 3.
Таблица 2
Входные характеристики биполярного транзистора
U
№
п/п
1
2
…
n
= 0 В U
кэ
U
, мВ Iб, мкА Uбэ, мВ Iб, мкА
бэ
кэ
= 5 В
№
п/п
1
2
…
n
Выходные характеристики биполярного транзистора
I
=… мкА Iб = … мкА Iб = … мкА Iб = … мкА
б
U
, В Iк, мА Uкэ, В Iк, мА Uкэ, В Iк, мА Uкэ, В Iк, мА
кэ
Таблица 3
27
По результатам экспериментов построить графики. По вы-
∆
U
ходным характеристикам построить проходную характеристику
I
= f (Iб).
к
По входным, выходным и проходной характеристикам определяют величины β, r
.
д
Коэффициент передачи транзистора по току (11) определяется
из проходной характеристики в соответствии со следующим выражением:
∆
I
к
Дифференциальное сопротивление транзистора r
β=∆.
I
б
(12)
определяется
д
с использованием выходных статических ВАХ транзистора:
кэ
=
r
д
.
(13)
∆
I
к
3.3. Исследование полевого транзистора
Цель работы. Изучение характеристик, параметров и режимов
работы МОП-транзистора с каналом n-типа и усилительного каска-
да с общим истоком.
3.3.1. Краткие теоретические сведения
Полевой (униполярный) транзистор – полупроводниковый прибор
с одним p–n-переходом, принцип действия которого основан на из-
менении объемного сопротивления (проводимости) полупроводникового материала под действием поперечного электрического поля.
Электропроводность исходного материала (канала) осуществляется
носителями заряда только одного знака (электронами или дырками).
В зависимости от типа проводимости полупроводника полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом p-типа и n-типа.
Все полевые транзисторы по своим конструктивным особенностям делятся на две группы:
– с p–n-переходом (канальные, или униполярные);
– с изолированным затвором (МДП- или МОП-транзисторы).
28
Условное графическое изображение полевого МОП-транзистора
представлено на рис. 12.
Проводимость канала полевого транзистора может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то транзистор называют n-канальным. Транзисторы с канала-
ми, имеющими дырочную проводимость, называют p-канальными.
В МОП-транзисторах канал может быть обеднен носителями или
обогащен ими. Таким образом, понятие «полевой транзистор» объединяет шесть различных видов полупроводниковых приборов.
МОП-транзисторы широко применяются в современной электронике. В ряде областей, в том числе в цифровой электронике, они
почти полностью вытеснили биполярные транзисторы. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление и обеспечивают малое
потребление энергии. Во-вторых, МОП-транзисторы занимают на
кристалле интегральной схемы (ИС) значительно меньшую площадь, чем биполярные. Поэтому плотность компоновки элементов
в интегральных схемах значительно выше. В-третьих, технологии
производства интегральных схем на МОП-транзисторах требуют
меньшего числа операций, чем технологии изготовления ИС на
биполярных транзисторах.
Структура транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 13.
При нулевом напряжении канал отсутствует. При этом между
стоком и истоком включены два обратно смещенных p–n-перехода.
n-канальный
З
Рис. 12. Условное графическое изображение
С
И
полевого МОП-транзистора
p-канальный
З
С
И
29
Сток
(кремний)
С
Диэлектрик
Подложка
(кремний)
n
З
Затвор
(алюминий)
И
Исток
(кремний)
2
SiO
p
n
Подложка
Рис. 13. Функциональная схема
n-канального МОП-транзистора
Один p–n-переход образуется на границе между подложкой и стоком,
другой – между подложкой и истоком. Таким образом, при нулевом
напряжении на затворе сопротивление между стоком и истоком
очень велико, ток стока ничтожно мал и транзистор находится всостоянии отсечки.
Если между затвором и истоком включен источник напряжения,
то электрическое поле затвора выталкивает дырки из приповерхностного слоя подложки и притягивает в этот слой электроны.
В результате в области подложки, примыкающей к диэлектрику,
образуется проводящий канал n-типа. Такой канал называют инду-
цированным. С увеличением положительного напряжения затвор–
исток U
растет концентрация электронов в канале, следовательно,
зи
увеличивается его проводимость.
Если между стоком и истоком приложено положительное напряжение, то в индуцированном канале возникает ток стока. Его величина зависит как от напряжения U
U
. Напряжение затвора, при котором появляется заметный ток
си
стока, называют пороговым и обозначают U
, так и от напряжения сток–исток
зи
. Пороговое напряжение
0
МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа положитель-
но. Его величина зависит от технологии изготовления и составляет
для современных интегральных МОП-транзисторов 0,5…1,0 В.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]