Предварительное расчетное задание

1. Провести расчет φ_k, I_s и r_б диодов на основе германия и кремния при 250, 300 и 350 К.

2. Рассчитать и построить ВАХ диодов при 250, 300 и 350 К с учетом сопротивления базы.

Данные к расчету

Взять из задания к типовому расчету согласно номеру в журнале

Рабочее задание

1. Получить у преподавателя диод, отметить в протоколе материал, из которого сделан диод.

2. Измерить прямую и обратную ветви ВАХ диодов при температурах, указанных преподавателем, результаты занести в таблицы.

3. Построить графики ВАХ диодов в линейных масштабах по осям.

4. По усмотрению преподавателя, получить второй диод и повторить п. 1-3.

Анализ результатов измерений

1. Графически оценить значение φ_k.

2. Сравнить экспериментально полученные ВАХ диодов с теоритическими, объяснить разницу.

Контрольные вопросы

1. Объясните зависимость от температуры концентрации носителей и положения уровня Ферми.

2. Объясните зависимость подвижности от температуры и концентрации ионов примеси.

3. Объясните электропроводность полупроводников и ее зависимость от температуры. Определение E_g по температурным зависимостям электропроводности.

4. Какие параметры диода изменяются при повышении температуры?

Лабораторная работа № 3. Исследование статических характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой

Цель работы: изучение принципа работы и приобретение навыков экспериментального исследования ВАХ биполярного полупроводниковых транзисторов.

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Биполярный транзистор – активный прибор, так как он позволяет осуществлять усиление мощности.

Рис. 3.1. Биполярный p-n-p-транзистор в активном режиме

Рис. 3.2. Условное обозначение биполярного транзистора

Биполярный транзистор состоит из трех областей чередующегося типа электропроводности (рисунок 3.1), которые образуют два p-n-перехода, расположенных в непосредственной близости один от другого. В зависимости от порядка расположения областей различают p-n-p и n-p-n-транзисторы. Условное обозначение транзистора показано на рисунке 3.2. В активном режиме работы транзистора (режиме усиления мощности) на эмиттерный переход подается прямое смещение, а на коллекторный переход – обратное.

В p-n-p-транзисторе эмиттерный p-n-переход при прямом смещении инжектирует дырки из эмиттера в базовую область транзистора. Как правило, концентрация легирующей примеси в эмиттере значительно больше, чем в базе, в этом случае ток дырок I_эp, инжектируемых в базу, практически равен полному току эмиттера I_э. Эффективность эмиттера характеризуется коэффициентом инжекции , который должен быть близок к единице.

Часть дырок, инжектированных эмиттером, будет рекомбинировать в базе с электронами. Если толщина базы w много меньше диффузионной длины дырок в базе L_p, то большинство дырок дойдет до коллектора. Коллекторный переход смещен в обратном направлении, поэтому все дырки, дошедшие до ОПЗ коллектора, будут захвачены электрическим полем перехода и переброшены в квазинейтральную область коллектора – произойдет экстракция дырок коллектором. Эффективность перемещения неосновных носителей через базу характеризуется коэффициентом переноса , где– ток дырок, достигающих границы ОПЗ коллекторного перехода. Значениев транзисторе с малым отношениемw/L_p близко к единице.

При токе эмиттера через коллекторный переход протекает обратный ток, обусловленный приложенным к нему обратным напряжением, как в изолированномp-n-переходе, , где– обратный ток насыщения коллекторного перехода,– напряжение, приложенное к коллектору. Учитывая, что управляемая эмиттером составляющая тока коллектора равна γ I_э, полный ток коллектора:

, (3.1)

где –коэффициент передачи тока эмиттера при нормальном включении, т.е., когда эмиттер инжектирует электроны, а коллектор – собирает. (Возможен и инверсный режим, когда коллектор инжектирует электроны, а эмиттер – собирает.)

Транзистор может быть включен по схеме с общей базой ОБ (базовый вывод на земле, он является общим для входной и выходной цепей), с общим эмиттером и общим коллектором. Схемы включения транзистора показаны на рисунке 3.3.

ОБ ОЭ ОК

Рис. 3.3. Схемы включения транзистора

Зависимостью при постоянномI_э определяется семейство выходных ВАХ (рисунок 3.4,а) транзистора с общей базой. Семейство входных ВАХ (рисунок 3.4,б) транзистора с ОБ представляет собой зависимость , параметром семейства является.

а) б)

Рис. 3.4. Выходные и входные ВАХ p-n-p-транзистора с ОБ

В зависимости от соотношения полярности напряжений на p-n-переходах различают активный (усилительный) режим, при котором эмиттер смещен прямо, а коллектор – обратно; режим насыщения, при котором коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении и инжектируют неосновные носители в базу; режим отсечки, при котором оба p-n-перехода обратно смещены, ток коллектора очень мал и равен .

Физические процессы в биполярном транзисторе можно описать системой уравнений:

; (3.2)

; (3.3)

(3.4)

где – нормальный коэффициент передачи тока,– инверсный коэффициент передачи тока,итоки насыщения эмиттерного и коллекторногоp‑n‑переходов I_э0 = S_э (j_{э ps}+ j_{э ns}), I_к0 = S_к (j_{к ps}+ j_{к ns}).

Коэффициент передачи тока эмиттера является важнейшим параметром транзистора. В p-n-p-транзисторе:

(3.5)

(3.6)

где N_б, N_э, N_к – концентрации легирующей примеси в базе, эмиттере, коллекторе, S_э и S_к – площадь эмиттера и площадь коллектора.

Группа уравнений (3.2) - (3.4) и соответствующая электрическая модель (рисунок 3.10) называются моделью Эберса-Молла. Для более полного представления свойств транзистора модель дополнена омическими сопротивлениями квазиэлектронейтральных областей эмиттера, базы и коллектора.

Рис. 3.5. Эквивалентная схема модели Эберса-Молла для p-n-p-транзистора

В активном режиме работы транзистора коллекторный переход обратно смещен, → I_к0. Это обратный ток p-n-перехода, он очень мал, им можно пренебречь (считаем, что ток I₂ на рисунке 3.5 равен нулю). Тогда  это ток прямо смещенного эмиттерного перехода (I₁ на рисунке 3.10), а ток коллектора равен (ток источника α_N ∙I₁).

При повышенном обратном напряжении на ОПЗ коллектора электроны могут вызвать ударную ионизацию носителей заряда, произойдет лавинное умножение носителей, все токи, пересекающие переход, увеличатся в M раз (M – коэффициент лавинного умножения). Лавинное умножение может приводить к нестабильной работе транзистора, поэтому при усилении электрических сигналов такой режим не используют. Задают такое , чтоM ≈ 1.

Для транзистора с ОБ коэффициент усиления по току ΔI_вых /ΔI_вх = α_N < 1, т.е. усиления тока не происходит. Однако транзистор с ОБ позволяет получить большое усиление по напряжению (ΔU_вых /ΔU_вх). Коэффициент усиления по мощности (ΔP_вых /ΔP_вх) транзистора с ОБ может быть заметно больше единицы. Выходное дифференциальное сопротивление транзистора в пологой области велико, входное дифференциальное сопротивление транзистора, определяемое по входной ВАХ прямосмещенного эмиттерного перехода, значительно меньше выходного.

При домашней подготовке необходимо ознакомиться с принципом работы биполярного транзистора.