Задачи и упражнения

3. Используя ВАХ кремниевого выпрямительного диода КД103А, приведенную на рис. 4.16, дляt = 20С определить:

• сопротивление диода постоянному току при прямом включении для напряжений U_{ПР 1}= 0,4 В;U_{ПР 2}= 0,6 В;U_{ПР 3}= 0,8 В. Построить график зависимостиR₀ = f (U_ПР);

• сопротивление постоянному току при обратных напряжениях U_ОБР1= -50В;U_ОБР2 = -100 В;U_{ОБР 3}= -200 В. Построить график зависимостиR₀ = f (U_ОБР);

• дифференциальное сопротивление и крутизну прямой ветви ВАХ для напряжения U_ПР= 0,8 В;

• дифференциальное сопротивление и крутизну обратной ветви ВАХ для напряжения U_ОБР= -50 В.

• Построить зависимость сопротивления постоянному току при прямом включении от температуры, при значениях прямого напряжения U_{ПР 1}= 0,4 В;U_{ПР 2}= 0,6 В;U_{ПР 3}= 0,8 В.

• Построить зависимость сопротивления постоянному току при обратном включении от температуры, при значениях напряжения U_{ОБР 1}= -50 В;U_{ОБР 2}= -100 В;U_{ОБР 3}= -200 В.

• Определить изменения прямого тока при изменении температуры от –60до +120С для значенийU_{ПР 1}= 0,4 В;U_{ПР 2}= 0,6 В;U_{ПР 3}= 0,8 В.

• Определить изменения обратного тока при изменении температуры от –60до +120С для значенийU_{ОБР 1}= -50 В;U_{ОБР 2}= -100 В;U_{ОБР 3}= -200 В.

4. В рабочем режиме на вход цепи, приведенной на рис. 4.17, подано напряжение Е = 2 В. Рассчитайте напряжение и ток, протекающий через нагрузку и, используя ВАХ для двух значений сопротивления нагрузкиR_Н1= 80 Ом;R_Н2= 40 Ом.

5. Определите значение сопротивления ограничительного резистораR_ОГРпараметрического стабилизатора напряжения на кремниевом стабилитроне Д813 (рис. 4.14), если известно сопротивление нагрузкиR_Н= 3,7 кОм, параметры стабилитрона:U_СТ= 13 В; I_{СТ MIN}= 1 мА; I_{СТ МАХ} = 20 мА, а напряжение источника Е изменяется от U_MIN = 17 В до U_МАХ= 23В.

6.Какое напряжениеUнеобходимо приложить к варикапу, характеристика которого приведена на рис. 4.18, чтобы общая емкость варикапа С₁и параллельно подсоединенного к нему конденсатора емкостью С₂= 100 пФ составила С_ОБЩ= 150 пФ.

Тема 5. Биполярные транзисторы

5.1. Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Биполярный транзистор (БТ)– полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующимир-nпереходами и тремя выводами.

БТ представляет собой пластину полупроводника, в которой созданы три области с чередующимся типом проводимости. В зависимостиот порядка их расположенияразличают БТ типаn-p-n иp-n-p. На рис. 5.1 схематично показаны структуры этих БТ и их условно-графические обозначения соответственно.

Термин «биполярный» подчеркивает, что в работе этих транзисторов участвуют оба вида носителей зарядов – электроны и дырки.

Центральную область кристалла называютбазой, две крайние –эмиттеромиколлектором.Р-nпереходмежду эмиттером и базой называютэмиттерным, апереходмежду коллектором и базой –коллекторным. Стрелка эмиттера на УГО БТ показывает направление тока при прямом напряжении на эмиттерном переходе. Часть поверхностей областей покрывают металлическими пленками, к которым припаивают выводы для подачи внешних напряжений.

В настоящее время большинство БТ (как дискретных, так и входящих в состав микросхем) изготовляется на основе кремния и, как правило, имеет структуру n-p-n. Это связано с тем, что в транзисторахn-p-nосновную роль играют электроны, а из-за того, что их подвижность в несколько раз выше подвижности дырок, транзисторы типаn-p-nимеют лучшие частотные характеристики и большее усиление по сравнению с транзисторамир-n-рпри прочих равных условиях (равенство концентрации примесей, одинаковой геометрии устройства БТ и пр.). Выпуск дискретных германиевых транзисторов ограничен, а БТ на основе арсенида галлия еще не вышли из стадии лабораторных разработок.

В связи с этим имеет смысл далее рассматривать кремниевый транзистор n-p-nтипа. Однако все основные теоретические выводы справедливы и для БТ типаp-n-p(с переменой знаков), и для БТ, выполненных на основе любых других полупроводниковых материалов.

Хотя на рис. 5.1 изображение структуры симметрично, однако в реальных БТ симметрия отсутствует. Во-первых, коллекторный переход имеет значительно большую площадь по сравнению с эмиттерным. Во-вторых, концентрация примесей в областях различна. Наиболее сильно легируют эмиттер, концентрация донорных примесей в коллекторе имеет среднюю величину, а базу легируют слабо. На рис. 5.1 соотношение между линейными размерами областей искажено. Необходимое взаимодействие между переходами может быть обеспечено малой толщиной базы, которая значительно меньше диффузионной длины и не превышает нескольких микрометров.

При использовании БТ в качестве компонента электрической схемы к каждому его р-nпереходу подключается внешнее постоянное напряжение, смещающее переход в том или ином направлении. При этом могут иметь место три режима работы:

• активный режим, при котором эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном;

• режим насыщения, при котором оба перехода прямо смещены;

• режим отсечки, при котором оба перехода обратно смещены.

В режиме отсечки через оба перехода проходят незначительные обратные токи, что эквивалентно большому сопротивлению. Это позволяет в первом приближении считать, что между всеми выводами БТ будет разрыв, а токи в его внешних цепях равны нулю. В режиме насыщения через оба перехода проходит большой прямой ток, что эквивалентно малому сопротивлению. Как говорят, транзистор «стягивается в точку», а токи, проходящие через него, определяются только сопротивлениями элементов, включенных во внешние цепи транзистора. Режимы отсечки и насыщения характерны для работы БТ в качестве переключательного элемента – электронного ключа.

Активный режим используют при работе БТ в усилителях и генераторах. В этом случае (рис. 5.2) источник питания Е_БЭподключен к эмиттерному переходу в прямом направлении, его полярность совпадает с полярностью основных носителей эмиттера и базы. Источник Е_КБсмещает коллекторный переход в обратном направлении. При этом сопротивление эмиттерного перехода мало и для достаточно большого прямого тока достаточно напряжения Е_БЭв десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико и напряжение Е_КБобычно составляет единицы и десятки вольт.

Из эмиттера в базу инжектируют электроны, а из базы в эмиттер – дырки. Однако в связи с тем, что эмиттер легирован значительно сильнее базы, поток электронов будет намного больше потока дырок и именно он определяет основные процессы происходящие в транзисторе. Из-за разности концентраций электроны движутся к коллектору, стремясь равномерно распределиться по всему объему базы. Так как толщина базы меньше диффузионной длины, большинство электронов не успевают рекомбинировать в ней и почти все они достигают коллекторного перехода. Вблизи коллекторного перехода они попадают под действие электрического поля обратно смещенного коллекторного перехода. А так как они являются в базе неосновными носителями, то происходит переброс электронов через переход в область коллектора – экстракция. В коллекторе электроны становятся основными носителями и легко проходят до коллекторного вывода, создавая ток во внешней выходной цепи БТ.

Небольшая часть электронов рекомбинирует в базе, формируя тем самым базовый ток во внешней (входной) цепи. Механизм его образования следующий. В установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации некоторое их количество исчезает, но столько же новых дырок образуется за счет того, что из базы такое же количество электронов уходят в направлении положительного полюса источника Е_БЭ, образуя ток базы. Поэтому накопления заряда за счет прибывших из эмиттера электронов не происходит.

В соответствии с первым законом Кирхгофа между токами в электродах БТ всегда имеет место, следующее соотношение:

I_Э=I_К + I_Б. (5.1)

Ток базы является бесполезным и даже вредным. Именно с целью его уменьшения, толщина базы должна иметь малое значение, так же как и ее концентрация примесей. В противном случае за счет увеличения рекомбинации носителей возрастает базовый ток, а полезный выходной ток, ток коллектора, получает малое приращение и усилительные свойства транзистора ухудшаются.

Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то ток через него практически отсутствует. При этом область коллекторного перехода имеет большое сопротивление, т.к. основные носители удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обедненные этими носителями. Через обратно смещенный переход протекает лишь незначительный обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей: электронов из р-области и дырок изn-области. Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, которые для базы являются неосновными. Не успевая рекомбинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление, т.к. обедненный слой насыщается носителями зарядов. Соответственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, увеличивается ток в коллекторном переходе и токi_Кв его цепи.

По рекомендуемой терминологии эмиттером БТследует называть область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу.Коллектором БТназывают его область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы.Базой БТназывается область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Подобные процессы происходят в транзисторе типа р-n-р, но в нем электроны и дырки меняются ролями. Кроме того, изменяются полярности напряжений и направления токов. Из эмиттера в базу инжектируются не электроны, а дырки, которые для нее являются неосновными носителями. С увеличением тока эмиттера увеличивается количество дырок, проникающих через базу к коллекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастание тока коллектора.

При количественном анализе процессов, происходящих в БТ, работающем в активном режиме, прежде всего, вводят понятие коэффициента инжекции ,который характеризует эффективность эмиттера:

 = I_Эn / I_Э = I_Эn / (I_Эn + I_Эр) - 1 / (1 + I_Эр / I_Эn), (5.2)

где I_Эn – ток, создаваемый электронами, инжектируемыми в базу; I_Эр– ток, создаваемый дырками, проходящими через эмиттерный переход из базы в эмиттер; I_Э – полный ток эмиттера.

Коэффициент инжекции определяет важные свойства БТ. В БТ n-p-nосновная часть коллекторного тока связана с электронной составляющей, которая определяется инжектированными эмиттером электронами, а дырочная составляющая никаких полезных функций не выполняет. Поэтому ее стремятся свести к минимуму, априблизить к 1. Для уменьшения отношенияI_Эр / I_Эn необходимо снижать концентрацию дырок в базе и ее толщину при одновременном увеличении диффузионной длины электронов и их концентрации в эмиттере. Если принять, что все атомы примесей как в эмиттере. Так и в базе ионизированы, то выражение для коэффициента инжекции можно представить в виде:

 = 1 – N_ad_б/ N_ДD_n , (5.3)

где d_б– толщина базы, D_n –диффузионная длина.

Поэтому для повышения эффективности эмиттера его легируют максимально, а базу легируют слабо и при ее выполнении стремятся к минимальной толщине. В этом случае значение удается получить 0,999.

Вторым важным параметром служит коэффициент переноса æ, характеризующий эффективность перемещения электронов через базу:

æ = I_Kn / I_Эn, (5.4)

где I_Kn- ток, создаваемый электронами, достигшими границ коллекторного перехода. При достаточно тонкой базе значение æ также близко к 1.

Полный ток коллектора складывается из двух составляющих: потока электронов, инжектированных эмиттером и дошедших до коллектора и обратного тока коллектора.

Первая составляющая будет определяться соотношением:

I_К =  æ I_Э = _N I_Э, (5.5)

где _N -коэффициент передачи тока эмиттера.

Вторая составляющая – обратный ток, который определяется соотношением:

I_{К ОБР}= -I_{К 0}[exp (U_K /  _T) –1], (5.6) гдеI_{К 0} –тепловой ток коллекторного перехода, а знак «-» определяется направлением тока, вызванного электронами, инжектированными эмиттером; _T-температурный потенциал. Тогда выражение для полного тока коллектора принимает вид:

I_К =_N I_Э-I_{К 0}[exp (U_K /  _T) –1]. (5.7)

На практике вместо (5.7) часто пользуются более простым, приближенным выражением. Учитывая, что для БТ рабочим является участок, где (U_K /  _T) >>1, обратный ток коллекторного перехода практически постоянен и равен I_{К 0}, а (5.7) принимает вид:

I_К =_N I_Э+I_{К 0}. (5.8)

Если при расчете коллекторного тока за «начало отсчета» взять не ток эмиттера, а ток базы, то из (5.1) и (5.8) получаем полный ток коллектора:

I_К – [_N (1 - _N)] I_Б + [1 / (1 - _N)] I_{К 0} =

= _N I_Б + (_N + 1) I_{К 0} = _N I_Б + I_{К 0}^*, (5.9)

где

_N = _N / (1 - _N)  I_К/I_Б(5.10)

называют коэффициентом передачи тока базы.

Коэффициенты _N и_N являются важнейшими физическими параметрами БТ, причем_N  1,_N  1. Так для современных транзисторов_N = 0,9 … 0,995, а_N = 10 … 200.

Ток I_{К 0}^* называетсясквозным током, т.к. он протекает через все три области и два перехода в том случае, еслиI_Б= 0,т.е. оборван провод базы. ПриI_Б= 0 получаемI_К=I_{К 0}^*. Этот ток составляет десятки и сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектораI_{К 0}. Ток I_{К 0}^* = I_{К 0} / (1 - _N), и, зная, что_N = _N / (1 - _N), нетрудно найтиI_{К 0}^* = (_N +1) I_{К 0} . А так как_N  1, то

I_{К 0}^*  _N I_{К 0} . (5.11)

Значительный ток I_{К 0}^* объясняется тем, что некоторая небольшая часть напряженияu_КЭприложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напряжения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

При значительном повышении напряжения u_КЭтокI_{К 0}^* резко возрастает и происходит электрический пробой. Сдует отметить, что еслиu_КЭне слишком мало, то при обрыве цепи базы иногда в БТ может наблюдаться быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу БТ из строя. В этом случае происходит следующий процесс: часть напряженияu_КЭдействующая на эмиттерном переходе, увеличивает токI_Эи равный ему токI_К, на коллекторный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение на нем уменьшаются и за счет этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению тока, и т.д. Чтобы этого не произошло, при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Если необходимо измерить токI_{К 0}^*, то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разрыве провода базы.