Федеральное Агенство по Образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский Государственный Университет Аэрокосмического Приборосторения

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИОДОВ И ТРАНЗИСТОРОВ

Методические указания к выполнение лабораторных работ

Санкт-Петербург

2012

Составители: А.Г. Варехов, М.С. Новикова

Рецензенты: кафедра авиационных приборов и автоматов Ленин­градского института авиационного приборостроения; кандидат техни­ческих наук доцент Л.А. Нейман.

Содержится описание и краткий анализ процессов в полупроводниковых диодах и транзисторах. Обсуждаются на примерах применение этих электронных элементов. Приводятся указания к выполнению ла­бораторных работ по курсам "Микропроцессорная техника" и "Элек­троника в авиаприборостроении и автоматике". Предназначены для студентов специальностей "Авиационное приборостроение", Робототехнические системы", "Гироскопические приборы и устройства" днев­ной, вечерней и заочной форм обучения, могут быть использованы для самостоятельной и учебно-исследовательской работы студентов.

Подготовлены к публикации кафедрой систем стабилизации и ори­ентации летательных аппаратов по рекомендации методической комис­сии факультета авиационных приборов и автоматики летательных аппа­ратов.

(С) Санкт-Петербургский Государственный Университет аэрокосмического приборостроения

2012

Подписано к печати Формат 60х84/16. Бумага тип. ЯЗ.

Печать офсетная.Усл.-неч.л.1,86. Уч.-изд.л. 2,0. Тираж 500 экз.

Заказ №227 Бесплатно -

Ротапринт ГУАП 190000 , Ленинград, ул.Герцена, 67

– 1 –

Цель лабораторных работ: изучение свойств полупроводниковых диодов различных типов, биполярных и полевых транзисторов путем экспериментального исследования их вольт-амперных характеристик.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Полупроводниковый диод представляет собой контакт полупроводников с проводимостями типов "р" и "n", пропускающий ток в одном направлении (рис.1). При наложении внешней разности потенциалов плюсом к р-области относительно n-области диод открыт и протека­ющий прямой ток определя-ется вольт-амперной характеристикой

диода и внешним (токоограничива-ющим) резистором. При­ обратном напряжении диод заперт, а протека-ющий небольшой обратный ток экви-

валентен току утечки в диэлектрике. Рис.1. Условное

Вольт-амперная характеристика диода обозначение диода.

определяется теоретической зависимостью

в которой: температурный (термический) потенциал, (K - постоянная Больцмана, К = Т - абсолют- ная температура; - заряд электрона; при комнатной температуре ) или полуэмпи-рической зависимостью где - эмпирическая константа. Графически вольт-ампер­ные характери-стики германиевого и кремниевого диодов предста-влены на рис.2, откуда следует, что прямое падение напряжения на крем­ниевом диоде несколько выше, чем на германиевом, а обратный ток крем-ниевого диода меньше, чем германиевого. Режим работы диода в схеме (рис.З, а), в частности прямой ток, определяется построением линии нагрузки (рис.3, б), которая отсекает, на оси абсцисс отрезок , а на оси ординат - . Точка пересечения вольт-амперной характеристики диода и линия нагрузки А определяет рабочий ток диода ,а также падение напряжения на диоде на резисторе ).

- 2 -

Удобным средством для анализа и пояснения всех свойств полупро­водниковых р-п -переходов служит построение зонных энергети-ческих диаграмм. При этом следует исходить из того, что мини-мальная энер­гия для электронной проводимости полупроводника определяется значе­нием "дно" зоны проводимости ("с" - от англ. conductivity ),

Рис.2. Вольт-амперные характеристики германиевого и

кремниевого диодов.

a) б)

Рис.3. Схема включения диода (а) и построение линии нагрузки (б).

а максимальная энергия для дырочной проводимости определяется зна­чением - "потолок" валентной зоны ("v"- от англ. valency ). Такая диаграмма для собственного (нелегированного) полупроводника представлена на рис.4, где обозначены также уровень Ферми или элек-трохимический потенциал и ширина запрещенной зоны . При абсолютном нуле температуры в зоне проводимости нет электронов, а энергетические уровни валентной зоны все заняты, т.е. на каждом из них располагаются в соответствии с принципом Паули

– 3 –

два электрона с противоположными спинами.

Выше абсолютного нуля часть электронов "ис­паряется" в зону проводимости, оставляя в валентной зоне дырки ,т.е. положительные заряды, и свободные энергетические уровни. Энергия Ферми есть максимальная энергия электрона при Т=0 и располагается на

диаграмме рис.4 в середине запрещенной Рис.4. Зонная диа-

зоны. Таким образом – грамма собственного

среднее значение энергии электрона в непо- полупроводника.

средственной близости от Т=0. Для полупро-

водников p-типа и n-типа зонная диаграмма представлена на рис.5, где обозначены термодинамические работы выхода и , отсчитанные от уровня вакуума .

Рис.5. Зонные диаграммы примесных полупроводников

Отметим, что термодинамическая работа выхода отличается от истин­ной работы выхода x, которая в обоих случаях одна и та же. Отме­тим также, что положения уровней Ферми определяются соответственно как ,где -уровни акцепторной примеси, и где –уровни донорной примеси. При контакте р- и п -полупроводников электрохимические потенциалы и выравниваются (подобно тому, как выравнива­ются уровни жидкости в сообщающихся сосудах,что свидетельствует о том,что система приходит в равновесие) и часть электронов из зоны про-водимости n-области переходит из-за различия работ выхода Ap и An в зону проводимости р-области. В результате зонная диаграмма приобретает вид, показан-ный на рис.6,а. где контактная разность потенциалов, имеющая знак "+" на n -области, а - равновесная ширина перехода, причем величина определя­ется концентрацией донорных

– 4 –

атомов в n-области, так как именно эти атомы являются постав-щиками электронов в зону проводимости.

Удобно далее считать электроны зоны проводимости грузами, которые тонут, будучи предоставленными сами себе, а дырки валентной зоны поплавками, которые сами по себе всплывают. Следователь­но, пере-мещение электрона из n-области в р-область, а дырки - из р-области в n область требует в равнове­сии преодоления

барьера . Зонные диаграммы р-n-пере­хода при прямом и обрат-ном смещениях представлены со-от­ветственно на рис.6,б,в. Из рис.6,б. видно, что при пря­мом смещении понижается энергети-ческий барьер как для инжекции дырок из р-области в n-область, так и для инжекции электронов из n-области в р-область. Однако исполь­зуемые на практике р-n -переходы обычно несимметрич-ные, причем концентрации акцеп-тор­ной примеси в р-области (низ-коомный слой) значительно выше, чем концентрация донорной при-меси в n-области (высокоомный слой); следовательно, концентра-

ция дырок в валентной зоне р-

Рис.6. p-n-переход в равновесии области значительно выше зоны

(а), прямом (б) и обратном (в) проводимости n-области. Таким

смещениях. образом, при прямом смещении

преобладающей является инжекция дырок в n-область и возрастание тока проводимости. При обратном смещении (рис.6,в) имеет место пони­жение потенциального барье-ра для электронов зоны проводимости р-об­ласти и дырок валентной зоны n-области; так как концентрация и тех и других мала, то ток проводимости не может существенно возрасти. Так как в то же время концентрация дырок в валентной зоне n-облас­ти больше, чем концентрация электронов в зоне проводимости р-области

–5–

то именно эти дырки и определяют ток проводимости при обратном смещении. Важно отметить, что ширина p-n-перехода при этом увеличиваетcя, причем в основном за счет высокоомной, т.е.

n-обла-сти, называемой иногда базой диода.

Ширину перехода d можно определить из следующих элементар-ных соображений. Будем рассматривать запертый р-n -переход как плоский конденсатор, расстояние между обкладками которого равно d, а пло­щадь обкладок S определяется площадью перехода. Емкость перехода, называемая барьерной, определится , где -диэлектрическая проницаемость материала перехода (герма-ния или кремния), - электрическая постоянная,

. Та же емкость в самом общем случае определяется как частное , где -заряды обкладок,

– напряжение на переходе, кроме того , где - поверхностные плотности зарядов. Заряды опре-деляются числом ионизиро­ванных атомов доноров в объеме пере-хода, т.е. , где - плотность объемного заряда ионизированных атомов доноров. Для ширины перехода d нетрудно получить соотношение .Более точное выражение для несим­метричного (резкого) р-n-перехода записывается в виде

В частности, равновесная ширина перехода (рис.6,а) соответст­вует контактной разности потенциалов . Кроме того, объем­ный заряд ионизированных доноров или концентрацию донор-ных атомов можно связать с удельной объемной проводимостью п -слоя или удельным объемным сопротивлением где – подвижность электронов; e - заряд электрона; . Для ширины перехода d можно записать выражение , где (E – внешняя ЭДС).

Зависимость ширины перехода и, следовательно, его барьерной ем­кости от приложенного обратного напряжения широко использу-ется в специальных диодах - варикапах, а сам метод использования нелинейной емкости, управляемой напряжением, называют методом параметрической модуляции.

–6–

Температурная зависимость прямого напряжения на p-n-переходе получается из вольт-амперной характеристики

где - обратный ток диода, являющийся функцией температуры. Зависимость также экспоненциальная

,

где - ширина запрещенной зоны собственного полупроводника, т.е. нелегированного или .Такая зависимость свидетельствует о том, что ток эквивалентен току утечки соб-ственного полупроводника. Искомая температурная зависимость получается дифференцированием

При этом принято , и значения ши-рины запрещенной зоны для и различаются (для германия 0,744 эВ и для кремния 1,15 эВ), однако и прямое падение напряже-ния на германиевом p-n–переходе на 0,3-0,4 В меньше, чем на крем-ниевом. Поэтому для обоих типов диодов температурный коэффи-циент напряжения ТКН приблизительно одинаков и равен 2. Эта величина ТКН является типичной для диодов, но все же не универсальной. Например, при повышении прямого тока до 30-40 мА возрастает не только напряжение на p-n–переходе, но и омическое падение напряжения на высокоомном базовом n-слое диоде. Вследствие этого разность в формуле для ТКН сна-чала становится нулевой, а затем меняет знак и при токах, больших 100 мА, значение ТКН может доходить до +(4-5). Кроме того ясно, что значение ТКН зависит и от температуры. Изменение знака ТКН при больших токах, а также температурная зависимость ТКН приведены на рис.7, причем соответствует комнатной температуре, т.е. .

В типовом варианте обратный ток диода удваивается при возраста-нии температуры на . Таким образом, при возрастании температуры на ток увеличивается в , т.е. приблизительно в 1000 раз.

Рассмотрим переходные свойства диодов для схемы, показанной на рис.8.

–7–

Рис.7. Температурная зависимость прямого напряжения

на p-n-переходе.

Рис.8. Схема включения диода

При положительном потенциале диод открыт и ток, протека-емый через него, равен (рис.9,а). Заряд в базовой области диода в общем случае получается из решения дифференциального уравнения

,

в котором – среднее время жизни неосновных носителей, т.е. дырок, в базе диода. Решение этого уравнения при нулевых начальных условиях получается в виде

.

–8–

После подачи выключающего потенциала выключение диода начинается с рассасывания неосновных носителей из его базы. Сразу после подачи ступеньки заряд в базе диода еще равен и ток через диод равен , т.е. определяется внешним токоограничивающим рези-стором . Заряд в базе диода рассасыва-ется, т.е. уменьшает­ся в соответствии с уравнением Для времени рассасывания (рис. 9, б) обычно используется приближен­ное соотношение .Скачок напряжения на диоде (рис.9,в) связан с тем, что при

из­менении направления тока изменяется

Рис.9 Переходные знак падения напряжения на омическом

свойства диодов. сопротивлении базы диода . Величина

скачка, очевидно, равна . Включение диода при определяется коротким промежутком времени переза-рядки барьерной емкости и последующим на-коплени­ем неосновных носителей в базе диода в соответствии с уравне-нием для .

Разновидности диодов. Полупроводниковые кремниевые стабилитроны или опорные диоды с напряжением стабилизации от 3 до 200В имеют вольт-амперную характеристику, показанную на рис.10, причем посто-янство об­ратного напряжения определяется тем, что р-п-переход работает в режиме обратимого электрического пробоя. При обратном напря­жении на переходе возникает локальный раз-рядный канал (стример), а при увеличении напряжения внешнего источ-ника (а точнее, его мощности) область разряда начинает увеличиваться, распростра-няясь в конечном счете на всю площадь перехода; при этом ток через диод растет, плотность тока в пределах перехода не увели-чивается и напря­жение на переходе остается неизменным.

–9–

Эта картина в чистом виде характерна

для стабилитронов с напряжением стаби-лизации , а механизм пробоя в этом случае является лавинным, поскольку при большом обратном напря-жении ширина пе­рехода значительна. Для низковольтных стабилитронов ши-рина перехода мала и вместе с лавинным пробоем проявляется и туннельный; комбинацию этих эффектов иногда назы- Рис.10.Вольт-амперная

вают эффектом Зенера (zener), а сам диод характеристика

- зенеровским. Стабилитрон включается в стабилитрона

цепь, так, как показано на рис.11, а режим

работы диода определяется построением линии нагрузки (рис.11,б). Для низковольтных ста­билитронов рабочий ток располагается в пределах от . Качество стабилизации определя­ется дифференциальным сопротивлением диода в рабочей точке А, которое в большинстве практических случаев не пре­вышает 100 Ом. Низковольтные (зенеровские) стабилитроны имеют отри­цательный температурный коэффициент напряжения ,а относитель­но высоковольтные - положительный. В обоих случаях значения ТКН сос­тавляют приблизительно

а) б)

Рис 11. Включение стабилитрона (а) и выбор режима (б)

Варикап(от англ."variation" и "capacity") представляет собой нелиней-ную емкость, управляемую напряжением. В качестве такой емкости на низких частотах используется кремниевый p-n-переход, смещенный в обратном направлении и эквивалентный плоскому конденсатору

–10–

В высокочастотных варикапах используется германий и арсенид галлия ( в которых подвижность электронов более высока. Ем­кость р-п -перехода, иногда называемая барьерной, зависит от приложен-ного напряжения по закону как это следует из полученной выше формулы для ширины р-п-перехода. Типич­ная вольт-фарадная характеристика варикапа, т.е. зависимость ем­кости от приложенного напряжения, представлена на рис.12, на кото­ром показано также условное обозначение варикапа. Отношение мини-маль­ной емкости варикапа к максимальной в типовом случае соста-вляет 1:5 , а максимальная емкость в зависимости от используемого диода находит­ся в пределах от 5 до 300 пФ. Иногда в качестве варикапов использу­ют стабилитроны. Добротность варикапа, как и любой емкости, определя­ется отношением реактивного и активного сопротивлений. Для опре­деления добротности варикапа рассмо-трим эквивалентную схему ва­рикапа, представленную на рис.13, в которой -омическое сопротив­ление базы (n-слоя) диода,

C-eмкость варикапа, - сопротивле­ние утечки. Нетрудно записать для полного сопротивления

откуда добротность

Так как всегда , то для низких частот

Рис.12.Вольт-амперная характе- Рис.13. Эквивалентная схема

ристика варикапа варикапа

На очень высоких частотах . При этом ясно, что на самых низких и самых высоких частотах добротность варикапа монотонно уменьшается. Оптимум (максимум) добротности

–11–

обычно приходится на частоты . В любом случае добротность варикапа тем выше, чем меньше , которое является также основным источником шумов варикапа. Для снижения необходимо использовать полупровод-никовый материал с минимальным удельным сопротивлением или диод Шоттки, в котором база выполнена на основе металла (см.ниже).

Диоды Шоттки. В несимметричном р-n-переходе, рассмотренном выше, отпирающее напряжение приводило к инжекции дырок из р-области и накоплению неравновесных дырок в высокоомной базо-вой n -области. Напротив, запирающее напряжение приводило к рассасыванию этого избыточного заряда дырок. По времени и тот и другой процессы лимитированы временем рекомбинации электрон-но-дырочных пар: при на­коплении -рекомбинацией инжектирован-ных дырок с электронами, притекающими в п-об-ласть через внеш-ний (омический) контакт; при расса­сывании – рекомбинацией экс-трагированных в р-область дырок с электронами, притекающими в р-область через внешний (также омический) контакт. Диод Шоттки образован контактом металл- n-полупроводник, проводимость ко-торого в прямом и обратном направлениях обусловлена электрона-ми и не связана с рекомбинацией электронно-дырочных пар. Стру-ктура диода Шоттки условно показана на рис.14. В равновесии, т.е. без внешнего напряжения, возникает контактная разность потенци-алов , полярность которой показана на рис.14. Для этого суще-ственно необходимо, чтобы работа выхода из n-кремния в золото была меньше, чем работа выхода из золота в п-кремний. Прямое смеще­ние понижает работу выхода из , а обратное смещение - повыша­ет, что и определяет поток электронов через переход. Время переключения в диоде Шоттки,понимаемое как время накопления, может быть доведено до еди-ниц наносекунд , в то время как в p-n-пе-реходе оно составляет в лучшем случае десятки наносекунд . Ди­оды Шоттки широко ис-пользуются в быстро действующих логических элемнтах. В заключение отметим,что при ра- Рис.14.Обозначение венстве работ выхода из и из место и структура диода

омический контакт, не образующий контакт- Шоттки

ной разности потенциалов и необходимый

для образования внешних выводов полупроводниковых элементов.

–12–

Туннельный диод. Как следует из выражения для ширины несим-метричного p-n-перехода она определяется не только приложенным напряжением , но и удельным объе-мным зарядом ионизированных доноров и, соответственно, кон-центрацией донорной примеси . Для симметричного перехода с очень высокой концентрацией примесей характер-ны две особен­ности: - ширина перехода весьма мала,; - уровни Ферми (рис.15) располагаются соответственно в валентной зоне р-области и в зоне проводимости n-области, а при-месные уровни образуют зоны. Обе эти особенности обусловлива-ют возможность туннельных переходов электронов и дырок из од-ной области в другую. Такой переход, также на­зываемый диодным, используется не как выпрямляющий, а как устройство с двумя сос-тояниями, причем для этого служит только прямая ветвь вольт-ам-перной характеристики диода. Зонная диаграмма перехода в равно-весии представлена на рис.15, причем свободные уровни дырок в р-области на­ходятся (при Т=0) выше , а занятые уровни электронов в n-облас­ти – ниже

Рис.15. Зонная диаграмма туннельного p-n-перехода в равновесии

При этом ток через переход равен нулю, так как туннельные пере-ходы (переходы по горизонтали) дырок и электронов слева направо и справа налево равновероятны. Ясно, что при прямом смешении начнет увеличиваться ток электронов из п -области в р-область, так как все большая часть занятых электронами уровней (ниже ) будет находиться против пустых уровней (выше уровня ) р-об-ласти: этот ток достигнет максимума при прямом смешении, рав-ном (при этом уровнисравняются), а при даль-нейшем уве­личений прямого смещения туннельный ток через пере-ход начнет умень­шаться и достигнет минимума при совпадени

уровне .

–13–

При еще большем прямом смещении туннельная компонента тока еще более уменьшается, но зато возрастает диффузионная компо-нента тока, т.е. ток дырок слева направо и ток электронов справа налево за счет гра­диента концентрации, т.е. путем диффузии. Эти процессы в целом дают вольт-амперную характеристикудиода, представленную на рис.16, на котором показано условное изобра-жение туннельного диода. Наличие на вольт-амперной характери-стике туннельного диода участка (рис.16) с отрицательным диф-ференциальным сопротивлением позволяет использо­вать его как переключающий элемент. Вследствие безынерционности туннель-ного эффекта туннельный диод используется как высокоскорост-ной переключатель, а также для усиления и генерации на сверх-высоких частотах.

Рис.16. Обозначение и вольт-амперная характеристика туннельного диода

Светодиод. Рекомбинация носителей в р-n-переходах (дырок, ин-жектированных в n-область, или электронов, инжектированных в р-область) может происходить с испусканием квантов света. Таким образом, переход при прямом смещении становится источником света. Светодиоды на основе арсенид-фосфида галлия излу-чают красный (0,655 мкм), оранжевый (0,635 мкм) и желтый (0,538мкм) свет, диоды на основе фосфида галлия зеленый (0,565 мкм) свет. Диоды на основе арсенида галлия () излучает инфракрасный свет с длиной волны 0,9 мкм. Прямое падение напряжения на све-тодиоде, как правило, выше, чем на выпрями-тельном диоде, и составляет при токе 10 мА от 1,2 до 2,5 В. Излучаемая мощность для большинства диодов лежит в пре­делах 1-10 мкВт (для инфра-красных светодиодов – до 500 мкВт), что соответствует силе света в несколько милликандел (мкд). Светодиоды используется как средства сигнализации индикации в устройствах с оптической связью (оптронах) и в других случаях. Схемное обозначение светодиода показано на рис.17

–14–

Фотодиод. Освещаемый светом р-n –переход мо­жет работать в двух режимах: фотодиодном и в режиме генерации фотоЭДС. В фотодиод-ном р-n –переходе при освещении све-

Рис.17. Схемное том высокоомной n-области генерируемые

обозначение свето- све­том дырки диффундируют к внутреннему

диода р-n-переходу; диффузия дырок ускоряется

электричес­ким полем базовой n-области, так как к пере­ходу приложено обратное напряжение. Устройст­во фото-диода и семейство вольт-амперных характеристик представлены на рис.18 а,б, на котором показано также схемное обозначение фото-диода. Как следует из вольт-амперных харак­теристик, чувствитель-ность фотодиода составляет около (микроампера на люкс). Из рис.18,б также следует, что фотодиод мо­жет работать и без внешнего отрицательного смешения (т.е. при ) без замет-ного снижения чувствительности. При этом, однако, нес­колько уве-личивается собственная (барьерная) емкость перехода и, следова-тельно, несколько ухудшается быстродействие. Ток фотодиода, со-ответствующий при заданной освещенности , называют током короткого замыкания.

Рис.18. Устройство (а) и вольт-амперные характеристики фотодиода (б)

В режиме генерации фотоЭДС генерируемые светом электронно-дырочные пары вместе с генерируемыми термическим путем обра-зуют на переходе разность потенциалов, эквивалентную контакт-ной разности потенциалов. Последняя достигает у кремниевых диодов значения 0,5 В и остается такой при токе нагрузки фото-диода, не превышающем тока короткого замыкания. Параллельное включение тысяч или десятков тысяч диодов обеспечивает токи, пригодные для практических целей. При использовании диодов в

–15–

режиме генерации фотоЭДС спектра-льная чув­ствительность -диодов лежит в пределах от 0,5 до 1,8 мкм с мак-симумом около 1,4 мкм, а спектральная чувствитель-ность -диодов от 0,6 до 1,0 мкм.

Биполярный точечный транзистор открыт в 1948 году У.Шокли, Дж. Бардином и У. Браттейном. В 1949 году У.Шокли предложил плоскостной транзистор, представляющий собой структуру, показанную на рис.19.а.Тонкая пластина п-германия или n-кремния содержит две р-области, расположенные друг против друга. Таким образам, получаются три электрода, называемые соответственно эмиттер Э, коллектор К и база Б. Вся структура называется в этом случав p-n-p и изображает­ся на схемах, как показано на рис.19,б

Рис.19. Структура (а) и изображение на схемах (б) биполярного точечного транзистора.

Аналогично понимается и структура n-р-n. Функция эмиттера сос-тоит в инжекции (injection) неосновных носителей, т.е. дырок для р-n-р-транзистора и электронов для n-р-n-транзисторов, в базовую область. Функция коллектора состоит в собирании (collection) этих носителей после перемещения их через базовую область. Движение дырок или электронов, инжектированных через эмиттерный пере-ход в базовую область, может быть диффузионным, дрейфовым или смешанным. При диффузии действующим является градиент концентрации носителей (химического потен-циала), при дрейфе -градиент электрического по­тенциала. Соответственно различают диффузионные и дрейфовые тран­зисторы, причем последние име-ют ряд существенных особенностей. По­ка что будут рассмотрены диффузионные транзисторы. Как следует из рис.19, транзисторная структура несимметрична, т.е. площадь коллек­торного перехода больше, чем площадь эмиттерного, что необ-ходимо для эффекти-вного собирания носителей. Рассмотрим далее для опреде­ленности n-р-n структуру. Ясно, что для использования транзис­тора в качестве актив-ного четырехполюсника требуется два контура, один из которых должен

–16–

включать эмиттерный переход, а другой - кол­лекторный. Соответствен-но получаются три схемы включения с общей ба­зой (ОБ), с общим эмит-тером (ОЭ) и общим коллектором (ОК), представленные на рис. 20

Рис.20. Схемы включения биполярного транзистора: (а) – с общей базой, (б) – с общим эмиттером, (в) – с общим коллектором.

Для схемы ОБ входным параметром является ток открытого эмиттерного перехода , выходным - ток запертого коллекторного пере­хода или коллекторный потенциал отсчитанный относитель­но базы, причем . При этом и так как в этом слу-чае базовый ток представляет собой потери электронов, инжектирован-ных в базовую область и рекомбинированных там с дырками валентной зоны р-области. Следовательно или точнее(–коэф-фициент, близкий к единице). Если включить в коллекторную цепь достаточно большую ЭДС то ясно, что и изменения коллекторного по-тенциала могут быть так­же значительными. С другой стороны, для задания тока можно ис­пользовать небольшую ЭДС .В целом схема ОБ усилива­ет напряжение и мощность, но принципиально не усиливает тока. Смысл усиления, как и всегда, состоит в том, что мощность, отдаваемая ис­точником в нагрузку , равно как и изменения этой мощности, определяются характером изменений эмит-терного тока , т.е. входного параметра.

Для схемы ОЭ отметим, прежде всего, что сама возможность управления транзистором базовым током обусловлена рекомбинационными потерями электонов в базе при этом базовый

–17–

ток есть ток элетронов, протекающих во внешнюю цепь через базовый омический контакт с уровней зоны p-области. Здесь, как и ранее, и и в общем случае имеет место усиле-ние тока, напряжения и мощности.

Для схемы ОК усиливается ток и мощность, но принципиально не усиливается напряжение, так как изменения базового и эмит-терного потенциалов, как и сами эти потенциалы, всегда почти одинаковы, т.е. . Схемы (рис.20) содержат только внеш-ние (сторонние) ЭДС и токоограничивающие резисторы в цепях электродов транзис­тора, однако не содержат источников уси-ливаемых сигналов и внешних нагрузок. Для анализа таких схем используют статические входные и вы-ходные характеристики. Входная характеристика для схемы ОБ есть зависимость выходная характеристика ; соответственно для схемы ОЭ и для схемы ОК .Детально рассмотрим только статические характе-ристики маломощного транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Входные и выходные характеристики транзистора представлены на рис.21.

Рис.21. Входные (а) и выходные (б) статические характеристики транзистора ОЭ

Эти характеристики определяют следующие дифференциальные пара-метры транзистора: входное сопротивление транзистора коэффициент передачи базового тока , выходное сопротивление транзистора или дифференциальное сопротивление коллекторного перехода . Все эти параметры легко определять графо-аналитически. Коэффициент передачи эмиттерного тока , харак-

–18–

терный для схемы ОБ, определяется производной . Соотношение между и сле­дует из формулы .Таким образом, если близко к единице, то тем более велико, чем ближе к единице. Строго говоря,существуют дифференциальные и статические значения . Статические зна-чения определяются из очевидных соотношений откуда следует также . Отметим также, что в точке В разность потенциалов падает настолько, что , т.е. соответствует границе отпирания кол­лекторного пере-хода.Таким образом, все потенциалы становятся близ­ки друг другу, т.е., а транзистор, как иногда говорят, стягивается в точку (в эквипотенциальную точку).Такой режим называется режи-мом насыщения, а токи соответственно кол-лекторным и базовым токами насыщения. При этом токи в схеме определяются не транзистором, а токоограничивающими резис-торами.

Для анализа транзисторных схем по переменным составляющим . (сигналу) используются эквивалентные схемы, т.е. электротехни-чес­кие схемы, содержащие источники ЭДС или токов, которые могут быть проанализированы обычными электротехническими приемами. Основ­ная эквивалентная схема, исторически предшес-твующая всем остальным, представлена на рис.22.а.Эта схема, очевидно, справедлива для включения транзистора ОБ. Аналогич-ная схема для включения транзистора ОЭ представлена на рис.22,б.

Рис.22. Эквивалентные схемы транзисторов ОБ(а) и ОЭ(б).

Рассмотрим параметры транзисторов ОБ, ОЭ на основе эквивален-тных схем, представленных на рис.22. Дифференциальное сопро-тивление эмиттерного перехода определя-ется вольт- амперной характеристикой перехода

–19–

откуда дифференцированием получаем при условии

и .

При = 25 мВ (T = 298 К) и = 10 мА имеем = 2,5 Ом. Таким образом, величина как правило, достаточно мала. Омическое со-противление базы представляет собой сопротивление материала (“тела") базы от базового контакта Б до так называемой внутренней базовой точки Б, лежащей в базе у границы эмиттерного перехода (существование такой точки или, точнее говоря, поверхности у гра­ницы эмиттерного перехода, само собой разумеется, условно). Типо­вое значение составляет 100 Ом. Коэффициент передачи эмиттер­ного тока как уже обсуждалось, по мо­дулю близок к единице и в общем случае является комплексным, что является следствием временного запаздывания коллекторного тока относительно эмиттерного или, что эквивалентно, наличия фазового сдви­га между этими токами (рис.22,а). Комплекс формально является внутренним сопротивлением токового генера-тора , причем диффе­ренциальное сопротивление коллекторного перехода для схемы ОБ весьма велико, типичное значение .Барьерная емкость коллекторного пе-рехода составляет несколько десятков или сотен пикофарад (пФ). Постоянная времени вместе с частотными свойствами определяет частотные свойства транзистора.

Для схемы ОЭ (рис.22,б) коэффициент передачи базового тока обычно составляет несколько десятков или сотен. Кроме того, и

.Таким образом, постоянная времени коллекторной

цепи неизменна для схем ОБ и ОК, как этого и следовало ожидать. Коэффициент передачи в об­щем случае также является комплексным.

Из эквивалентных схем(рис.22 а,б) сразу видно, что транзистор ОБ не изменяет знака (т.е. не инвертирует полярность) входного (эмиттерного) перепада напряжения или не изменяет фазы синусо-идаль­ного сигнала на ; так же ясно, что транзистор ОЭ инверти-рует знак входного перепада или меняет фазу синусоидального сигнала на .

–20–

Входное сопротивление транзистора ОБ определяется как отноше­ние и, следовательно, весьма мало (единицы или десятки ом). Выходное сопротивление транзи-стора ОБ, определяемое по отношению к выходным зажимам схе-мы, (рис.22,а) складывается из и низкоомной комбинации . Та­ким образом, выходное сопротивление приблизительно равно , т.е. очень велико. Для транзистора ОЭ входное и выходное сопро-тивления равны соответственно и . В целом для транзистора ОБ характерно очень низкое входное сопро­тивление и очень высокое выходное сопротивление, а для транзи-сто­ра ОЭ - относительно высокое входное (сотни ом) и не слишком высо­кое (единицы или десятки килоом) выходное сопротивления. Аналогич­но можно показать, что для схемы ОК значение опре-деляет вход­ное сопротивление, которое, таким образом, достаточно велико, а выходное сопротивление мало и определяется значением . При наличии резисторов для схем ОБ, ОЭ, ОК выходные сопротивления соответственно равны

Частотные свойства плоскостных диффузионных транзисторов. В пред-положении, что движение дырок, инжектированных через эмиттерный переход в базовую область, представляет собой чисто диффузионный процесс (это эквивалентно предположению об от-сутствии в базовой области электрического поля), можно исполь-зовать фундаментальную формулу Эйнштейна для среднего ква-драта диффузионного смещения час­тицы или молекулы за время t.

где D - коэффициент диффузии частицы. Для транзисторов меня-ются только обозначения, т.е. ( - толщина базы),

(- время диффузий).Это время практически и опреде­ляет верх-нюю границу частоты передачи эмиттерного тока для схемы вклю-чения ОБ, т.е.

В действительности эта частота несколько выше, т.е.

Отметим,кроме того, что, как это следует из детального анализа, на частоте коэффициент передачи эмиттерного тока уменьша-ется по сравнению с низкочастотным значением раз или на 3 дБ. Другим важным частотным параметром транзистора является частота генерации

–21–

где ; - омическое сопротивление базы транзистора;

- емкость коллекторного перехода. В последнем выраже­нии и, следовательно, частота обратно пропорциональна толщине базы. Физический смысл частоты гене-рации состоит в том, что она определяет предель­ные частотные возможности транзистора как активного четырехполюс­ника, т.е. генератора или усилителя мощности. Более детальный ана­лиз пока-зывает, что на частоте генерации коэффициент усиления по мощ-ности падает до единицы. Оба частотных параметра и опре-деляются прежде всего технологическими возможностями изготов-ления тонких баз, имеющих одновременно стабильные объемные свойства. Кроме того,обе частоты зависят и от используемого полу-проводникового материала. В част­ности, подвижность и коэффици-ент диффузии дырок больше в германии, чем в кремнии, что улуч-шает частотные свойства германиевых тран­зисторов по сравнению с кремниевыми. Однако более всего частотные свойства транзисто-ров связаны с толщиной базы. Для диффузионных транзисторов толщина базы обычно не превосходит 20-30 мкм, но у дрейфовых транзисторов она может доходить до 1-2 мкм. В целом у дрейфовых транзисторов за счет уменьшения пролетного времени , определя-емого для дрейфового транзистора диффузией дырок в электричес-ком поле базовой области, и меньшей емкости Ск удается улучшить частотные свойства по частоте генерации на 2-3 порядка.

Вышеизложенные соображения относились к схеме включения транзистора ОБ. Для схемы включения OЭ частотная зависимость определяет все частотные особенности схемы. Рис.23 поясня-ет, почему частотные свойства схемы ОБ лучше, чем частотные свойства схемы 0Э. На низких частотах, пока , эмиттерный и коллек­торный токи почти, синфазны (рис.23, а), однако на высоких частотах сдвиг фаз между и становится существенным (рис.23,6), поэтому даже если не сли-шком уменьшается по сравнению с низкочастотным значением , коэффициент передачи базового тока уменьшается существенно. Со­ответствующая частота имеющая тот же смысл, что и , оп­ределяется так где .

–22–

Частотные свойства схемы ОК практически таковы же, как и час-тотные свойства схемы ОЭ.

Рис.23. Частотные свойства транзисторов в схемах ОБ (а) и ОЭ(б)

Полевые транзисторы. Первый полевой (канальный) транзистор предложен У.Шокли в 1952 году. Конструкция, поясняющая прин-цип действия полевого транзистора с управляющим р-п -переходом или проще, полевого транзистора с р-n-переходом, представлена на рис.24. Брусок из n-полупроводника с размерами a,b (b - в напра-влении, перпендикулярном плоскости рисунка) и l, имею­щий два омических контакта И (исток) и С (сток), образует в направлении от стока к истоку канал для протекания тока. На бо­ковых гранях имеются два р-n-перехода, образующие затвор 3. Зат­ворные р-n-переходы смещаются в запирающем направлении.

Рис.24. Конструкция полевого транзистора (а) и его схема включения (б).

Переносчиками тока в канале являются основные носители, т.е. электроны n-канала (рис.24) или дырки p-канала.По этой причине полевой транзистор называют ещё униполярным в отличие от биполярного (с инжекцией через управляющий p-n-переход неосновных носителей) транзистора. Как и в биполярном транзис-торе p-n-переходы несимметричны, т.е Pp>>nn. Поэтому при обратном смещении этих переходов область пространственного за-

–23–

ряда располагается в основном в высокоомной области, т.е.в канале. Границы этих облас­тей обозначены на рис.24 пунктиром. Поскольку ширина области d пропорциональна , то ясно, что ширина щелевого токового ка­нала минимальна вблизи стока. Это следует из того, что здесь об­ратное напряжение на р-n-переходе максимально. Нетрудно получить приближенные выражения для наибольшего напряжения на р-п -перехо­де, соответствующего отсечке тока стока, и сопротивления канала. Для толщины слоя объемного заряда имелось выражение , где для простоты принимается постоянным для любой точки канала. Кроме того, ширина канала . Из условия C=О нетрудно найти напряжение отсечки тока стока

и далее ввести напряжение отсечки в выражение для С:

Омическое сопротивление канала приближенно равно

При ,очевидно,, что соответствует запиранию тран-зистора. При - минимальное сопротивление канала. Для маломощного полевого транзистора =50 - 500 Ом. Макси-мальное сопротивление канала может доходить до сотен килоом. Напряжение отсечки тока стока, как правило, располагается в пре-де­лах от минимального до максимального. Например, для транзи-стора типа КП103с р-ка-налом , для КП103М

= 2,8 - 7,0 В.

Транзистор в принципе допускает изменение полярности на обратную. При этом (т.е. при < 0) запирающее напряжение ма-кси­мально на участке р-п-перехода, примыкающем к истоку. Пусть, на­пример , , а если считать,что канал транзи-стора заперт в той части, которая примыкает к истоку, то потен­циал стока равен =10 В и, следовательно, имеется инжекция через р-n-переход в канал. Протекание этого диодного тока в це­пи стока вызывает понижение (по абсолютной величине) потенциала стока, но не исключает самой инжекции. Поэтому при изменении поляр-ности, т.е. при , величина не может быть большой.При полярность, очевидно, безразлична и транзистор становится симметричным.

–24–

Практически используются две статические характеристики тран­зистора: передаточная (стокозатворная) и выходная (стоковая) вольт-амперные характеристики (рис.25), т.е. соответственно зави­симости и рис.25,б обозначена линия нагрузки. .

Рис.25. Стокозатворная (а) и стоковая (б) статические характери-стики полевого транзистора с управляющим p-n-переходои и каналом n-типа.

На основе этих характеристик определяются крутизна стокозатвор-ной характеристики внутреннее сопро­тивление транзистора и коэффициент усиления . Величина дает предельно возможный коэффициент усиления напряжения, соответствующий беско­нечно большой нагрузке, т.е. холостому ходу на выходных зажимах схемы. Отметим также, что найденное выше сопротивле-ние канала представляет собой отношение , в то время как внутреннее сопротивление есть дифференциальный пара-метр, харак­терный для усилительного режима. Напротив, в клю-чевом режиме, ког­да состояние транзистора изменяется между запертым и открытым (точки С и В на рис.25,6) именно сопро-тивление канала , а точнее отношение опре-деляет качество ключа. Кроме того, , причем все три пара-метра должны соответство­вать одной точке семейства выходных характеристик. Крутизна S является основным усилительным параметром; она имеет размерность проводимости, измеряется в

мА.Схема, представленная на рис.26, является схемой с общим истоком. Схема с общим затвором практически не используется, так как при этом в цепи затвора должен протекать ток, что сводит

–25–

на нет основное преимущество полевого тран­зистора, т.е. отсутст-вие потребления тока (и мощности) в цепи уп­равления. Схема с общим стоком строится так же, как и схема ОК на биполярном транзисторе (рис.27). Эта схема, называемая истоковым повторите-лем, принципиально не усиливает напряжения, как схема на транзи-

сторе ОК. Для анализа схем с полевыми транзисторами используется метод экви-валентных схем, предложенный русским ученым М.А. Бонч-Бруевичем в 1918. Полные эквивалентные схемы для вклю-чения полевого транзистора с общим источником и с общим стоком предста-влены на рис.27. Входное активное сопро-

Рис.26. Истоковый тивление транзистора весьма

повторитель велико, его можно оценить как отноше-

ние где напряжение отсечки, - ток утечки затвора. Например, для КП103 можно принять = 2В и = 2 нА, При этом получается . Ошибка в оценке не очень существенна, так как входная емкость (для КП103 20 пФ) начинает заметно шунтировать уже на частоте 100 Гц. На схемах рис.27 обозначены также проходная ем-кость (для КП103 = 8 пФ) и выходная емкость , в общем случае включающая в себя емкость нагрузки, емкость монтажа и междуэлектродную емкость .Со стороны выхода транзистор представляет собой генератор тока с внутренним сопротивле­нием , который можно заменить эквивалентнш генератором э.д.с.

Рис.27. Схемы включения полевого транзистора с общим истоком (а) и с общим стоком (б).

–26–

c тем же внутренним сопротивление, но выключенным после-довательно. Эквивалентная схема позволяет просто отыскать все параметры транзисторного каскада. Например для схемы с общим истоком (рис.2,а) коэффициент усиления по напряжению как отно-шение напряжения на нагрузке к э.д.с. источника равен для низких частот (принято , что обычно имеет место). Аналогично, для схемы с об­щим стоком (рис.27,б) коэффициент усиления по напряжению равен причем откуда или ,(если как это практически и имеет место).Таким образом, <1 как это уже отмечалось выше. Кроме того, близок к единице (например, при S= 4 и = I КОм =4 =0,8), так что, каскад является истоковым повторителем.

Рис.28. Структура и схемное обозначение МДП транзисторов с встроенным (а) и индуцированным (б) каналами.

Наибольшее распространение получили полевые транзисторы с изолированным затвором. В этих устройствах металлический за-твор изолирован от канала пленкой , которая полностью исклю-чает протекание тока в цепи затвора в силу огромного удельного сопротивле­ния, но хорошо "передает" потенциал, так как диэлектрическая проницаемость пленки достаточно мала (=3,8). Соответствующая структура называется МДП (металл-ди-электрик-проводник), МОП (металл-оксид-полупроводник) или МОS (metal-oxide-semiconductor). Различают две разновидности МОП-транзис-торов:c встроенным каналом и с индуцированным каналом (рис.28). МОП-транзистор с встроенным каналом содер-жит на подложке “П^”п-типа две контактные области р-типа, являющиеся истоком и стоком, и р-канал между ними; металлический затвор изолирован от канала слоем полученным окислением кремния подложки. Разность потенциалов отрицатель­ная. При =0 канал имеет конечную проводимость и транзистор открыт; при >0 проводи-мость канала падает, а при <0 канал обогащается и его проводимость

–27–

возрастает. Таким образом, стокозатворная характеристика транзи-стора качественнотакая же, как и n-канального транзистора с р-n-переходом, но располага­ется в первом квадранте (рис.29,а). МОП-транзистор с индуцирован­ным каналом (рис.29,б) не имеет заранее сформированного (встроен­ного) канала. При =0 проводимость канала, определяемая проводимостью подложки, мала и транзистор почти заперт; при <0 область р обогащается дырками, образуя канал с инверсным, т.е.p-типом, проводимости. Эта проводимоcть растет с ростом отрицатель­ного потенциала затвора. Стокозатворная характеристика этого тран­зистора представлена на рис.29,6. В связи с этим транзистор с ха­рактеристикой рис.29, а называют иногда нормально открытым, а тран­зистор с характери-стикой рис,29,б – нормально закрытым. Подключение подложки

Рис.29. Стокозатворные характеристики МОП-транзистора с встроенным (а) и индуцированным (б) каналами p-типа.

в схемах с МОП-транзисторами может быть различным, для тран-зисторов с встроенным каналом подложка обычно заземляется (в этом случае исключается шунтирующее влияние емкости "подлож-ка-зем­ля") но может быть и свободной ("плавающей"). Для транзи-сторов с индуцированным каналом потенциал подложки имеет не-посредственное значение для индукции канала проводимости. Наи-более типичный вариант - соединение подложки с истоком. В логи-ческих схемах с последовательным соединением МОП-транзистор-ов подложка подключается так, как показано на рис.30. Транзистор VТ2 с индуцированным n-ка­налом требует для открывания (отпи-рания) положительного потенциала затвора, а транзистор VT1 с ин-дуцированным р-каналом - отрица­тельного потенциала затвора относительно истока. Поэтому при =0 транзистор VТ2 заперт, а транзистор VT1 открыт и выходной по­тенциал равен на-пряжению питания, т.е. + 5В; при подаче = +5В открывается VT2 и запира-ется VTI, а выходной потенциал равен нулю. При таком включении транзисторов, называемых комплементарными, сквозной ток равен

–28–

нулю, так как один из транзисторов заперт. Кроме того, подложка может подключаться к отдельному источнику. Например, для уверен-ного запирания транзистора с индуцированным n-каналом можно подключить подложку к ис-точнику +E_n (обычно E_n =5 В).

Рис.30. Подключение

подложки в комплементарной паре МОП-транзистора.

2. Лабораторные работы

Лабораторная работа №1.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ.

Цель работы: изучение свойств полупроводниковых диодов разных типов путем снятия и исследования их вольт-амперных характеристик.

Порядок выполнения работы

1. Снять прямые вольт-амперные характеристики диодов.

2. Снять обратные вольт-амперные характеристики диодов.

3. По данным показаний построить характеристики всех исследуемых

диодов.

Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИКАПА

Цель работы: ознакомление с принципом работы варикапа, мето-дикой измерения его основных характеристик.

Порядок выполнения работы.

1.Снять амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) колебательного контура при отключенном варикапе.По результатам измерений опре-делить резонансную частоту контура , значение частоты, соответству-ющее уровню сигнала 0,7 от максимального значения и полосу пропускания , равную , добротность контура .

2. Снять АЧХ колебательного контура с подключенным варикапом.

–29–

По результатам измерений определить резонансную частоту контура с вари-капом и добротность контура. Рассчитать значение емкости варикапа по формуле ,

где 470 пФ – емкость контура;

3. Снять АЧХ колебательного контура с подключенным варикапом при различных значениях постоянного запирающего варикап напряжения.В каждом случае определить резонансную частоту и соответствующее значение . Рассчитать значение емкости варикапа . Построить зависимость , где - запирающее варикап напряжение, равное I, 3, 5, 7 В. Опреде­лить значение добротности кон-тура с варикапом при различном запирающем напряжении и построить зависимость доб­ротности от частоты. Определить частотный диапазон используе­мого в работе варикапа.

Лабораторная работа №3

ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ В СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Цель работы: ознакомление с методиками построения характерис­тик биполярных транзисторов в схеме с общим эмиттером и определе­ние их основных параметров.

Порядок выполнения работы

1. Снять входные статические характеристики транзистора при .

2.Снять выходные статические характеристики транзистора при .

3. Построить в прямоугольной системе координат семейства входных и выходных статических характеристик транзистора.

4. Определить по семейству входных характеристик входное сопротив-ление транзистора по формуле

5. Определить по семейству выходных характеристик коэффициент уси­ления по току по формуле

–30–

Лабораторная работа №4

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Цель работы; изучение принципа действия, снятие характеристик полевых транзисторов.

Порядок выполнения работы

1. Снять семейство стоковых характеристик при .

2.Снять стокозатворную характеристику при = 10 В.

3.Определить входное сопротивление на постоянном токе. Вычис-лить входное сопротивление по формуле измерив .

4.Определить входное сопротивление на частоте 1000 Гц. Вы­числить по Формуле измерив .

3.Контрольные вопросы

1. Вольт-амперная характеристика идеализированного р-п-перехода

2. Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона.

3. Разновидности полупроводниковых диодов.

4. Температурная зависимость прямого напряжения на р-n-пере­ходе.

5. Временные (частотные)свойства диодов.

6. Структура биполярного транзистора и его схемы включения.

7. Статические характеристики и параметры биполярных транзис­торов.

8. Эквивалентные схемы транзисторов в схемах ОБ, ОЗ.

9. Частотные свойства биполярных транзисторов.

10. Структура полевого транзистора с p-n-переходом.

11. Статические характеристики и параметры полевого транзисто­ра с

p-n-переходом.

12. Эквивалентная схема полевого транзистора.

13. МОП-транзисторы о встроенным и индуцированным каналами.

14. Вольт-амперная характеристика варикапа и его добротность.

15. Эквивалентная схема варикапа.

–31–