- •Исследование свойств и характеристик полупроводниковых структур
- •Даются описание лабораторных установок, порядок выполнения работы, задания и краткие сведения из теории.
- •Редактор э.Б. Абросимова
- •Цель работы
- •Классификация полупроводниковых материалов
- •Электропроводимость полупроводников Собственная проводимость полупроводников
- •Примесная проводимость полупроводников
- •Простые полупроводниковые материалы Германий
- •Кремний
- •Электронно-дырочный переход при воздействии внешнего электрического поля
- •Переход металл - полупроводник
- •Невыпрямляющий (омический) переход
- •Выпрямляющий переход
- •Полупроводниковые приборы Полупроводниковые диоды
- •Биполярный транзистор
- •Диодные включения транзисторов
- •Содержание работы
- •Описание лабораторной установки
- •Описание програмного интерфейса Основное меню
- •Панель инструментов
- •Окно измерений
- •Меню настройки
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов
- •Часть I «Исследование диодных структур» содержит:
- •Часть II «Исследование транзисторных структур» содержит:
- •Контрольные вопросы
- •Список литературы
Биполярный транзистор
Транзистор представляет собой двухпереходный прибор. Переходы образуются на границах тех трех слоев, из которых состоит транзистор. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы p-n-p и n-p-n со взаимно противоположными рабочими полярностями. Контакты с внешними электродами — омические (рис. 11).
Рис. 11. Структуры и условные обозначения
p-n-p (a) и n-p-n (б) биполярных транзисторов
Переход, работающий в прямом направлении, называется эмиттерным, а соответствующий крайний слой — эмиттером. Средний слой называется базой. Второй переход, нормально смещенный в обратном направлении, называется коллекторным, а соответствующий крайний слой — коллектором.
Как элемент электрической цепи транзистор обычно используют таким образом, что один из его электродов является входным, а другой — выходным. Третий электрод является общим относительно входа и выхода. В цепь входного электрода включают источник входного переменного сигнала, а в цепь выходного — сопротивление нагрузки. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) (рис. 12).
Рис. 12. Схемы включения биполярного транзистора:
а - с общей базой, б - общим эмиттером, в - общим коллектором
Основные процессы, протекающие в биполярном транзисторе, рассмотрим на примере транзистора, типа р-п-р, включенного по схеме с общей базой (рис. 13).
При отсутствии внешних напряжений (Uэб=Uкб=0) поля р-n-переходов создаются лишь объемными зарядами ионов и установившиеся потенциальные барьеры обоих переходов поддерживают динамическое равновесие, а токи через переходы равны нулю. При наличии источников смещения Eэ, и Ек указанной полярности (нормальное включение) создаются условия для инжектирования дырок из эмиттера в базу и перемещения электронов из базы в эмиттер.
Рис. 13.Транзистор типа р-п-р, включенный по схеме с ОБ
Поскольку концентрация электронов в базе во много раз меньше концентрации дырок в слое эмиттера, то встречный поток электронов значительно меньше. Поэтому при встречном перемещении дырок и электронов произойдет их частичная рекомбинация, а избыток дырок внедряется в слой базы, образуя ток эмиттера Iэ.
В результате инжекции дырок в базу, где они являются неосновными носителями, в последней возникает градиент (перепад) концентрации дырок, что приводит к их диффузионному перемещению во всех направлениях, в том числе и к коллекторному р-n-переходу. Дрейф (перемещение носителей под воздействием электрического поля) неосновных носителей к коллектору играет второстепенную роль. При перемещении через базу концентрация неосновных носителей заряда уменьшается за счет рекомбинации с электронами, поступающими в базовую цепь от источника Eэ. Поток этих электронов образует базовый ток Iб. Так как толщина базы wб современных транзисторов составляет единицы микрон, то большая часть дырок достигает коллекторного р-n-перехода и захватывается его полем, рекомбинируя с электронами, поступающими от источника питания Ек. При этом в коллекторной цепи проходит ток Iк, замыкая общую цепь тока. Таким образом, для токов транзистора справедливо соотношение Iэ = Iб + Iк.
При любом варианте включения транзистора имеется две входные величины (ток и напряжение) и две выходные. Взаимозависимость этих четырех величин можно выразить двадцатью четырьмя семействами характеристик, но наиболее широкое распространение получила система:
Первое уравнение — это семейство входных характеристик, второе — выходных. На рис. 14 представлены идеальные семейства входных и выходных характеристик транзистора. На входных характеристиках (рис. 14, а) кривая при Uкб=0 является обычной прямой ветвью диодной ВАХ. При значениях Uбк>0 кривые сдвигаются влево и вверх в связи с нарастанием собираемого компонента эмиттерного тока.
Рис. 14. Идеальные статические характеристики транзистора:
а — входные; б — выходные
Выходные характеристики — это обратные ветви ВАХ диода, ток насыщения которого зависит от тока базы. Входной ток Iб в принципе может иметь не только положительную, но и небольшую отрицательную величину. Зависимость выходного тока коллектора от Iб обычно описывается следующим образом:
.
Коэффициент при токе Iб называется коэффициентом передачи базового тока. Довольно часто его называют также просто коэффициентом усиления транзистора. Обычно β>>1. Ток — нулевой ток коллектора в схеме, т. е. ток при оборванной базе. Следует отметить, что режим работы транзистора с оборванной базой очень опасен из-за возможности пробоя, поэтому непосредственно ток не измеряют. Минимально возможный ток коллектора будет получаться при отрицательном токе базы.