Лабораторная работа №3

Исследование биполярного транзистора в статическом режиме

Цель работы: Изучение работы биполярного транзистора в схемах включения с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ)

Теоретические сведения

Основой работы полупроводниковых компонентов является p-n- переход, представляющий собой границу раздела областей полупровод­никового материала, обладающих p- и n- электропроводностями. Биполярным транзистором называют трёхслойную полупроводниковую структуру с чередующимися типом проводимости областей, созданную в едином кристалле и образующую два p-n- перехода, находящихся на расстоянии около 1 мкм или менее (рис. 3.1.). Транзистор полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены явлениями переноса зарядов в твёрдом теле (явления инжекции и экстракции неосновных носителей) усиления, генерирования и преобразования сигналов.

Б

Э

К

n⁺₁

p

n₂

Рис. 1. Структура биполярного транзистора и их условно – графическое изображение

Термин «транзистор» происходит от комбинации английских слов transfer of resistor, что в переводе означает « преобразователь сопротивления». Термин «биполярный» означает, что в этом транзисторе используются подвижные носители обоих знаков – электроны и дырки. Транзистор представляет собой полупроводниковый кристалл, в котором две крайние области с однотипной электропроводностью разделены областью противоположной электропроводности. В зависимости от электропроводности этих трёх областей различают транзисторы n-p-n и p-n-p типов, условно графичемкие обозначения которых показано на рис. 1.

Структура транзистора. В реальных транзисторах площади p-n переходов существенно различаются. Переход n₁⁺-p имеет гораздо меньшую площадь, чем n₂-p. Кроме того, в транзисторах наблюдается и асимметрия в концентрации примесей. Один из крайних слоёв (на рисунке слой n₁⁺) легирован (имеет концентрацию примесей) значительно сильнее, чем слой n₂. Средний слой транзистора называют базой, крайний сильно легированный слой меньшей площади(n₁⁺) называют эмиттером, а слой с большей площадью, но легированный меньше эмиттера(n₂)- коллектором. Нужно сказать, что слой базы легирован ещё меньше, чем слой коллектора. Таким образом, транзистор является асимметричным прибором.

Рабочей (активной) областью транзистора является область, расположенная под донной частью эмиттерного перехода (на рис. 3.1. эта область не заштрихована). Остальные (заштрихованные) участки структуры являются пассивными, т.е. в известной мере паразитными. Пассивные области можно в первом приближении моделировать резисторами, подключёнными к рабочим слоям базы и коллектора (рис.3.2.).

Рис. 3.2. Структура транзистора

Н а рис.3.2. активная область транзистора показана в горизонтальном положении. Здесь же показаны места подключения резисторов r_б и r_кк, характеризующих пассивные участки. Эмиттерному – высоколегированному - слою присвоен верхний индекс «+». Структура, показанная на этом рисунке, служит основой при анализе работы транзисторов.

Взаимодействие между эмиттерным и коллекторным переходами обеспечивается малой шириной базы. У современных транзисторов она обычно не превышает 1мкм, тогда как диффузионная длина пробега L лежит в пределах 5-10мкм. Основные свойства транзистора определяются процессами в базе. Если база однородная, то движение носителей в ней чисто диффузионное. Если же база неоднородная, то в ней, как известно, есть внутреннее электрическое поле, и тогда движение носителей будет комбинированным: диффузия сочетается с дрейфом. Транзистор с однородной базой называют бездрейфовым (или диффузионным), а с неоднородной – дрейфовым. Последние имеют в настоящее время наибольшее распространение в интегральных схемах.

Основные физические процессы в p-n- переходе

Если монокристалл полупроводника содержит области электрон­ной и дырочной проводимости, то, как известно, по­верхность, разделяю­щая эти области, называется p-n- переходом. На рис. 2а изображе­ны две граничащие области кристалла полупроводника, одна из которых содержит донорную примесь (область электронной, т.е. n- проводимо­сти), а другая – акцепторную примесь (область дырочной, т.е. p- прово­димости). С целью упрощения можно считать, что граница между облас­тями выражена достаточно четко. При этом следует иметь в виду, что p-n- переход невозможно реализовать соприкосновением двух пластин из разнородных полупроводниковых материалов, поскольку при этом неиз­бежно возникает промежуточный слой (воздуха или поверхностных пле­нок). Рассматриваемый p-n- переход изготавливается в едином кристалле полупроводника, в котором получена достаточно резкая граница между областями.

П ри отсутствии приложенного к кристаллу электрического напря­жения наблюдается диффузия основных носителей зарядов из одной об­ласти в другую. Поскольку концентрация электронов в n- области выше, чем в p- области, они диффундируют в p- область, заряжая отрицательно пограничный слой этой области. В свою очередь, дырки диффундируют в n- область и заряжают ее приграничный слой положительно. Таким об­разом через достаточно короткий промежуток времени с обеих сторон поверхности раздела образуются противоположные по знаку пространст­венные заряды, плотность которых зависит от расстояния (рис. 2б.

(а)

(б)

(в)

Рис. 2. Проявление свойств р-п- перехода: (а) - возникновение про­странственных зарядов; (б)-распределение плотности зарядов на границе разде­ла; (в)- потенциальный барьер

Создаваемое пространственным зарядом электрическое поле пре­пятствует дальнейшей диффузии электронов и дырок в противополож­ных направлениях. Возникает, так называемый, потенциальный барьер, высота которого характеризуется разностью потенциалов , устано­вившимся в приграничном слое. Чем значительнее разность потенциалов , тем труднее основным носителям зарядов его преодолеть. В при­граничном слое происходит обеднение основных носителей зарядов со­ответствующей области. Поэтому p-n- переход часто называют запираю­щим слоем (рис. 2в).

Если к p-n- переходу приложить внешнее электрическое напряже­ние так, что к области с электронной проводимостью подключен отрица­тельный полюс источника напряжения, а к области с дырочной проводи­мостью – положительный, то направление напряжения внешнего источ­ника будет противоположно по знаку электрическому полю p-n- перехо­да (его потенциальный барьер снизится, а запирающий эффект будет ос­лаблен). Снижение потенциального барьера вызовет увеличение тока че­рез p-n- переход.

Рис. 3. Возникновение тока через р-n-переход при прямой (а) и обратной (б) полярности приложенного напряжения

Если изменить полярность приложенного к p-n- переходу напряжения, то электроны из приграничного слоя начнут движение от границы раздела к положительному полюсу источника, а дырки – к отрицательному. Следовательно, свободные электроны и дырки будут отходить от границы областей, образуя прослойку, в которой практически отсутствуют носители зарядов. В этом случае ток через p-n- переход снижается в десятки тысяч раз, что приближенно можно считать отсутствием тока.

Рис. 4. Вольтамперная характеристика р-п- перехода: 1 - при нормальной температуре;

2 - при повышенной температуре

Резкое различие уровней электрической проводимости p-n- перехода отражается его вольтамперной характеристикой (кривая 1 на рис. 4), показывающей зависимость значения тока через p-n- переход от полярности и уровня приложенного напряжения.

Вольтамперная характеристика p-n- перехода в германии с доста­точной для практики точностью может быть представлена соотношени­ем

,

где - ток через p-n- переход; - обратный ток насыщения p-n- пере­хода, определяемый теоретически по физическим свойствам полупроводника (тепловой ток); - приложенное напряжение к p-n- переходу; - термический потенциал (равный при нормальной температуре 25,5 мВ); = 1… 2 (эмпирический коэффициент: так называемый -фактор).

При положительных напряжениях через p-n- переход протекает прямой ток (соответствует так называемой прямой ветви вольтамперной характеристики), обусловленный высокой электрической проводимо­стью. Отрицательным напряжениям соответствует обратная ветвь тока.

При малых отрицательных напряжениях ( <0,1 …0,15 В) значение экспоненциальной составляющей в выражении для тока через p-n- переход становится менее единицы, а обратный ток приобретает постоянное значение = – . Такая зависимость обратного тока специфична для германиевых p-n- переходов. Для кремниевых и арсенид-галлиевых p-n- переходов обратный ток при относительно малых отрица­тельных напряжениях к току насыщения добавляется ток термогенерации.

При малых обратных напряжениях на p-n- переходе слой пространственного заряда существенно обеднен носителями заряда (их концентрация практически нулевая) и в нем происходит термическая генерация электронно-дырочных пар, не уравновешенных процессом рекомбинации (противоположным процессом). При генерации такой пары электрическое поле пространственного заряда выталкивает электрон в электрически нейтральную приграничную n-область, а дырку – в электрически нейтральную приграничную p-область. Этим создается еще один обратный ток p-n- перехода, называемый током термогенерации , который пропорционален объему слоя пространственного заряда (произведению площади p-n- перехода на толщину слоя). С увеличением обратного напряжения толщина пространственного заряда возрастает вместе с током термогенерации. Чем более ширина запрещенной зоны, тем более .

Для германиевого p-n- перехода ток термогенерации обычно невелик. Для p-n- перехода в кристалле кремния и арсенида галлия >> (на три-четыре порядка) и поэтому вносит основной вклад в обратный ток перехода этих полупроводников.

При увеличении обратного напряжения на p-n- переходе может произойти его пробой при значении , которое зависит от материала и конструкции p-n- перехода. Пробой характеризуется резким увеличением обратного тока. Если не включать последовательно p-n- переходу ограничивающий резистор, то происходит разогрев перехода (вплоть до расплавления) и его разрушение.

При изготовлении p-n- перехода в тонкий приповерхностный слой полупроводника вводят небольшое количество примеси.