5. Содержание отчета

Отчет должен содержать краткие теоретические сведения, ана­литическое описание входных и выходных характеристик, схему эксперимента, результаты эксперимента, расчеты и графики по п.п. 4.I-4.I2.

6. Контрольные вопросы

1. Объяснить движение зарядов и образование основных составля­ющих токов в нормальном режиме;

а) в транзисторе n-р-n типа; б) в транзисторе р-n-р типа.

2. Как связаны граничные концентрации неосновных носителей в базе с напряжениями на переходах?

3. Как связаны токи через переходы с градиентами граничных концентраций неосновных носителей в базе.

4. Что такое коэффициент инжекции?

5. Какой физический смысл имеет коэффициент переноса?

6. Как определяется теоретически и экспериментально коэффициент передачи тока эмиттера?

7. Привести схемы включения транзистора.

8. Привести модель Эберса-Молла.

9. Какие режимы работы транзистора существуют.

10. Изобразить распределение неосновных носителей в базе для различных режимов работы.

11. Указать направления токов и знаки потенциалов на электродах в различных режимах работы: а) транзистора n-р-n типа;

б) транзистора р-n-р типа.

12. Привести выражение для выходных характеристик.

13. Привести выражения для входных характеристик.

14. Объяснить влияние на входные характеристики.

15. Объяснить влияние на выходное характеристики.

16. Описать характеристики обратной связи.

17. Объяснить влияние на коэффициент передачи тока эмитте­ра.

18. Объяснить отличие реальных характеристик от характеристик идеализированного транзистора.

7. Литература

1, Степаненко И.П, Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия. 1977., стр. 173 212.

2, А.Л.Булычев, В.А.Прохоренко "Электронные приборы" Минск, "Вышейшая шк." 1987, стр. 157-173,

3, Микроэлектроника:Учебное пособие для втузов. В 9 кн./ Под.ред. Л.А.Коледова. Кн. I. Физические основы функционирования изделий микроэлектроники./О.В.Митрофанов, Б.М.Симонов, Л.А. Коледов. - М.:Высш. шк. 1987.с.110-123.

4. Ю.В.Виноградов. Основы электронной и полупроводниковой тех­ники. Учебник для студентов высш. техн. заведений. Изд.2-е доп. М., Энергия, 1972. с.71-115.

Лабораторная работа №5

СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА В СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

1. Цель работы

Целью работы является экспериментальное исследование статических характеристик n-p-n транзистора в схеме ОЭ, определение коэффициента передачи тока базы и исследование его зависимости от режима работы.

2. Теоретические сведения

В схеме включения ОЭ входным электродом транзистора является база, а выходом – коллектор. На рис.1 приведена структура транзистора в схеме ОЭ с указанием направления движения носителей заряда и токов в активном режиме.

Рис. 1. Активный режим транзистора в схеме с общим эмиттером

Для транзистора n-p-n типа эмиттерный переход смещен в прямом направлении при U_БЭ>0, коллекторный переход смещен в обратном направлении при U_БК<0 или U_КБ>0. Так как все потенциалы отсчитываются от общего электрода-эмиттера, то в схеме ОЭ вместо напряжения U_КБ используется U_КЭ= U_КБ+ U_КЭ. При больших обратных напряжениях (U_КБ>3В) можно считать U_КЭ= U_КБ, так напряжение на прямосмещенном переходе U_КЭ мало. Электроны из эмиттера через эмиттерный переход инжектируются в базу, захватываются полем коллекторного перехода и образуют ток коллектора. Часть электронов рекомбинирует с дырками p-слоя базы, избыточные электроны уходят во внешнюю цепь и образуют ток базы. Кроме того, через обратносмещенный коллекторный переход протекает обратный ток коллектора I_К0.

В активном режиме из модели Эберса-Малла получена зависимость между током коллектора и эмиттера:

I_К=αI_Э- I_К0 ( (1)

α - коэффициент передачи тока эмиттера.

Выходные характеристики транзистора в схеме ОЭ – зависимости тока коллектора от напряжения U_К0 при заданном входном токе I_Б:

I_К=f(U_КЭ)|_IБ=const (2)

Учитывая, что I_Э=I_К+I_Б , U_КЭ=U_КБ при больших напряжениях на коллекторе, получим из (1) аналитическое выражение выходных характеристик:

I_К= I_Б+ ( (3)

и при |U_КЭ| >>φ_т

I_К= I_Б +

Коэффициент называется коэффициентом передачи тока базы.

I_К= β I_Б + I_К0 (1+ β) (4)

Из последней формулы видно, что обратный ток коллектора в схеме ОЭ в (1+ β) раз больше, чем в схеме ОБ: I^*_К0=(1+ β)I_К0 .

Различают интегральный коэффициент передачи тока базы:

и дифференциальный:

β = |_UКЭ=const

Семейство выходных характеристик приведено на рис.2.

Рис. 2. Выходные характеристики

При I_Б = 0 (обрыв базы) ток коллектора равен I^*_К0= I_К0 (1+ β). Это объясняется тем, что напряжение U_КЭ частично приложено к эмиттерному переходу. Дырки, проникающие через коллекторный переход в базу, заряжают область базы положительно, эмиттерный переход смещается в прямом направлении, ток транзистора возрастает. Минимальный ток коллектора I_К0 достигается при I_Б = −I_К0.

Такой режим обеспечивается при замыкании эмиттерного перехода: UБЭ=0, I_Э = 0. В этом случае схемы ОЭ и ОБ эквивалентны. Таким образом, транзистор в схеме ОЭ может управляться и отрицательным током базы, но это свойство не находит применения ввиду малости обратных токов кремниевых транзисторов. С увеличением тока базы ток коллектора возрастает. В схеме ОЭ характеристики имеют значительно больший наклон (сильнее зависит от U_КЭ), чем в схеме ОБ. При увеличении обратного напряжения на коллекторном переходе ширина перехода возрастает, толщина базы уменьшается, количество рекомбинируемых электронов уменьшается, и при I_Б = const I_К возрастает вследствие увеличения α и β. Особенностью выходных характеристик по сравнению со схемой ОБ является их расположение только в I квадранте. Это объясняется тем, что коллекторный переход смещен в прямом направлении и транзистор переходит в режим насыщения при U_КБ = 0, а так как на базе положительный потенциал, то уменьшение тока коллектора наступает при U_КЭ = U_КБ + U_БЭ = U_БЭ> 0. Чем больше ток коллектора, тем при большем напряжении на коллекторе происходит переход из активной области в область насыщения.

Входные характеристики транзистора: I_Б=f(U_БЭ)|_UКЭ=const приведены на рис.3.

Рис. 3. Входные характеристики.

В справочнике приводят входные характеристики для двух значений коллекторных напряжений: U_КЭ = 0, U_КЭ = 5В (иногда 10В). При U_КЭ = 0 входная характеристика соответствует ВАХ двух параллельно включенных p-n переходов с относительно большим током базы при положительном U_БЭ, что соответствует повышенной рекомбинации в базе в режиме насыщения. При U_КЭ = 5В носители, инжектированные в базу, захватываются полем коллекторного перехода, коэффициенты α и β возрастают, ток базы значительно меньше, чем при U_КЭ= 0. При U_БЭ = 0 ток базы равен обратному току коллектора (т. 1). При некотором значении U_БЭ вытекающий ток базы I_К0 компенсируется втекающим током рекомбинации (из-за увеличения I_Э и I_К), суммарный ток базы равен 0 (т.2).

Дальнейшее увеличение U_КЭ может привести как к уменьшению, так и к увеличению тока базы при постоянном U_БЭ (пунктир).

Обычно при малых U_БЭ график сдвигается вниз из-за увеличения I_К0.

При больших значениях U_БЭ график сдвигается вверх. Это объясняется тем, что при увеличении U_КЭ часть напряжения падает на эмиттерном переходе, ток I_Э возрастает, рекомбинационная составляющая тока базы увеличивается.

Практически U_КЭ в активном режиме влияет незначительно, можно считать, что семейство входных характеристик при U_КЭ > 5В совпадает с графиком для U_КЭ=5В.

На рис.4 приведены распределения неосновных носителей в базе транзистора для режимов, указанных на входных и выходных характеристиках.

Рис. 4. Распределение неосновных носителей заряда в базе

1. Режим осечки: U_БЭ=0, I_Б=−I_К0, I_К=I_К0.

2. Обрыв базы: I_Б=0, I _К=I^*_К0, U_БЭ>0.

3,4. Активный режим: U_БЭ>0, U_КЭ>U_БЭ, U_КБ>0.

5,6. Граничный режим: U_БЭ>0, U_КЭ=U_БЭ, U_КБ=0.

7. Режим насыщения: U_БЭ>0, U_БК>0, U_КЭ<U_БЭ.

На рис.5 приведена зависимость коэффициента передачи тока базы от тока эмиттера для различныхU_КЭ.

Рис. 5. Зависимость β от режима работы.

В области малых токов эмиттера (коллектора) обратный ток коллектора (неуправляемая током базы часть I_К) соизмерим с управляемым током и рекомбинационным током базы, коэффициент β относительно мал. Кроме того, при малых токах влияет поверхностная и объемная (на ловушках и дефектах структуры) рекомбинации. В области больших токов концентрация носителей заряда в базе возрастает, проводимость базы уменьшается. Это приводит к уменьшению α и β. При больших обратных напряжениях на коллектореβ увеличивается благодаря улучшению экстракции и росту коэффициента переноса.