4. Контрольные вопросы

1. Нарисовать ВАХ параллельного соединения диода и резистора.

2. Почему при измерении ВАХ стабилитрона и туннельного диода необходимо ограничивать ток с помощью резистора r?

3. Нарисовать ВАХ двух встречно включенных стабилитронов, соединенных последовательно.

4. Чем объяснить малую величину тока при обратном смещении p-n-перехода?

5. Как с помощью нескольких диодов получить прибор, по характеристам аналогичный стабилитрону с U_ст = 6 В. Сколько кремниевых диодов с U_d = 0,6 В для этого понадобится?

Лабораторная работа № 8 биполярный транзистор

Цель работы: Знакомство с принципом работы, основными характеристиками и схемами замещения биполярного транзистора и их применением для расчета усилителя с общим эмиттером.

1. Теоретические сведения

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя выводами. Прежде чем приступить к анализу схем на базе биполярных транзисторов, рассмотрим происходящие в нем физические процессы.

1.1. Физические процессы в транзисторе

Рис. 1. Структура и условные обозначения n-p-n- и p-n-p-транзисторов

Транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с различными типами примесной электропроводности – p-n-p или n-p-n. Средняя область транзистора называется базой, а крайние – эмиттером и коллектором. Для того чтобы транзистор работал нормально, область базы должна быть тонкой (несколько микрометров) и концентрация примесей в базе должна быть много меньше концентрации примесей в коллекторе и эмиттере. Для n-p-n-транзистора, например, это означает, что концентрация акцепторной примеси N_a << N_d. Структура транзисторов разного типа и их условные обозначения на электрических схемах показаны на рис. 1.

Различают три основных режима работы транзистора:

• активный режим – характерен тем, что эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном;

• режим отсечки – оба перехода смещены в обратном направлении;

• режим насыщения – оба перехода смещены в прямом направлении.

Рассмотрим процессы в транзисторе на примере плоскостного биполярного n-p-n-транзистора в активном режиме, поскольку в усилителях и генераторах транзисторы работают именно в этом режиме. Существуют несколько вариантов обеспечения активного режима, в зависимости от того, какой вывод транзистора используется в качестве общей точки, – схемы с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Рассмотрим процессы, происходящие в транзисторе, на примере схемы с общей базой, полагая для простоты, что концентрации примесей в эмиттере и коллекторе равны.

В равновесном состоянии транзистора в отсутствие внешних источников концентрация носителей и потенциал распределены по координате так, как показано на рис. 2, а. Поскольку, как уже отмечалось, база транзистора всегда легирована слабее эмиттера и коллектора, то n_n >> p_p. В равновесном состоянии на границе раздела слоев образуется объемный заряд, положительный в коллекторе и эмиттере и отрицательный в базе, причем отрицательный объемный заряд шире, так как база легирована слабее. Внутренняя разность потенциалов в равновесном состоянии устанавливается равной

.

Рис. 2. Распределение концентрации электронов и потенциала

в равновесном состоянии (а) и в активном режиме (б) биполярного транзистора

В активном режиме (рис. 2, б) отрицательное напряжение между эмиттером и базой u_эб составляет доли вольта, а положительное напряжение между коллектором и базой u_кб – единицы, десятки и даже сотни вольт. Таким образом, эмиттерный переход оказывается смещенным в прямом, а коллекторный – в обратном направлении. Электроны инжектируются из эмиттера в базу, а затем, благодаря диффузии, проникают в коллектор.

Объемный заряд в районе обратно смещенного коллекторного перехода также способствует проникновению электронов в коллектор. Следует отметить, что только малая часть проходящих сквозь базу электронов успевает рекомбинировать, поскольку база тонка и концентрация дырок в ней мала. Таким образом, значительная часть попавших в эмиттер электронов проникает в коллектор и, затем, – в проводник, соединяющий коллектор с источником напряжения. Это означает, что коллекторный ток i_к практически равен эмиттерному току i_э. Процесс рекомбинации незначительной части электронов в базе внешне проявляется в виде появления базового тока, поскольку в равновесном состоянии взамен рекомбинировавшей дырки должна возникнуть новая. Появление новых дырок возможно только путем вывода электронов из базы через базовый контакт в источник напряжения.

По закону Кирхгофа, сумма токов транзистора должна быть равна нулю, то есть i_э = i_к + i_б, причем, как уже отмечалось, i_к  i_э  i_б. Увеличение напряжения эмиттер-база u_эб снижает потенциальный барьер в районе базового перехода, что способствует увеличению эмиттерного, а значит – и коллекторного токов. Следует отметить, что эмиттер и коллектор в биполярном транзисторе можно поменять местами, однако, поскольку основное тепловыделение происходит именно в коллекторе, его делают значительно большим по объему, а коллекторный переход, как правило, имеет большую площадь.

Рис. 3. Распределение токов в активном режиме работы n-p-n-транзистора

Запишем соотношения между токами транзистора, пользуясь иллюстрацией на рис. 3, где для наглядности показаны обратные токи, то есть потоки электронов. Полный ток эмиттера складывается из диффузионной i_{э диф} и дрейфовой i_{э др} составляющих, причем в активном режиме дрейфовая составляющая пренебрежимо мала. Диффузионная составляющая эмиттерного тока, в свою очередь, делится на диффузионные токи электронов и дырок:

.

Поскольку именно электроны вносят полезный вклад в работу n-p-n-транзистора, эмиттерный переход можно охарактеризовать коэффициентом инжекции , который определяется как отношение электронной составляющей эмиттерного тока i_эn к полному току эмиттера i_э. Таким образом, .

Поскольку, как уже отмечалось, небольшая часть вошедших в базу электронов рекомбинирует в ней, создавая базовый ток, имеет смысл ввести коэффициент перехода через базу как отношение электронной составляющей коллекторного к электронной составляющей эмиттерного тока:

.

Здесь  =  – коэффициент передачи тока эмиттера. Полный ток коллектора включает еще и обратный ток коллекторного перехода I_к0, поэтому

.

(1)

В выражении (1) обратный ток коллектора I_к0 (так же, как обратный ток диода) сильно зависит от температуры. Кроме того, в этом выражении не учитывается влияние напряжения u_кб на коллекторный ток i_кn, которое проявляется в виде эффекта модуляции базы (эффекта Эрли). Этот эффект состоит в уменьшении вероятности рекомбинации электронов, пролетающих через базу, при повышении напряжения u_кб. Дело в том, что при повышении напряжения на обратносмещенном коллекторном переходе увеличивается ширина обедненного слоя, то есть уменьшается ширина p-области. Учесть эффект Эрли можно, введя в выражение (1) член, линейно зависящий от u_кб:

,

(2)

где r_к – дифференциальное сопротивление коллектора.