Контрольные вопросы

1. Зависит ли конструкция диода от значения выпрямляемого тока, его частоты, значения допустимого напряжения, температуры окружающей среды?

2. Из каких материалов изготовляют выпрямительные диоды?

3. Чем обусловлен обратный ток диода?

4. Что такое электрический пробой, чем он отличается от пробоя теплового для кремниевых диодов?

5. Есть ли принципиальные различия между выпрямительным кремниевым диодом и фотодиодом?

6. Могут ли создавать электрический ток фотодиоды при отсутствии внешнего источника электроэнергии?

7. Для каких целей, кроме выпрямления переменного тока, можно использовать выпрямительные диоды?

Работа № 10. Исследование биполярного транзистора

Цель работы - изучение принципа действия биполярного транзистора, статических характеристик транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером.

Программа работы

1. Снятие семейства входных и выходных вольтамперных характеристик.

2. Снятие проходных характеристик транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером (ОЭ).

Общие положения

Биполярным транзистором называют трёхэлектродный полупроводниковый прибор с двумя близкорасположенными электронно-дырочными переходами. Они служат для усиления, генерирования, преобразования и коммутации сигналов и т.д.

Ток в биполярном транзисторе определяется движением носителей зарядов двух знаков – отрицательных (электронов) и положительных (дырок), отсюда и название – биполярный, т.е. двухполярный. На рис.54 показаны условные графические обозначения транзисторов типа n-p-n и p-n-p, выполненных на основе германия и кремния и типовые напряжения на электродах относительно эмиттера.

Рис.54. Условные обозначения и типовые напряжения на электродах биполярных транзисторов

Две крайние области монокристалла германия или кремния с однотипной проводимостью разделены областью противоположной электропроводности (рис.55).

Биполярные транзисторы являются асимметричными приборами:

1. Эмиттерный электронно-дырочный переход (ЭЭДП) между базой и эмиттером n₁⁺ -p по площади меньше коллекторного (КЭДП) n₂-p.

2. Знак «плюс» означает, что концентрация примесей в эмиттере в сотни раз превышает концентрацию примесей в базе (p).

3. Концентрация примесей в коллекторе чуть меньше, чем в эмиттере.

Рис.55. Конструкция современного биполярного транзистора типа n-p-n

Асимметричность обеспечивает быстрейшее протекание переходных процессов при переключениях.

Рабочей областью обоих ЭДП является та, что расположена под донной частью ЭЭДП.

Взаимодействие ЭЭДП и КЭДП возможно из-за малой ширины базы w (1…3 мкм).

В однородной базе носители двигаются за счет диффузии. Если база неоднородна, то образуется встречное электрическое поле, поэтому на движение носителей влияет ещё и дрейф. В силу этого различают бездрейфовые и дрейфовые биполярные транзисторы. Дрейфовые применяются в интегральных микросхемах.

На рис.56 приведены три схемы включения биполярного транзистора. Из рис.56 видно, что в любой схеме включения один из электродов должен быть общим как для входной, так и для выходной цепей; этот электрод обычно заземляют. При этом цепи рассматривают только относительно переменного тока.

Входными величинами являются U₁ и I₁, а выходными – U₂ и I₂. Эти величины связаны уравнениями:

Зависимости U₁ = F(I₁) при различных значениях U₂=const называются семейством входных статических ВАХ. Зависимости при различных значениях I₁=const называются семейством выходных статических ВАХ.

Рис.56. Схемы включения биполярного транзистора: ОБ – с общей базой; ОЭ – с общим эмиттером; ОК – с общим коллектором. Полярности напряжений указаны для активного режима

Принцип действия биполярного транзистора любой структуры основан на создании транзисторного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера в коллектор через базу и управления этим потоком посредством тока базы.

Если транзистор не подключён к внешним источникам электроэнергии, то в его электронно-дырочных переходах (ЭДП) возникают потенциальные барьеры высотой U_ЭДП. Через них протекают два небольших тока: ток, обусловленный диффузией через ЭДП основных носителей (электронов из области n и дырок из области p), и встречный дрейфовый ток, создаваемый неосновными носителями заряда. Токи эти равны, поэтому суммарный ток через ЭДП равен нулю.

Входная ВАХ аналогична характеристике диода при прямом токе, а выходная - ВАХ при обратном токе.

На рис. 57,а приведены входные статические характеристики ВАХ для кремниевого биполярного транзистора n-p-n структуры, они сняты при двух значениях коллекторного напряжения: U_КЭ=0 и U_КЭ = 3 В.

Увеличение напряжения на коллекторе сверх некоторого предела U_КП приводит к очень незначительным смещениям входной ВАХ вправо, с ними можно не считаться. На практике для всех напряжений на коллекторе, бóльших значения U_КП, пользуются одной характеристикой, снятой при U_КЭ = 0.

Семейства выходных ВАХ, снятых при различных значениях входного тока (I_Б=const) показаны на рис.57,б. Переходная характеристика приведена на рис.58.

Рис.57. ВАХ биполярного транзистора: а) входные; б) выходные

Рис.58. Переходная характеристика