ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА: Исследование кремниевого биполярного транзистора

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 Исследование кремниевого биполярного транзистора ЦЕЛЬ РАБОТЫ Исследование биполярного транзистора на основе кремния, включенного  по схеме с общим эмиттером, снятие и анализ входных и выходных  характеристик; определение основных параметров. ТЕОРИЯ 1. Общие сведения о биполярном транзисторе Биполярным транзистором  называется электропреобразовательный полупроводниковый   прибор,   имеющий   в   своей   структуре   два взаимодействующих   p­n­перехода   и   три   внешних   вывода,   и предназначенный в основном для усиления и преобразования электрических сигналов.   Работа   биполярного   транзистора   основана   на   взаимодействии электронов и дырок с электрическим полем. Широко   распространены   биполярные   транзисторы,   изготовленные   по диффузионной технологии (рис.1. а). Рис. 1. Структурная схема а) и типы биполярных транзисторов б). Биполярный   транзистор   в   своей   структуре   имеет   три   области полупроводника. Две крайние области имеют одинаковый тип проводимости, а средняя область – противоположный крайним областям. В зависимости от 1 типа   проводимости     областей   различают   транзисторы   с  n­p­n­   и  p­n­p­ структурой (рис. 1. б). Наибольшее   распространение   получили   транзисторы  n­p­n­структуры, которые, благодаря более высоким значениям подвижности и коэффициента nD > pD ), обладают диффузии электронов по сравнению с дырками ( большим   усилением   и   меньшей   инерционностью,   чем   транзисторы  p­n­p­ структуры.  n > p ;    Одна из крайних областей транзистора, имеющая наименьшие размеры, называется  эмиттером  (Э).  Эмиттер   предназначен   для   создания   сильного потока   основных   носителей   заряда,   пронизывающего   всю   структуру ЭN =1019­ транзистора. Поэтому эмиттер имеет высокий степень легирования ( 1020 см­3). Другая крайняя область транзистора, называется  коллектором (К). Он   предназначен   для   собирания   потока   носителей,   идущих   из   эмиттера. Поэтому   коллектор   имеет   большие   размеры.   Легируется   коллектор значительно слабее эмиттера. Средняя область транзистора называется базой (Б). Она предназначена для управления потоком носителей, движущихся из эмиттера   в   коллектор.   Степень   легирования   базы   очень   низкая   ­   на   3...4 порядка ниже, чем у эмиттера ( делается очень маленькой, меньше чем диффузионная длина ( БN << ЭN ). Толщина базовой области   БW БW << nL ), Эти два условия способствуют уменьшению в базе, инжектированных из эмиттера носителей при рекомбинации с основными носителями в базе. Режимы работы транзистора  В   зависимости   от   полярности   приложенного   напряжения, характеризующего   состояние   переходов,   различают   четыре   режимы работы   транзистора.   Основным   режимом,   используемым   в   усилительных схемах,   является  активный   режим.   В   этом   режиме   эмиттерный   переход находится в открытом состоянии, а коллекторный ­ в закрытом. В инверсном режиме    эмиттерный переход закрыт, а коллекторный ­ открыт, в  режиме 2 насыщения  оба   перехода   открыты,   и   наконец   в  режиме   отсечки  оба перехода закрыты. Схемы включения биполярного транзистора  В транзисторе имеется только три вывода, поэтому для представления его в качестве четырехполюсника необходимо один из выводов транзистора сделать общим для входной и выходной цепей. Исходя из того, какой вывод является общим, различают   схемы включения транзистора:  с общей  базой (ОБ),  общим эмиттером  (ОЭ) и  общим коллектором  (ОК). На рисунке 2 показаны полярности напряжений между электродами и направления токов, соответствующие   активному   режиму   в   различных   схемах   включения транзистора.  В схеме с общей базой (рис. 2,а) входной цепью является цепь эмиттера, а выходной   ­   цепь   коллектора.   Схема   с   ОБ   наиболее   проста   для   анализа, поскольку   в   ней   каждое   из   внешних   напряжений   прикладывается   к конкретному   переходу:   напряжение   переходу, а напряжение  КБU  ­ к коллекторному.  ЭБU   прикладывается   к   эмиттерному IЭ Э UЭБ IК К Б IБ UКБ а) IБ UБЭ IК UКЭ IЭ б) IЭ UКЭ IБ UБК IК в) Рис.2. Схемы включения биполярного транзистора. Падениями напряжений на областях эмиттера, базы и коллектора можно в первом приближении пренебречь, поскольку сопротивления этих областей значительно   меньше   сопротивлений   переходов.   При   указанных   на   рисунке полярностях напряжений ( КБU <0) эмиттерный переход находится в ЭБU >0;  открытом   состоянии,   а   коллекторный   ­   в   закрытом   состоянии,   что соответствует активному режиму работы транзистора. 3 В схеме с общим эмиттером (рис. 2,б) входной цепью является цепь базы, а   выходной   ­   цепь   коллектора.   В   схеме   с   ОЭ   напряжение   БЭU >0 прикладывается   непосредственно   к   эмиттерному   переходу   и   отпирает   его. Напряжение   КЭU   распределяется между обоими переходами:   КЭU = КБU + БЭU . Для того, чтобы коллекторный переход был закрыт, необходимо  КБU = КЭU – БЭU <0. В схеме с общим коллектором (см. рис.2,в) входной цепью является цепь базы, а выходной ­ цепь эмиттера. Принцип работы биполярного транзистора Рассмотрим  транзистор  n­p­n  структуры, включенный  с схеме  с  ОБ  в активном режиме (рис.3). инжекция диффузия экстракция ЭП КП IЭ n+ Э UЭБ p Б n IK К х UКБ Рис.3. Механизмы токов в биполярном транзисторе. Допустим, что переходы являются плоскими и их поперечные размеры во много   раз   превышают   толщину   переходов,   а   также   потоки   носителей движутся   только   в   направлении,   перпендикулярной   плоскостям   переходов (плоская   одномерная   модель).   Так   как   в   реальных   транзисторах   (рис.1а) ширина базы значительно меньше поперечных размеров переходов, плоская одномерная модель достаточно хорошо отражает процессы, протекающие в транзисторе.  Через открытый эмиттерный переход инжектируются в базу основные носители   заряда.   Инжекцию   можно   считать   односторонней,   то   есть достаточно   рассматривать   только   поток   электронов,   инжектируемых   из 4 эмиттера в базу. Этот поток экспоненциально (сильно) зависит от напряжения на   эмиттерном   переходе   ЭБU .   Инжектированные   в   базу   электроны оказываются в ней избыточными (неравновесными) неосновными носителями заряда.   Вследствие   диффузии   они   движутся   через   базу   к   коллекторному переходу,   частично   рекомбинируя   с   основными   носителями   ­   дырками. Достигнувшие   коллекторного   перехода   электроны   захватываются   полем закрытого коллекторного перехода и перебрасываются в коллектор.  Поскольку коллекторный переход не представляет потенциальный барьер для   электронов,   движущихся   из   базы,  этот   поток  (если   не  учесть   эффект Эрли)   не   зависит   от   напряжения   на   коллекторном   переходе   КБU .   Таким образом,   в   активном   режиме   всю   структуру   транзистора   от   эмиттера   до коллектора пронизывает сквозной поток электронов, создающий во внешних цепях   эмиттера   и  коллектора   токи   ЭI   и   КI   (рис.3).  Ток   коллектора   КI является   выходным   током   транзистора.  Он   не   зависит   от   выходного КБU  и им очень эффективно управляется входным напряжением напряжения  ЭБU ,   что  составляет   основу   принципа   работы   биполярного   транзистора   и позволяет использовать транзистор для усиления электрических сигналов. Теперь   рассмотрим,   каким   образом   осуществляется   усиление   по напряжению в усилительном каскаде на транзисторе, включенном по схеме ОБ.   В   этой   схеме   источник   переменного   напряжения   ЭБU   включается   в эмиттерную цепь, а в коллекторную цепь включен нагрузочный резистор  (рис.4.).   Переменное   напряжение   ЭБU   складывается   с   напряжением, КR подаваемым   от   источника   постоянного   смещения,   и   воздействует   на   ток коллектора. 5 IЭ IК ~UЭБ IБ UЭБ UКБ Рис.4. Схема с ОБ с источником переменного сигнала При этом коллекторный ток приобретает переменную составляющую  КI , которая   может   изменяться   очень   сильно   при   изменении   ЭБU   на   малую величину,  за  счет  эффективного   управления, как   было  сказано  выше. При протекании переменного тока через нагрузочный резистор на нем выделяется переменное   напряжение   KRU = КI ∙ КR   Это   напряжение   при   достаточно большом   сопротивлении   КR   может   значительно   превосходить   величину входного   переменного   напряжения   ЭБU ( KRU >> ЭБU ).   Таким   образом, транзистор, включенный по схеме с ОБ, усиливает электрические сигналы по напряжению. Что касается усиления по току, то рассмотренная схема его не обеспечивает, поскольку входной и выходной токи примерно равны друг другу.  В активном режиме запертый коллекторный переход значительно шире   Некоторая   доля   электронов, открытого   эмиттерного   перехода. инжектированных   из   эмиттера,   не   доходят   до   коллекторного   перехода,   а рекомбинируют с дырками в базе. Для восполнения потери дырок, из­за их рекомбинации, дырки из внешней цепи поступают в базу. Эти потоки создают во   внешних   цепях   эмиттера   и   базы   дополнительные   составляющие   токов. Также  дополнительный   ток  создает   неосновные   носители   заряда, образующие   тепловой   ток   обратносмещенного   коллекторного   перехода (поток   электронов,   движущихся   из   базы   в   коллектор,   и   поток   дырок, движущихся из коллектора в базу). Каждый из рассмотренных составляющих 6 дополнительных токов вносит свой вклад в токи, протекающие во внешних цепях   эмиттера,   коллектора   и   базы.   При   этом   только  сквозной   ток электронов является единственным полезным в транзисторе, поскольку определяет   возможность   усиления   электрических   сигналов.   Все   остальные токи в усилении сигнала не участвуют, и поэтому являются побочными. Для   того   чтобы   транзистор   имел   высокие   усилительные   свойства, необходимо, чтобы побочные токи были как можно слабее по сравнению с полезным   сквозным   током.   С   учетом   того,   что   база   транзистора   делается очень узкой и слабо легируется, потери электронов на рекомбинацию в базе очень невелики, и  БI << ЭI , а  ЭI  ≈  КI . Полные токи транзистора могут быть представлены в виде:  I I I Э К Б   I КЭ  I ЭД ; ;   I КЭ  I КД  I ЭД I КД ,                                 (1) где   КДI   и   ЭДI   побочные (дополнительные) дырочные токи переходов и токи, обусловленные   рекомбинацией  в  базе.  Эти  токи  замыкаются   каждый через свой переход и не могут передаваться из эмиттера в коллектор. Наличие этих   токов   приводит   только   к   потерям   энергии.   обусловленный переносом электронов из эмиттера в коллектор. КЭI  –   полезный   ток, Коэффициенты передачи токов  Количественно эффективность передачи эмиттерного тока из эмиттера в коллектор   оценивают   с   помощью  статического   коэффициента   передачи тока эмиттера  : α I I К Э                                             (2) при   КПU =0. Смысл условия   дополнительный ток коллекторного перехода   КДI КПU   =0 заключается в том, что при этом  близко к =0. Значение    α единице. Статический коэффициент передачи тока базы β 7 (3)  1   α α β α α ) =99, а при   =0,98 ­  =49. Если  =0,99, то  = /(1­ Статические характеристики биполярного транзистора Любой   четырехполюсник   характеризуется   четырьмя   величинами: ВХU , входным и выходным напряжениями и входным и выходным токами ( β I ,   ВЫХ ВЫХU ,   ВХI называются ). Функциональные зависимости между этими величинами  статическими   характеристиками.  Чтобы   установить функциональные связи между этими величинами, необходимо две из них взять в   качестве   независимых   переменных,   а   две   оставшиеся   выразить   в   виде функций этих независимых переменных. На практике удобнее использовать функции   одной   переменой.   Для   перехода   к   таким   функциям   необходимо вторую   переменную,   называемую   в   этом   случае  параметром характеристики, поддерживать постоянной.  Применительно к транзисторам получаются четыре типа характеристик: 1. U 2. U 3. ВХ ВХ 1 f 2 ; I ВХ const  при  U вых  входная характеристика:    характеристика обратной передачи (связи) по напряжению:  Uf характеристика (прямой) передачи тока, называемая также  I вх   при  const ВЫХ  ; управляющей или передаточной характеристикой: I ВЫХ 4. I ВЫХ 3 f I ВХ const  при  U вых   выходная характеристика:  Uf const I вх   при  ВЫХ  ; . 4 Статические   характеристики   транзистора   могут   задаваться соответствующими аналитическим выражениями, а могут быть представлены графически.   Несколько   характеристик   одного   типа,   полученные   при различных   значениях   параметра,   образуют  семейство   характеристик. Семейства   входных   и   выходных   характеристик   транзистора   считаются 8 основными   и   приводятся   в   справочниках.   Конкретный   вид   статических характеристик   зависит   от   схемы   включения   транзистора.   Рассмотрим статические   характеристики   транзистора   в   наиболее   распространенных схемах ОБ и ОЭ. Статические характеристики в схеме с ОБ В схеме с ОБ входным током является ток эмиттера   ЭI , а выходным ­ ток   коллектора   КI ,   соответственно,   входным   напряжением   является напряжение  ЭБU , а выходным ­ напряжение  КБU . Входная характеристика в схеме ОБ представляет собой зависимость U ЭБ 1 f  Э I  при  U КБ  const . Однако, реально в справочниках приводится обратная зависимость I Э 1  U ЭБ  при  U КБ  const . Выходная характеристика транзистора в схеме ОБ представляет  собой зависимость  Uf 2 КБ I К  при  U ЭБ  const . Статические характеристики в схеме ОЭ В схеме с общим эмиттером (рис. 2,б) входным током является ток базы БI , а выходным ­ ток коллектора  КI , соответственно, входным напряжением  является напряжение  БЭU , а выходным ­ напряжение  КЭU . Входная характеристика в схеме ОЭ представляет собой зависимость U БЭ 1 f  I Б  при  U КЭ  const . Однако, реально в справочниках приводится обратная зависимость I Б 1  U БЭ  при  U КЭ  const . Выходная характеристика в схеме ОЭ представляет собой зависимость  Uf 2 КЭ I К  при  I Б  const . 9 IК Режим  насыщения Активный  режим  80мкА 70мкА 60мкА 50мкА 40мкА 30мкА 20мкА 10мкА IБ=0 IБ UКЭ=0 Режим  насыщения Режим  отсечки Активный  режим  UКЭ=10 B UКЭ=5 B IКЭ0 UКЭ Uпор UБЭ Рис.5. Входные и выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ. Особенностью выходной характеристики транзистора в схеме с ОЭ по сравнению с характеристикой в схеме с ОБ, является то, что она целиком лежит   в  первом   квадранте  (рис  5).  Это   связано   с  тем,  что   в   схеме   с  ОЭ напряжение   БЭU   напряжение   на   коллекторном   переходе   меняет   знак   и   становится КЭU   распределяется между обоими переходами, и при   КЭU < КЭU >0. прямым, в результате транзистор переходит в режим насыщения при  В режиме насыщения характеристики сливаются в одну линию, то есть ток коллектора   не   зависит   от   тока   базы.   Так   же,   как   и   в   схеме   с   ОБ,   в идеализированной модели характеристика в активном режиме не зависит от КЭU . Реально имеет место заметный рост тока  КI  с ростом  напряжения  связанный с эффектом Эрли. КЭU , h параметры транзистора В режиме усиления малых сигналов транзистор, включенный по схеме с ОЭ, эквивалентно представляют в виде линейного четырехполюсника (рис.6), входные и выходные параметры которого связаны следующими уравнениями:  U БЭ  h 11 I Б Э h 12 Э  U КЭ ,  h 21 I I K Э Б h 22 Э  U . КЭ 10 Рис.6. Эквивалентная схема биполярного транзистора Физический смысл h параметров состоит в следующем: Эh11 ­ входное сопротивление в режиме короткого замыкания на выходе.  Эh12 ­ коэффициент внутренней обратной связи в режиме холостого хода на входе. Эh21 ­ коэффициент передачи тока в режиме короткого замыкания на выходе. Эh22 ­ выходная проводимость транзистора в режиме холостого хода на входе.  Рассчитывают h параметры для схемы с ОЭ по формулам: h 11 Э  U /  I Б БЭ h 12 Э  U /  U КЭ БЭ h 21 Э  I K /  I Б h 22 Э  I K /  U КЭ при   при  при  при  U КЭ  I Б  U КЭ  I Б  const const   (4)         (5) const const      (6)        (7) Для определения   Эh11 проводят через рабочую точку  А, касательную к входной характеристике и строят треугольник ВCД (рис.7а). Рабочая точка транзистора   в   схеме   с   ОЭ   на   входных   и   выходных   характеристиках выбирается   посередине   прямолинейного   участка   на   активной   области   и характеризуются следующими параметрами:  UI Брт , , БЭрт UI , Kрр КЭрт . Тогда, согласно формуле (4)  h 11 Э  ВД / СД  U /  I Б БЭ Для определения   Эh12   выбирают две входные характеристики, снятые при   двух   значениях   напряжений   между   коллектором   и   эмиттером   КЭU (рис.3б),   и   проводят   через   точку  А  линию   I Б  const ,   соответствующую холостому ходу на входе транзистора. Затем точки пересечения этой линии с , характеристиками проецируют на ось   БЭU , определяют    U U КЭ 2  U 1 КЭ КЭ  находят  БЭU  и рассчитывают  Эh12  по формуле (5). 11 Для определения  Эh21  семейство выходных характеристик вблизи точки А  пересекают   линией   U КЭ  const (рис.3в),   что   соответствует   короткому замыканию на выходе транзистора. Затем по формуле (6) рассчитывают  определив графически  БI  как разность  KI .  и   I I 1 Б Б 2 Эh21 , Рис.7.  Для   определения   Эh22   характеристику, снятую при  вызванное приращением напряжения  ртI . Находят приращение тока коллектора  выбирают   из   семейства   выходную KI ,  на нем при постоянном токе базы КЭU (рис.7, г) и по формуле (7) рассчитывают  Эh22 . ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Задание Снять   экспериментально   и   построить   графики   четырех   семейств характеристик биполярного транзистора n­р­n типа. Порядок выполнения экспериментов 12 1.  Соберите   цепь   согласно   схеме   (рис.   8,   9).   Потенциометр   1   кОм используется для регулирования тока базы, резисторы 100 и 47 кОм ­ для ограничения   максимального   тока   базы.   Регулирование   напряжения  UКЭ осуществляется   регулятором   источника   постоянного   напряжения.   Для предотвращения   подачи   обратного   напряжения   на   транзистор   в   цепь коллектора   включён   диод.   Переход   эмиттер   база   также   защищен шунтирующим   диодом.   Измерение   тока   базы   БI   И  напряжения  UБЭ производятся   мультиметрами   на  пределах  200  А   и   2  В  соответственно, Пределы измерения тока коллектора IК и напряжения Uкэ изменяются в ходе  При   сборке   схемы   предусмотрите работы   по   мере   необходимости. перемычки для переключения амперметра из одной ветви в другую. 2.  Установите   первое   значение   тока   базы   20  А,  переключите миллиамперметр   в   цепь  коллектора   и,   изменяя   напряжение  UКЭ  согласно значениям,  указанным   в   табл.   1,  снимите   зависимости  IКЭ(UКЭ)   и  UБЭ(UКЭ). Повторите эти измерения при каждом значении IБ указанном в таблице. Примечание характеристики транзистора изменяются в ходе работы   Поэтому   для   большей   определенности из­за   его   нагрева. рекомендуется установить нужные значения IБЭ и UКЭ, выключить на 30   с   блок   генераторов   напряжений,   затем   включить   его   и   быстро записать показания приборов VI и А2. Рис. 8 13 Рис. 9 UКЭ, В IБ=20 А IБ=40 А IБ=60 А IБ=80 А IК,мА UБЭ,В  IК,мА UБЭ,В  IК,мА UБЭ,В  IК,мА UБЭ,В  Таблица 1. 0 0,5 1 2 5 14 10 12,2 3.  На   рис.   10   постройте   графики   семейства   выходных   характеристик IК(UКЭ) и семейство характеристик обратной связи UБЭ(UКЭ), не забыв указать какому току базы соответствует каждая кривая. 4. Установите UКЭ=0 и изменяя ток базы в соответствии со значениями, указанными в табл. 2, снимите зависимость UБЭ(IБ), Увеличьте напряжение UКЭ до 5 В и снова снимите зависимость UБЭ(IБ), а также и IК(IБ). Повторите этот опыт также при UК=15 В. (При проведении этих измерений также учитывайте примечание к предыдущему опыту). 5. На рис. 10 постройте графики входных IБ(UБЭ)  И регулировочных IК(IБ) характеристик, указав для каждой кривой соответствующие значения UКЭ UКЭ= 0В UКЭ= 5В UКЭ= 12В UБЭ,В IК,мА UБЭ,В IК,мА UБЭ,В IК,мА Таблица 2 IБ, А 0 5 10 20 50 80 15 Рис. 10 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1 Какова   структура   биполярного   транзистора,   размеры   областей эмиттера, коллектора базы и концентрации носителей в них? 2 Объясните принцип работы биполярного транзистора. 3 Какой   ток  в  биполярном  транзисторе   является   полезным,  а  какие токи ­ побочными? 4 Что понимается под входной и выходной характеристиками в схеме с ОЭ? 16 5 Перечислите режимы работы биполярного транзистора и в чем их различие? 6 Каков физический смысл   h  ­ параметров и при каких условиях их определяют? 7 Почему  Эh21  значительно больше 1? 8 Какие параметры транзистора, включенного с ОЭ, характеризуют его рабочую точку? 9 Почему входное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ больше чем в схеме с ОБ? 10 Почему   схема   включения   транзистора   с   ОЭ   наиболее распространена? 17