Исследование полупроводниковых приборов
реклама
Òîìñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò ñèñòåì óïðàâëåíèÿ è ðàäèîýëåêòðîíèêè Êàôåäðà ýëåêòðîííûõ ñðåäñòâ àâòîìàòèçàöèè è óïðàâëåíèÿ À. È. Ï Î Ï Î Â, Â. Ô. Ñ È Â Å Ð Ö Å Â, À. À. Ø È Á À Å Â Èññëåäîâàíèå ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ Ðóêîâîäñòâî ê ëàáîðàòîðíîé ðàáîòå 12 ïî êóðñó ¾Îáùàÿ ýëåêòðîòåõíèêà è ýëåêòðîíèêà¿ Òîìñê 2010 1. Öåëü ðàáîòû Ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå âîëüò-àìïåðíûõ õàðàêòåðèñòèê (ÂÀÕ) è ðàñ÷¼ò îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ ãåðìàíèåâîãî è êðåìíèåâîãî äèîäîâ, áèïîëÿðíîãî è ïîëåâîãî òðàíçèñòîðîâ. 2. Êðàòêèå ñâåäåíèÿ èç òåîðèè 2.1. Ïîëóïðîâîäíèêîâûå äèîäû Ïîëóïðîâîäíèêîâûì äèîäîì íàçûâàþò ïîëóïðîâîäíèêîâûé ïðèáîð ñ îäíèì âûïðÿìëÿþùèì ýëåêòðè÷åñêèì p -n ïåðåõîäîì è äâóìÿ âûâîäàìè, â êîòîðîì èñïîëüçóåòñÿ òî èëè èíîå ñâîéñòâî ýòîãî ïåðåõîäà. Ñòðóêòóðà äèîäà è åãî ðàáîòà ïðè ðàçëè÷íîì ïðèëîæåíèè âíåøíåãî íàïðÿæåíèÿ ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 2.1.  îòñóòñòâèå íàïðÿæåíèÿ íà p -n ïåðåõîäå (U = 0) èìååò ìåñòî áîëüöìàíîâñêîå ðàâíîâåñèå: äèôôóçèîííûå è äðåéôîâûå ïîòîêè íîñèòåëåé óðàâíîâåøåíû è ðåçóëüòèðóþùåãî òîêà íåò (I = 0). Âîîáðàçèì, ÷òî âíåøíåå íàïðÿæåíèå ïðèëîæåíî òàê, ÷òî ñîçäàâàåìàÿ èì íàïðÿæ¼ííîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ E ñîâïàäàåò ïî íàïðàâëåíèþ ñ äèôôóçèîííîé íàïðÿæ¼ííîñòüþ ïîëÿ Eäèô . Ñóììàðíàÿ íàïðÿæ¼ííîñòü ïîëÿ â p -n ïåðåõîäå óâåëè÷èâàåòñÿ. Ïåðåõîä ðàñøèðÿåòñÿ. Íåîñíîâíûå íîñèòåëè çàðÿäà âòÿãèâàþòñÿ ýëåêòðè÷åñêèì ïîëåì â p -n ïåðåõîä è ïðîõîäÿò ÷åðåç íåãî â ñîñåäíþþ îáëàñòü ïðîèñõîäèò ýêñòðàêöèÿ. Ïðè ýòîì ÷åðåç p -n ïåðåõîä áóäåò ïðîòåêàòü îáðàòíûé òîê Iîáð . Îáðàòíûé òîê âûçûâàåòñÿ íåîñíîâíûìè íîñèòåëÿìè îäíîé èç îáëàñòåé, êîòîðûå, äðåéôóÿ â ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå îáëàñòè îáú¼ìíîãî çàðÿäà, ïîïàäàþò â îáëàñòü, ãäå îíè óæå ÿâëÿþòñÿ îñíîâíûìè íîñèòåëÿìè. Òàê êàê êîíöåíòðàöèÿ îñíîâíûõ íîñèòåëåé ñóùåñòâåííî ïðåâûøàåò êîíöåíòðàöèþ íåîñíîâíûõ, òî ïîÿâëåíèå íåçíà÷èòåëüíîãî äîïîëíèòåëüíîãî êîëè÷åñòâà îñíîâíûõ íîñèòåëåé ïðàêòè÷åñêè íå èçìåíèò ðàâíîâåñíîãî ñîñòîÿíèÿ ïîëóïðîâîäíèêà. Òàêèì îáðàçîì, îáðàòíûé òîê çàâèñèò òîëüêî îò êîëè÷å3 Ðèñ. 2.1. Ðåæèìû ðàáîòû âûïðÿìèòåëüíîãî äèîäà. 4 ñòâà íåîñíîâíûõ íîñèòåëåé, ïîÿâëÿþùèõñÿ íà ãðàíèöàõ îáëàñòè îáú¼ìíîãî çàðÿäà. Âíåøíåå ïðèëîæåííîå íàïðÿæåíèå îïðåäåëÿåò ñêîðîñòü ïåðåìåùåíèÿ ýòèõ íîñèòåëåé èç îäíîé îáëàñòè â äðóãóþ, íî íå ÷èñëî íîñèòåëåé, ïðîõîäÿùèõ ÷åðåç ïåðåõîä â åäèíèöó âðåìåíè. Ñëåäîâàòåëüíî, îáðàòíûé òîê ÷åðåç ïåðåõîä ÿâëÿåòñÿ òîêîì ïðîâîäèìîñòè è íå çàâèñèò îò âûñîòû ïîòåíöèàëüíîãî áàðüåðà, ò. å. îí îñòà¼òñÿ ïîñòîÿííûì ïðè èçìåíåíèè îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ íà ïåðåõîäå. Îòñþäà è ïîñòîÿíñòâî âîëüò-àìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè íà ó÷àñòêå îáðàòíûõ òîêîâ è íàïðÿæåíèé. Îáðàòíûé òîê íàçûâàþò òîêîì íàñûùåíèÿ è îáîçíà÷àþò Ií . Òèïîâîå çíà÷åíèå òîêà íàñûùåíèÿ Ií = 10−12 . . . 10−6 À. Åñëè âíåøíåå íàïðÿæåíèå ïðèëîæåíî òàê, ÷òî ñîçäàâàåìàÿ èì íàïðÿæ¼ííîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ E ïðîòèâîïîëîæíà ïî íàïðàâëåíèþ äèôôóçèîííîé íàïðÿæ¼ííîñòè Eäèô , òî ïðîèñõîäèò óìåíüøåíèå ñóììàðíîé íàïðÿæ¼ííîñòè ïîëÿ â p -n ïåðåõîäå. Ïåðåõîä ñóæàåòñÿ. ×àñòü îñíîâíûõ íîñèòåëåé, èìåþùèõ íàèáîëüøåå çíà÷åíèå ýíåðãèè, ïðîõîäèò ÷åðåç p -n ïåðåõîä. Ýòî ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ ñðàâíèòåëüíî áîëüøîãî ïðÿìîãî òîêà Iïð ÷åðåç p -n ïåðåõîä. Íàïðÿæåíèå ðàññìîòðåííîé ïîëÿðíîñòè íàçûâàþò ïðÿìûì íàïðÿæåíèåì Uïð è ñ÷èòàþò ïîëîæèòåëüíûì. Ïðåîäîëåâøèå ïåðåõîä íîñèòåëè çàðÿäà îêàçûâàþòñÿ â ñîñåäíåé îáëàñòè íåîñíîâíûìè. Òàêèì îáðàçîì, ÷åðåç p -n ïåðåõîä ïðîèñõîäèò èíæåêöèÿ íåîñíîâíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà â îáëàñòü, ïðèìûêàþùóþ ê p -n ïåðåõîäó. Íà õàðàêòåðèñòèêå ðèñ. 2.1 ìîãóò áûòü âûäåëåíû ÷åòûðå õàðàêòåðíûõ ó÷àñòêà. Íà ïåðâîì ó÷àñòêå îò òî÷êè A äî òî÷êè B âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà èìååò êðóòîé (ýêñïîíåíöèàëüíûé) íàêëîí è ìàëîå çíà÷åíèå äèôôåðåíöèàëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ dUïð /dIïð . Ýòî ó÷àñòîê íîðìàëüíîé ðàáîòû äèîäà â âûïðÿìèòåëüíîì ðåæèìå. Ïðÿìîé òîê Iïð îãðàíè÷èâàåòñÿ åãî ìàêñèìàëüíî äîïóñòèìûì çíà÷åíèåì Imax , ãàðàíòèðóþùèì òåïëîâîå ðàâíîâåñèå äèîäà, ïðè ïðåâûøåíèè êîòîðîãî äèîä ìîæåò ïåðåãðåòüñÿ è ðàçðóøèòüñÿ. Âòîðîé ó÷àñòîê îò òî÷êè B äî íà÷àëà êîîðäèíàò õàðàêòåðèçóåòñÿ ïåðåìåííîé êðóòèçíîé. Òîëüêî îäèí ýòîò ó÷àñòîê 5 äëÿ âûïðÿìèòåëüíîãî ðåæèìà íå èñïîëüçóþò, îäíàêî îí íàõîäèò ïðèìåíåíèå â ðàçëè÷íûõ ñõåìàõ óñòðîéñòâ àíàëîãîâîé ýëåêòðîíèêè. Òðåòèé ó÷àñòîê îò íà÷àëà êîîðäèíàò äî òî÷êè C îòëè÷àåòñÿ áîëüøèìè çíà÷åíèÿìè äèôôåðåíöèàëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ dUîáð /dIîáð è ìàëûìè îáðàòíûìè òîêàìè äèîäà Iîáð . Ýòî ðàáî÷èé ó÷àñòîê äèîäà, âêëþ÷åííîãî â çàïèðàþùåì íàïðàâëåíèè. Èòàê, äèôôåðåíöèàëüíûå ñîïðîòèâëåíèÿ ðàáî÷èõ ó÷àñòêîâ ïðÿìîé è îáðàòíîé âåòâåé ÂÀÕ ìîãóò ðàçëè÷àòüñÿ íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ. Ýòî ñâîéñòâî äèîäà ÿâëÿåòñÿ îïðåäåëÿþùèì è õàðàêòåðèçóåò åãî êàê ýëåìåíò ñ îäíîñòîðîííåé ïðîâîäèìîñòüþ (âåíòèëü). Ïðè ïðèëîæåíèè ê äèîäó ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ îí íå îêàçûâàåò ñóùåñòâåííîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ïðîòåêàíèþ ÷åðåç íåãî òîêà è îòêðûò; ïðè ïðèëîæåíèè îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ åãî ñîïðîòèâëåíèå ðåçêî âîçðàñòàåò è äèîä çàêðûò. ×åòâ¼ðòûé ó÷àñòîê çà òî÷êîé C õàðàêòåðèçóåòñÿ áûñòðûì óâåëè÷åíèåì îáðàòíîãî òîêà. Çíà÷åíèå Umax , îïðåäåëÿþùåå ýòó òî÷êó, îãðàíè÷èâàåò ìàêñèìàëüíî äîïóñòèìîå îáðàòíîå íàïðÿæåíèå íà äèîäå, íà÷èíàÿ ñ êîòîðîãî â í¼ì ðàçâèâàþòñÿ ïðîáîéíûå ÿâëåíèÿ, ñïîñîáíûå ïðè íåîãðàíè÷åííîì îáðàòíîì òîêå âûâåñòè äèîä èç ñòðîÿ. Ýòîò ó÷àñòîê íåðàáî÷èé. Âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà äèîäà ñ ó÷¼òîì äîïóùåíèé (íóëåâàÿ øèðèíà p -n ïåðåõîäà, îòñóòñòâèå îìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ áàçîâîé îáëàñòè ïåðåõîäà, îòñóòñòâèå ÿâëåíèé ïðîáîÿ è ïîâåðõíîñòíûõ ñîñòîÿíèé) äîñòàòî÷íî õîðîøî îïèñûâàåòñÿ óðàâíåíèåì ÝáåðñàÌîëëà U I = Ií exp −1 , γϕT ãäå I òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç äèîä; U íàïðÿæåíèå íà ïåðåõîäå; γ êîýôôèöèåíò ýìèññèè; ϕT òåìïåðàòóðíûé ïîòåíöèàë. Âåëè÷èíà ϕT äà¼òñÿ ôîðìóëîé ϕT = 6 kT , q Ðèñ. 2.2. Âîëüò-àìïåðíûå õàðàêòåðèñòèêè ãåðìàíèåâîãî è êðåìíèåâîãî äèîäîâ. ãäå k ïîñòîÿííàÿ Áîëüöìàíà (1,38 · 10−23 Äæ/K); T àáñîëþòíàÿ òåìïåðàòóðà ðàáîòû ïðèáîðà; q çàðÿä ýëåêòðîíà (1,6 · 10−19 Êë). Ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå ϕT ≈ 26 ìÂ. Êîýôôèöèåíò ýìèññèè γ çàâèñèò îò òåõíîëîãèè. Äëÿ ãåðìàíèåâîãî äèîäà γ ≈ 1, à äëÿ êðåìíèåâîãî γ ≈ 2. Íà ðèñ. 2.2 ïðåäñòàâëåíû âîëüò-àìïåðíûå õàðàêòåðèñòèêè ãåðìàíèåâîãî è êðåìíèåâîãî äèîäîâ. Ìàñøòàá ïî îñè îðäèíàò äëÿ îòðèöàòåëüíûõ çíà÷åíèé òîêîâ âî ìíîãî ðàç áîëüøå, ÷åì äëÿ ïîëîæèòåëüíûõ. Íåñìîòðÿ íà áîëåå êðóïíûé ìàñøòàá, îáðàòíûé òîê êðåìíèåâîãî äèîäà íà ãðàôèêå íå èçîáðàæ¼í, ò. ê. îáû÷íî îí íà äâà-òðè ïîðÿäêà ìåíüøå îáðàòíîãî òîêà ãåðìàíèåâîãî äèîäà. ÂÀÕ äèîäîâ ïðîõîäèò ÷åðåç íóëü, íî äîñòàòî÷íî çàìåòíûé òîê ïîÿâëÿåòñÿ ó ãåðìàíèåâîãî äèîäà ëèøü ïðè íàïðÿæåíèè 0,1 . . . 0,2 Â, à ó êðåìíèåâîãî ïðè 0,5 . . . 0,6 Â. Øèðèíà çàïðåù¼ííîé çîíû êðåìíèÿ ∆ESi áîëüøå øèðèíû çàïðåù¼ííîé çîíû ãåðìàíèÿ ∆EGe . Ïîýòîìó ïðÿìîé òîê êðåìíèåâîãî äèîäà ìåíüøå ïðÿìîãî òîêà ãåðìàíèåâîãî äèîäà ïðè îäèíàêîâûõ ïðÿìûõ íàïðÿæåíèÿõ.  îáëàñòè ïðîâîäèìîñòè ñîáëþäàåòñÿ óñëîâèå U γϕT , ïîýòîìó ïðè îïðåäåëåíèè ïðÿìîãî òîêà äèîäà ìîæíî ïîëü7 Ðèñ. 2.3. Îöåíêà ñòàòè÷åñêîãî (à ) è äèíàìè÷åñêîãî (á ) ñîïðîòèâëåíèé äèîäà. çîâàòüñÿ ïðèáëèæåíèåì I = Ií exp U γϕT . Ñòàòè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå äèîäà, ò. å. ñîïðîòèâëåíèå äèîäà â ðàáî÷åé òî÷êå A, îïðåäåëÿåòñÿ ïî âîëüò-àìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêå (ðèñ. 2.3, à ) êàê îòíîøåíèå RA = UA , IA ãäå UA ïîñòîÿííîå íàïðÿæåíèå, äåéñòâóþùåå ìåæäó âûâîäàìè äèîäà; IA ïîñòîÿííûé ïðÿìîé òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç äèîä. Âî ìíîãèõ ñëó÷àÿõ, íàïðèìåð ïðè ïîäâåäåíèè ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ ê äèîäó, ôóíêöèîíèðóþùåìó â îïðåäåë¼ííîé ðàáî÷åé òî÷êå, âàæíî îïðåäåëèòü ñîïðîòèâëåíèå äèîäà, óêàçûâàþùåå õîä õàðàêòåðèñòèêè âáëèçè ýòîé òî÷êè.  ñâÿçè ñ ýòèì ââîäèòñÿ ïîíÿòèå äèíàìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ, îïðåäåëÿåìîãî íàêëîíîì êàñàòåëüíîé ê õàðàêòåðèñòèêå äèîäà â ðàáî÷åé òî÷êå. Íàêëîí îïðåäåëÿåòñÿ êàê îòíîøåíèå ìàëîãî 8 ïðèðàùåíèÿ íàïðÿæåíèÿ ê âûçâàííîìó ýòèì ïðèðàùåíèåì ïðèðîñòó òîêà (ðèñ. 2.3, á ): Räèí = ∆U . ∆I 2.2. Òðàíçèñòîðû Òðàíçèñòîð (îò àíãë. transfer-resistor ïåðåíîñ ñîïðîòèâëåíèÿ) òð¼õýëåêòðîäíûé ïîëóïðîâîäíèêîâûé ïðèáîð, ñïîñîáíûé ïîä äåéñòâèåì ïðèëîæåííîãî òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ èçìåíÿòü ñâî¼ âíóòðåííåå ñîïðîòèâëåíèå. Íåçàâèñèìî îò òèïà òðàíçèñòîðà îñíîâó åãî ñòðóêòóðû ñîñòàâëÿåò ìîíîêðèñòàëëè÷åñêàÿ ïëàñòèíêà, èçãîòîâëåííàÿ èç äâóõ èëè áîëåå ñëî¼â ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ìàòåðèàëà ñ ðàçëè÷íûìè òèïàìè ïðèâîäèìîñòè. Ïî ñïîñîáó ôîðìèðîâàíèÿ â ìàòåðèàëå ïðîâîäÿùåãî êàíàëà è îðãàíèçàöèè ïåðåìåùåíèÿ ïî íåìó íîñèòåëåé ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà òðàíçèñòîðû ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà áèïîëÿðíûå è ïîëåâûå. Áèïîëÿðíûé òðàíçèñòîð ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïîëóïðîâîäíèêîâûé ïðèáîð ñ òðåìÿ âûâîäàìè, èìåþùèé äâà âçàèìîäåéñòâóþùèõ ýëåêòðîííî-äûðî÷íûõ ïåðåõîäà, êîòîðûå îáðàçîâàíû ìåæäó òðåìÿ îáëàñòÿìè ñ ÷åðåäóþùèìèñÿ òèïàìè ïðîâîäèìîñòè. Äâà âíåøíèõ ñëîÿ ìîíîêðèñòàëëè÷åñêîé ïëàñòèíêè áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà (ýìèòòåð è êîëëåêòîð) èìåþò îäèí òèï ïðîâîäèìîñòè, âíóòðåííèé ñëîé (áàçà) äðóãîé; ýòî è îïðåäåëèëî äâà ñóùåñòâóþùèõ òèïà áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ: n -p -n è p -n -p.  àêòèâíîì ðåæèìå ðàáîòû áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà ïåðåõîä, ðàáîòàþùèé â ïðÿìîì íàïðàâëåíèè (ò. å. ïðè ïðèëîæåíèè ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ), íàçûâàåòñÿ ýìèòòåðíûì, à ñîîòâåòñòâóþùèé êðàéíèé ñëîé ýìèòòåðîì (Ý). Òàêîå íàèìåíîâàíèå îòðàæàåò ôàêò èíæåêöèè íåîñíîâíûõ íîñèòåëåé ÷åðåç ïåðåõîä. Ñðåäíèé ñëîé íàçûâàåòñÿ áàçîé (Á). Âòîðîé ïåðåõîä, íîðìàëüíî ñìåù¼ííûé â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè (ò. å. ïðè ïðèëîæåíèè îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ), íàçûâàåòñÿ êîëëåêòîðíûì, à ñîîòâåòñòâóþùèé êðàéíèé ñëîé êîëëåê9 Ðèñ. 2.4. Ê ïîÿñíåíèþ ïðèíöèïà ðàáîòû n -p -n òðàíçèñòîðà. òîðîì (Ê). Ýòî íàçâàíèå îòðàæàåò ôóíêöèþ ¾ñîáèðàíèÿ¿ èíæåêòèðîâàííûõ íîñèòåëåé, ïðîøåäøèõ ÷åðåç ñëîé áàçû. Ðàññìîòðèì ïðèíöèï äåéñòâèÿ òðàíçèñòîðà íà ïðèìåðå n -p -n ñòðóêòóðû (ðèñ. 2.4). Òðàíçèñòîð âêëþ÷åí ïî ñõåìå ñ îáùåé áàçîé, ò. å. áàçà ÿâëÿåòñÿ îñíîâíûì ýëåêòðîäîì, îáùèì äëÿ âõîäíîé è âûõîäíîé öåïåé òðàíçèñòîðà. Ìåæäó ýìèòòåðîì è áàçîé äåéñòâóåò ïðÿìîå íàïðÿæåíèå Uáý , äëÿ êîòîðîãî ýìèòòåðíûé ïåðåõîä îòêðûò è, ñëåäîâàòåëüíî, ïîä äåéñòâèåì êîòîðîãî ýëåêòðîíû n -îáëàñòè ýìèòòåðà óñòðåìëÿþòñÿ â áàçó, ñîçäàâàÿ òîê ýìèòòåðà Iý . Åñëè áû êîíöåíòðàöèÿ íîñèòåëåé çàðÿäà â ýìèòòåðå è áàçå áûëà îäèíàêîâîé, òî òîê ÷åðåç ýìèòòåðíûé ïåðåõîä ñîçäàâàëñÿ áû ïåðåìåùåíèåì îäèíàêîâîãî ÷èñëà ýëåêòðîíîâ èç ýìèòòåðà â áàçó è äûðîê èç áàçû â ýìèòòåð. Íî â òðàíçèñòîðàõ êîíöåíòðàöèÿ íîñèòåëåé â áàçå âî ìíîãî ðàç íèæå, ÷åì â ýìèòòåðå. Ïîýòîìó òîê Iý ñîçäà¼òñÿ â îñíîâíîì ýëåêòðîíàìè, èíæåêòèðîâàííûìè ýìèòòåðîì â áàçó. Ââåä¼ííûå â áàçó ýëåêòðîíû ïûòàþòñÿ ðåêîìáèíèðîâàòü ñ äûðêàìè áàçû, íî ò. ê. ïîñëåäíèõ ìåíüøå, à òîëùèíà áàçû î÷åíü ìàëà, ïîäàâëÿþùåå áîëüøèíñòâî ýëåêòðîíîâ óñïåâàåò ïðîéòè ÷åðåç áàçó è äîñòèãíóòü êîëëåêòîðíîãî p -n ïåðåõîäà. Íåáîëüøàÿ æå ÷àñòü ðåêîìáèíèðîâàâøèõ ýëåêòðîíîâ ñîçäà¼ò òîê áàçû Iá . Äîñòèãíóâ êîëëåêòîðíîãî ïåðåõîäà, ýëåêòðîíû íà÷èíàþò èñïûòûâàòü óñêîðÿþùåå äåéñòâèå ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ, ñîçäàâàåìîãî íàïðÿæåíèåì Uêá , ïðèëîæåííûì ìåæäó êîëëåêòîðîì è áàçîé òðàíçèñòîðà. Ýòè ýëåêòðîíû ñîçäàþò òîê êîë10 Ðèñ. 2.5. Âêëþ÷åíèå òðàíçèñòîðà ïî ñõåìå ñ îáùèì ýìèòòåðîì. ëåêòîðà Iê . Ó÷èòûâàÿ íåáîëüøîé ïðîöåíò ýëåêòðîíîâ, êîòîðûå ðåêîìáèíèðîâàëè ñ äûðêàìè â áàçå, ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî ãäå Iê = Iý − Iá = αIý ≈ Iý , α= ∆Iê ∆Iý Uêý =const åñòü êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è òîêà ýìèòòåðà (α = 0,97 . . . 0,997). Ïîñêîëüêó êîëëåêòîðíûé òîê Iê áëèçîê ïî âåëè÷èíå ê ýìèòòåðíîìó òîêó Iý , âåëè÷èíà êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è ïî òîêó α áëèçêà ê åäèíèöå. Äëÿ õîðîøî ñïðîåêòèðîâàííûõ òðàíçèñòîðîâ α ìîæåò èìåòü çíà÷åíèÿ 0,995 èëè áîëüøå. Ñóùåñòâóåò òðè âàðèàíòà ñõåì âêëþ÷åíèÿ áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ: ñ îáùåé áàçîé (ÎÁ), ñ îáùèì ýìèòòåðîì (ÎÝ) è ñ îáùèì êîëëåêòîðîì (ÎÊ). Ðàññìîòðèì íàèáîëåå âîñòðåáîâàííóþ ñõåìó ñ ÎÝ (ðèñ. 2.5). Âõîäíûì ñèãíàëîì â ýòîé ñõåìå ÿâëÿåòñÿ íàïðÿæåíèå ìåæäó áàçîé è ýìèòòåðîì Uáý , à âûõîäíûìè âåëè÷èíàìè êîëëåêòîðíûé òîê Iê è íàïðÿæåíèå Uâûõ = Iê Rê . Äîñòàòî÷íî ïîëíîå ïðåäñòàâëåíèå î ñâîéñòâàõ òðàíçèñòîðà ìîæíî ïîëó÷èòü èç ðàññìîòðåíèÿ åãî ñòàòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê (ðèñ. 2.6): âõîäíûå ÂÀÕ, ñåìåéñòâî âûõîäíûõ ÂÀÕ è ïåðåäàòî÷íàÿ ÂÀÕ. 11 12 Ðèñ. 2.6. Âõîäíûå (à ), âûõîäíûå (á ) è ïåðåäàòî÷íàÿ (â ) õàðàêòåðèñòèêè ñõåìû ñ îáùèì ýìèòòåðîì. Âõîäíàÿ õàðàêòåðèñòèêà äëÿ ñõåìû ñ ÎÝ (ðèñ. 2.6, à ) ýòî çàâèñèìîñòü âõîäíîãî òîêà îò íàïðÿæåíèÿ íà âõîäå ñõåìû, ò. å. Iá = f (Uáý ) ïðè ôèêñèðîâàííîì çíà÷åíèè íàïðÿæåíèÿ êîëëåêòîð-ýìèòòåð (Uêý = const). Ïî ñóùåñòâó îíà ïîâòîðÿåò âèä õàðàêòåðèñòèêè äèîäà ïðè ïîäà÷å ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ. Ïðè áîëüøåì ôèêñèðîâàííîì íàïðÿæåíèè Uêý âõîäíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ñìåùàåòñÿ âïðàâî, çíà÷åíèÿ òîêà áàçû Iá ñòàíîâÿòñÿ ìåíüøèìè ïðè òåõ æå çíà÷åíèÿõ íàïðÿæåíèÿ Uáý . Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî â áàçå óìåíüøàåòñÿ âåðîÿòíîñòü ðåêîìáèíàöèè íîñèòåëåé, èíæåêòèðóåìûõ ýìèòòåðîì, ò. ê. îíè áûñòðåå âòÿãèâàþòñÿ íàïðÿæåíèåì Uêý â êîëëåêòîð. Âûõîäíûå õàðàêòåðèñòèêè (ðèñ. 2.6, á ) ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé çàâèñèìîñòè âûõîäíîãî òîêà, ò. å. òîêà êîëëåêòîðà, îò ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì òðàíçèñòîðà Iê = f (Uêý ) ïðè òîêå áàçû Iá = const. Ïðè áîëüøåì ôèêñèðîâàííîì òîêå áàçû êîëëåêòîðíûé òîê ïðèíèìàåò áîëüøèå çíà÷åíèÿ ïðè òåõ æå çíà÷åíèÿõ íàïðÿæåíèÿ Uêý . Ïðè ðàáîòå òðàíçèñòîðà ñ íàãðóçêîé èçìåíÿåòñÿ åãî ðåæèì. Äåéñòâèòåëüíî, ÷åì áîëüøå òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç òðàíçèñòîð, òåì áîëüøå ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà íàãðóçêå, à ñëåäîâàòåëüíî, òåì ìåíüøåå íàïðÿæåíèå áóäåò ïàäàòü íà ñàìîì òðàíçèñòîðå. Õàðàêòåðèñòèêè, ïîêàçàííûå íà ðèñ. 2.6, à è á, îïèñûâàþò ëèøü ñòàòè÷åñêèé ðåæèì ðàáîòû ñõåìû. Äëÿ îöåíêè äèíàìèêè è âëèÿíèÿ íàãðóçêè íà ðàáîòó ñõåìû èñïîëüçóþò ãðàôîàíàëèòè÷åñêèé ìåòîä ðàñ÷¼òà íà îñíîâå âõîäíûõ è âûõîäíûõ õàðàêòåðèñòèê. Ïðîâåä¼ì ïðÿìóþ ÷åðåç òî÷êó Eê , îòëîæåííóþ íà îñè àáñöèññ, è òî÷êó Eê /Rê , îòëîæåííóþ íà îñè îðäèíàò âûõîäíûõ õàðàêòåðèñòèê òðàíçèñòîðà. Ïîëó÷åííàÿ ïðÿìàÿ íàçûâàåòñÿ íàãðóçî÷íîé. Òî÷êà Eê /Rê ýòîé ïðÿìîé ñîîòâåòñòâóåò òàêîìó òîêó, êîòîðûé ìîã áû òå÷ü ÷åðåç íàãðóçêó, åñëè òðàíçèñòîð çàìêíóòü íàêîðîòêî. Òî÷êà Eê ñîîòâåòñòâóåò äðóãîìó êðàéíåìó ñëó÷àþ öåïü ðàçîìêíóòà, òîê ÷åðåç íàãðóçêó ðàâåí íóëþ, à íàïðÿæåíèå Uêý ðàâíî Eê . Åñëè Iá = 0 è Iê = IêC ≈ 0, òî ðàáî÷àÿ òî÷êà íà íàãðóçî÷íîé ïðÿìîé çàíèìàåò ïîëîæåíèå C .  ýòîì ñëó÷àå íàïðÿ13 æåíèå íà âûõîäå Uêý = UêýC ≈ Eê . Òðàíçèñòîð íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè îòñå÷êè. Ïðè íåêîòîðîì çíà÷åíèè òîêà áàçû, ðàâíîì òîêó áàçû íàñûùåíèÿ òðàíçèñòîðà, ò. å. Iá = IáA , ðàáî÷àÿ òî÷êà íà íàãðóçî÷íîé ïðÿìîé çàíèìàåò ïîëîæåíèå A. Òðàíçèñòîð íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè íàñûùåíèÿ. Ïðè ýòîì êîëëåêòîðíûé òîê íàñûùåííîãî òðàíçèñòîðà IêA ≈ Eê /Rê , à íàïðÿæåíèå ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì UêýA ≈ 0. Óâåëè÷åíèå ïðÿìîãî òîêà áàçû (Iá > IáA ) íå âëå÷¼ò çà ñîáîé äàëüíåéøåå èçìåíåíèå ïîëîæåíèÿ ðàáî÷åé òî÷êè A. Åñëè ïðÿìîé òîê áàçû ìåíüøå IáA , íî áîëüøå Iá = 0, òî ðàáî÷àÿ òî÷êà çàíèìàåò íà íàãðóçî÷íîé ïðÿìîé ïðîìåæóòî÷íîå ïîëîæåíèå.  ÷àñòíîñòè, åñëè Iá = IáB , òî ðàáî÷àÿ òî÷êà îêàæåòñÿ â òî÷êå B . Òðàíçèñòîð íàõîäèòñÿ â àêòèâíîì ñîñòîÿíèè. Çäåñü Iê = IêB è íàïðÿæåíèå ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì Uêý = UêýB = Eê − IêB Rê . Èç âûõîäíûõ õàðàêòåðèñòèê ñ ïîñòðîåííîé íàãðóçî÷íîé ïðÿìîé è ïîñëåäíåãî âûðàæåíèÿ âèäíî, ÷òî ïðè óâåëè÷åíèè òîêà áàçû Iá óâåëè÷èâàåòñÿ òîê êîëëåêòîðà Iê è óìåíüøàåòñÿ íàïðÿæåíèå ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì Uêý . Òàêèì îáðàçîì, íàãðóçî÷íàÿ ïðÿìàÿ èçîáðàæàåò çàâèñèìîñòü ìåæäó òîêîì êîëëåêòîðà Iê è íàïðÿæåíèåì Uêý ïðè èçìåíåíèè òîêà áàçû Iá ïîä âîçäåéñòâèåì íàïðÿæåíèÿ Uáý . Èíûìè ñëîâàìè, íàãðóçî÷íàÿ ïðÿìàÿ ñîîòâåòñòâóåò âûðàæåíèþ Uêý = Eê − Iê (Iá )Rê . Ïåðåäàòî÷íîé (ñêâîçíîé) õàðàêòåðèñòèêîé òðàíçèñòîðà (ðèñ. 2.6, â ) íàçûâàþò çàâèñèìîñòü âûõîäíîãî òîêà îò âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, ò. å. Iê = f (Uáý ) ïðè ôèêñèðîâàííîì çíà÷åíèè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ (Uêý = const). Ïðè íàïðÿæåíèè Uáý = UáýC (íàïðÿæåíèå îòñå÷êè) òîê áàçû Iá = 0 è òîê êîëëåêòîðà Iê = IêC . Ñ óâåëè÷åíèåì íàïðÿæåíèÿ ìåæäó áàçîé è ýìèòòåðîì ðàñòóò òîêè áàçû è êîëëåêòîðà. Êàê òîëüêî Uáý äîñòèãíåò çíà÷åíèÿ UáýA (íàïðÿæåíèå íàñûùåíèÿ), òîê áàçû Iá = IáA è òîê êîëëåêòîðà Iê = IêA . Ìåæäó áàçîâûì 14 Ðèñ. 2.7. Òðàíçèñòîð êàê ÷åòûð¼õïîëþñíèê. è êîëëåêòîðíûì òîêàìè íàñûùåíèÿ ñóùåñòâóåò çàâèñèìîñòü IáA = Eê IêA ≈ , β βRê ãäå β êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è òîêà áàçû â ðåæèìå áîëüøîãî ñèãíàëà. Ïðè äàëüíåéøåì óâåëè÷åíèè íàïðÿæåíèÿ Uáý òîê áàçû Iá ðàñò¼ò, à òîê êîëëåêòîðà Iê îñòà¼òñÿ íåèçìåííûì è ðàâíûì IêA . Ïðè èññëåäîâàíèè è ðàñ÷¼òå ýëåêòðè÷åñêèõ ñõåì óäîáíî ðàññìàòðèâàòü òðàíçèñòîð êàê ÷åòûð¼õïîëþñíèê, èçîáðàæ¼ííûé íà ðèñ. 2.7. Çäåñü âåëè÷èíû Uáý , Iá , Iê è Uêý îçíà÷àþò ìàëûå àìïëèòóäû ãàðìîíè÷åñêèõ ñîñòàâëÿþùèõ ñîîòâåòñòâóþùèõ íàïðÿæåíèé è òîêîâ. Äëÿ ïðèíÿòûõ íàïðàâëåíèé îòñ÷¼òîâ òîêîâ è íàïðÿæåíèé ñïðàâåäëèâà ñëåäóþùàÿ ñèñòåìà óðàâíåíèé ïåðåäà÷è â h -ïàðàìåòðàõ∗ : Uáý = h11 Iá + h12 Uêý , ) Iê = h21 Iá + h22 Uêý , ãäå äèíàìè÷åñêèå h -ïàðàìåòðû òðàíçèñòîðà èìåþò ñëåäóþùèé ñìûñë: h11 = dUáý dIá Uêý =0 åñòü âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå òðàíçèñòîðà, èçìåðåííîå ïðè êîðîòêîì çàìûêàíèè âûõîäà äëÿ ñèãíàëà ïåðåìåííîãî òîêà; h12 ∗ dUáý = dUêý Iá =0 Ãèáðèäíûå ïàðàìåòðû îò ñëîâà hybrid. 15 Ðèñ. 2.8. Ê ðàñ÷¼òó îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ ñõåìû ñ îáùèì ýìèòòåðîì. åñòü êîýôôèöèåíò îáðàòíîé ïåðåäà÷è ïî íàïðÿæåíèþ, èçìåðåííûé ïðè ðàçîìêíóòîì âõîäå; h21 = dIê dIá Uêý =0 åñòü êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ïî òîêó, èçìåðåííûé ïðè ðàçîìêíóòîì äëÿ ïåðåìåííîãî òîêà âûõîäå; è, íàêîíåö, h22 = dIê dUêý Iá =0 åñòü âûõîäíàÿ ïðîâîäèìîñòü òðàíçèñòîðà, èçìåðåííàÿ ïðè ðàçîìêíóòîì äëÿ ïåðåìåííîãî òîêà âõîäå. Ïðèâåä¼ííûå h -ïàðàìåòðû øèðîêî óïîòðåáëÿþòñÿ ïðè àíàëèçå òðàíçèñòîðíûõ ñõåì. Èõ ìîæíî îïðåäåëèòü ýêñïåðèìåíòàëüíî, à òàêæå ãðàôè÷åñêè ïî âõîäíûì è âûõîäíûì âîëüò-àìïåðíûì õàðàêòåðèñòèêàì òðàíçèñòîðà. Ðàññìîòðèì äëÿ ïðèìåðà ïîðÿäîê ðàñ÷¼òà ïàðàìåòðîâ h22 è h21 ïî âûõîäíûì õàðàêòåðèñòèêàì äëÿ çàäàííîé ðàáî÷åé òî÷êè A (ðèñ. 2.8). Ïðè íåèçìåííîì òîêå áàçû Iá = IáA çàäàäèì ïðèðàùåíèå íàïðÿæåíèÿ ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì: 00 0 ∆UêýA = Uêý A − UêýA . 16 Íàõîäèì ñîîòâåòñòâóþùåå ïðèðàùåíèå êîëëåêòîðíîãî òîêà: ∆IêA = Iê00A − Iê0 A . Âûõîäíàÿ ïðîâîäèìîñòü òðàíçèñòîðà îïðåäåëÿåòñÿ êàê îòíîøåíèå ∆I êA . h22 = ∆UêýA Îòìåòèì, ÷òî âåëè÷èíà îáðàòíàÿ h22 ñóòü âûõîäíîå äèíàìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå òðàíçèñòîðà íà ðàññìàòðèâàåìîì ó÷àñòêå âûõîäíîé âîëüò-àìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè: Râûõ = ∆UêýA . ∆IêA Ñòàòè÷åñêèé êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è òîêà áàçû äëÿ òî÷êè åñòü îòíîøåíèå êîëëåêòîðíîãî è áàçîâîãî òîêîâ â äàííîé òî÷êå: 0 B I βñò = ê0 B . IáB Äèíàìè÷åñêèé êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è òîêà áàçû äëÿ òî÷êè B îïðåäåëÿåòñÿ êàê îòíîøåíèå ñîîòâåòñòâóþùèõ ïðèðàùåíèé êîëëåêòîðíîãî è áàçîâîãî òîêîâ: h21 = I 00 − Iê0 B ∆IêB = ê00B . ∆IáB IáB − Iá0 B Äëÿ çàäàííîãî ïîëîæåíèÿ ðàáî÷åé òî÷êè βñò è h21 áëèçêè ïî âåëè÷èíå. Ïîëåâîé (óíèïîëÿðíûé) òðàíçèñòîð ýòî òð¼õýëåêòðîäíûé ïîëóïðîâîäíèêîâûé ïðèáîð, â êàíàëå êîòîðîãî òîê ìåæäó ñòîêîì è èñòîêîì ñîçäà¼òñÿ âíåøíèì ïðîäîëüíûì íàïðÿæåíèåì, à óïðàâëåíèå ñå÷åíèåì êàíàëà (òîêîì â êàíàëå) îñóùåñòâëÿåòñÿ çà ñ÷¼ò ýôôåêòà ïîëÿ, ñîçäàâàåìîãî ïîïåðå÷íûì íàïðÿæåíèåì, ïðèëîæåííûì ê óïðàâëÿþùåìó ýëåêòðîäó çàòâîðó. Ðàññìîòðèì ïîëåâîé òðàíçèñòîð ñ p -n çàòâîðîì è êàíàëîì n -òèïà. Ñòðóêòóðà òàêîãî òðàíçèñòîðà ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ. 2.9. Òîêîïðîâîäÿùèé êàíàë íàõîäèòñÿ ìåæäó äâóìÿ îáëàñòÿìè ïðîòèâîïîëîæíîé ïðîâîäèìîñòè, â äàííîì ñëó÷àå 17 Ðèñ. 2.9. Óñòðîéñòâî ëÿþùèì p -n n -êàíàëüíîãî ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà ñ óïðàâ- ïåðåõîäîì. p -òèïà, ñ êîòîðûì îí îáðàçóåò äâà p -n ïåðåõîäà. Èñòîê (È), ñòîê (Ñ) è çàòâîð (Ç) âêëþ÷àþòñÿ â öåïü ñ ïîìîùüþ ìåòàëëè÷åñêèõ âûâîäîâ. Ìåæäó çàòâîðîì è èñòîêîì äåéñòâóåò îòðèöàòåëüíîå íàïðÿæåíèå Uçè . Ïðè ýòîì ïðîèñõîäèò îáåäíåíèå ýëåêòðîíàìè (îñíîâíûìè íîñèòåëÿìè) ó÷àñòêîâ êàíàëà, ïðèìûêàþùèõ ê çàòâîðó. Äðóãèìè ñëîâàìè, øèðèíà p -n ïåðåõîäîâ âîçðàñòàåò (çà ñ÷¼ò îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ Uçè ), à ñå÷åíèå êàíàëà ñóæàåòñÿ, óâåëè÷èâàÿ åãî ñîïðîòèâëåíèå. Ñòàíäàðòíûé íàáîð ÂÀÕ ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ îòëè÷àåòñÿ îò íàáîðà ÂÀÕ áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ ïðåæäå âñåãî ïîòîìó, ÷òî ó ïåðâûõ îòñóòñòâóþò âõîäíûå òîêè, à çíà÷èò, è âõîäíûå õàðàêòåðèñòèêè. Îáû÷íî äëÿ íèõ ïðèâîäÿòñÿ âûõîäíûå õàðàêòåðèñòèêè (ðèñ. 2.10, à ) çàâèñèìîñòè òîêà ñòîêà îò íàïðÿæåíèÿ ìåæäó ñòîêîì è èñòîêîì ïðè ðàçëè÷íûõ íàïðÿæåíèÿõ ìåæäó çàòâîðîì è èñòîêîì, ò. å. Iñ = = f (Uñè ), è ïåðåäàòî÷íàÿ õàðàêòåðèñòèêà (ðèñ. 2.10, á ) çàâèñèìîñòü òîêà ñòîêà îò íàïðÿæåíèÿ ìåæäó çàòâîðîì è èñòîêîì, ò. å. Iñ = f (Uçè ) ïðè ôèêñèðîâàííîì çíà÷åíèè íàïðÿæåíèÿ ìåæäó ñòîêîì è èñòîêîì (Uñè = const). Ðàññìîòðèì âûõîäíûå õàðàêòåðèñòèêè ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà (ðèñ. 2.10, à ). Ïóñòü íàïðÿæåíèå Uçè = 0. Ïðè ìà18 Ðèñ. 2.10. Âûõîäíûå (à ) è ïåðåäàòî÷íàÿ (á ) õàðàêòåðèñòèêè ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà ñ óïðàâëÿþùèì p -n ïåðåõîäîì. ëûõ çíà÷åíèÿõ íàïðÿæåíèÿ Uñè òîê ñòîêà Iñ ïðîïîðöèîíàëåí Uñè è îïðåäåëÿåòñÿ èñõîäíûì ñå÷åíèåì êàíàëà. Îòñþäà è õàðàêòåðíîå ëèíåéíîå íàðàñòàíèå Iñ îò ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ Uñè íà íà÷àëüíîì ó÷àñòêå ÂÀÕ. Ïîëîæèòåëüíûé ïîòåíöèàë ñòîêà ÿâëÿåòñÿ îáðàòíûì äëÿ p -n ïåðåõîäîâ. Ïîýòîìó óâåëè÷åíèå Uñè ïðèâîäèò ê ðàñøèðåíèþ ïåðåõîäîâ â îáëàñòè, ïðèìûêàþùåé ê ñòîêó.  ðåçóëüòàòå ýòîãî êàíàë ïðèíèìàåò ôîðìó ãîðëîâèíû ó ñòîêîâîãî êîíöà ñ ïîâûøåííûì ñîïðîòèâëåíèåì äëÿ Iñ .  èòîãå íàñòóïàåò ðåæèì, ïðè êîòîðîì äàëüíåéøåå óâåëè÷åíèå íàïðÿæåíèÿ Uñè êîìïåíñèðóåòñÿ äàëüíåéøèì ñóæåíèåì ¾ãîðëîâèíû¿ è òîê Iñ îñòà¼òñÿ ïî÷òè ïîñòîÿííûì. Ïðè îòðèöàòåëüíîì íàïðÿæåíèè ìåæäó çàòâîðîì è èñòîêîì ñå÷åíèå êàíàëà óìåíüøàåòñÿ, è ðåæèì íàñûùåíèÿ íàñòóïàåò ïðè ìåíüøèõ çíà÷åíèÿõ íàïðÿæåíèÿ Uñè . Ïîýòîìó âûõîäíûå õàðàêòåðèñòèêè ëåæàò íèæå. Òàê êàê íàïðÿæåíèå Uçè ÿâëÿåòñÿ îáðàòíûì äëÿ p -n ïåðåõîäîâ, òîê â öåïè çàòâîðà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îáðàòíûé òîê çàêðûòîãî p -n ïåðåõîäà. Ââèäó åãî ìàëîãî çíà÷åíèÿ ïîëåâîé òðàíçèñòîð ìîæíî ñ÷èòàòü ïðèáîðîì, êîòîðûé óïðàâëÿåòñÿ íàïðÿæåíèåì (ýëåêòðè÷åñêèì ïîëåì) íà åãî âõîäå, ò. å. 19 íå ïîòðåáëÿåò ìîùíîñòè. Ýòî ñâîéñòâî îïðåäåëÿåò âûñîêîå âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå âñåõ ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ, ÷åì îíè âûãîäíî îòëè÷àþòñÿ îò áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ. Ïåðåäàòî÷íàÿ ÂÀÕ ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà ñ óïðàâëÿþùèì p -n ïåðåõîäîì (ðèñ. 2.10, á ) ïðè íóëåâîì íàïðÿæåíèè íà çàòâîðå èìååò ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå òîêà Iñí , êîòîðîå íàçûâàåòñÿ íà÷àëüíûì. Ïðè óâåëè÷åíèè çàïèðàþùåãî íàïðÿæåíèÿ òîê ñòîêà óìåíüøàåòñÿ è ïðè íàïðÿæåíèè îòñå÷êè Uîòñ ñòàíîâèòñÿ áëèçêèì ê íóëþ. Ïåðåäàòî÷íàÿ õàðàêòåðèñòèêà íåëèíåéíà è îïèñûâàåòñÿ âûðàæåíèåì 2 Uçè Iñ = Iñí 1 − . Uîòñ Ýôôåêòèâíîñòü óïðàâëÿþùåãî äåéñòâèÿ çàòâîðà õàðàêòåðèçóåòñÿ êðóòèçíîé S , êîòîðàÿ ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà ïî âûõîäíûì õàðàêòåðèñòèêàì ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà: ∆Iñ0 ∆Iñ0 = . S= ∆Uçè Uñè =const Uçè2 − Uçè1 Âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå òðàíçèñòîðà (îïðåäåëÿåòñÿ â îáëàñòè íàñûùåíèÿ) Râûõ = ∆Uñè . ∆Ic00 Uçè =const Êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïî íàïðÿæåíèþ KU ïîêàçûâàåò, âî ñêîëüêî ðàç íàïðÿæåíèå Uçè ñèëüíåå âëèÿåò íà èçìåíåíèå òîêà â êàíàëå, ÷åì íàïðÿæåíèå Uñè : ∆Uñè KU = . ∆Uçè Iñ =const 3. Äîìàøíåå çàäàíèå Äîìàøíÿÿ ïîäãîòîâêà ê ëàáîðàòîðíîé ðàáîòå âêëþ÷àåò â ñåáÿ: 20 èçó÷åíèå ìàòåðèàëà ðàçäåëà 2 ñ èñïîëüçîâàíèåì ðåêîìåíäóåìîé ëèòåðàòóðû ðàçäåëà 7; îçíàêîìëåíèå ñ îïèñàíèåì ëàáîðàòîðíîãî ìàêåòà è ïðîãðàììîé èññëåäîâàíèé ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ; çàãîòîâêó îò÷¼òà ïî ëàáîðàòîðíîé ðàáîòå ñ íàèìåíîâàíèåì ïóíêòîâ èññëåäîâàíèé, óïðîùåííûõ ñõåì, òàáëèö, êîîðäèíàòíûõ ïëîñêîñòåé äëÿ âîëüò-àìïåðíûõ õàðàêòåðèñòèê è ïð. 4. Îïèñàíèå ëàáîðàòîðíîãî ìàêåòà Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ ïðîâîäÿòñÿ íà ïàíåëè, íå òðåáóþùåé èçìåðèòåëüíûõ ïðèáîðîâ (ðèñ. 4.1). Ïàíåëü ñîñòîèò èç ÷åòûð¼õ ñåêöèé. Ñåêöèÿ 1 ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ èññëåäîâàíèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ äèîäîâ. Íà íåé ðàñïîëîæåíû ãåðìàíèåâûé äèîä VD 1 (Ä7Ä) è êðåìíèåâûå äèîäû VD 2, VD 3 (ÊÄ105). Ê ãí¼çäàì 20, 23 ïîäêëþ÷åí øóíò, îáåñïå÷èâàþùèé ïðåäåë èçìåðåíèÿ ïîäñîåäèíÿåìîãî ìèëëèàìïåðìåòðà, ðàâíûé 10 ìÀ. Ïîñòîÿííûå íàïðÿæåíèÿ ïîäâîäÿòñÿ ê ãí¼çäàì 10, 11, 12, 13. Ðåçèñòîð R4 íóæåí äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ïëàâíîãî èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà äèîäàõ â ïðåäåëàõ 0 . . . 1 Â. Ðåçèñòîðû R3 è R5 íåîáõîäèìû äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ ñõåì ëîãè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ è â äàííîé ðàáîòå íå èñïîëüçóþòñÿ. Ñåêöèÿ 2 ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ èññëåäîâàíèÿ áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà. Íà íåé ðàñïîëîæåí òðàíçèñòîð n -p -n òèïà ÊÒ315À. Ðåçèñòîðû R6, R7, R8 ïîçâîëÿþò äèñêðåòíî èçìåíÿòü òîê áàçû ïðè ïîñòîÿííîì íàïðÿæåíèè E2 , ðàâíîì 6 Â. Âåëè÷èíû òîêà áàçû çàïèñàíû ðÿäîì ñ ãí¼çäàìè 27, 28, 29. Íåîáõîäèìàÿ âåëè÷èíà îáåñïå÷èâàåòñÿ ñîåäèíåíèåì ñ ïîìîùüþ ïðîâîäíèêà îäíîãî èç ïåðå÷èñëåííûõ ãí¼çä ñ ãíåçäîì 30. Ðåçèñòîð R10 ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàí â êà÷åñòâå êîëëåêòîðíîé íàãðóçêè òðàíçèñòîðà. Ê ãí¼çäàì 33, 34 ïîäêëþ÷åí âíóòðåííèé øóíò, îáåñïå÷èâàþùèé ïðåäåë èçìåðåíèÿ ïîäñîåäèíÿåìîãî ìèëëèàìïåðìåòðà, ðàâíûé 10 ìÀ. Ïîñòîÿííûå íàïðÿæåíèÿ ïîäâîäÿòñÿ ê ãí¼çäàì 25, 26, 39. 21 22 Ðèñ. 4.1. Ñõåìà ëàáîðàòîðíîé ïàíåëè. Ñåêöèÿ 3 ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ èññëåäîâàíèÿ ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà ñ p -n ïåðåõîäîì è n -êàíàëîì (ÊÏ3038). Ê ãí¼çäàì 42, 43 ïîäêëþ÷åí âíóòðåííèé øóíò, îáåñïå÷èâàþùèé ïðåäåë èçìåðåíèÿ ïîäñîåäèíÿåìîãî ìèëëèàìïåðìåòðà, ðàâíûé 5 ìÀ. Ïîñòîÿííûå íàïðÿæåíèÿ ïîäâîäÿòñÿ ê ãí¼çäàì 40 è 46. Íà ëåâîé ñåêöèè ðàçìåù¼í âîëüòìåòð, ìèëëèàìïåðìåòð è òðè èñòî÷íèêà ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ. Âîëüòìåòð îáëàäàåò äâóìÿ ïðåäåëàìè èçìåðåíèé: 1 è 10 Â. Ïðåäåëû èçìåðåíèé ìèëëèàìïåðìåòðà óêàçàíû â ñåêöèÿõ 1, 2 è 3. Íà âûõîäàõ èñòî÷íèêîâ E1 è E2 äåéñòâóþò ïîñòîÿííûå ïîëîæèòåëüíûå íàïðÿæåíèÿ. Ðåãóëèðîâêà íàïðÿæåíèé îáåñïå÷èâàåòñÿ ñ ïîìîùüþ ïîòåíöèîìåòðîâ R1 è R2 â ïðåäåëàõ 0 . . . 6 Â. Ñ âûõîäîâ èñòî÷íèêà E3 ìîæíî ïîëó÷èòü îòðèöàòåëüíûå íàïðÿæåíèÿ −0,05 è −0,1 Â. 5. Ëàáîðàòîðíûå èññëåäîâàíèÿ 5.1. Èññëåäîâàíèå ãåðìàíèåâîãî è êðåìíèåâîãî äèîäîâ 5.1.1. Ñíÿòü ÂÀÕ ãåðìàíèåâîãî äèîäà VD 1. Ñ ýòîé öåëüþ ñîáðàòü ñõåìó èññëåäîâàíèÿ, ïðåäñòàâëåííóþ íà ðèñ. 5.1. Ðèñ. 5.1. Ñõåìà èññëåäîâàíèÿ ãåðìàíèåâîãî äèîäà. Èçìåíÿÿ íàïðÿæåíèå E1 ñ ïîìîùüþ ïîòåíöèîìåòðà R1, èçìåðÿòü íàïðÿæåíèå íà äèîäå Uä è òîê Ièçì . Òàê êàê ñîïðîòèâëåíèå âîëüòìåòðà V ðàâíî 1 êÎì, òî ÷åðåç íåãî îòâåòâëÿåòñÿ òîê IV = Uä 1 23 êÎì , ïîýòîìó äåéñòâèòåëüíîå çíà÷åíèå òîêà, ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç äèîä, íàõîäèòñÿ ïî ôîðìóëå Iä = Ièçì − IV . Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé çàíåñòè â òàáëèöó 5.1. Òàáëèöà 5.1. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ ãåðìàíèåâîãî äèîäà. Uä ,  Ièçì , Iä , 0 ìÀ ìÀ 0,1 0,11 0,12 0,13 ... 0,25 0 0 5.1.2. Ñíÿòü ÂÀÕ êðåìíèåâîãî äèîäà VD 2. Ñ ýòîé öåëüþ ñîáðàòü ñõåìó èññëåäîâàíèÿ êàê ïîêàçàíî íà ðèñ. 5.2. Ðèñ. 5.2. Ñõåìà èññëåäîâàíèÿ êðåìíèåâîãî äèîäà. Äåéñòâèòåëüíîå çíà÷åíèå òîêà, ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç äèîä, îïðåäåëÿåòñÿ âûðàæåíèåì èç ïðåäûäóùåãî ïóíêòà. Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé çàíåñòè â òàáëèöó 5.2. Òàáëèöà 5.2. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ êðåìíèåâîãî äèîäà. Uä ,  Ièçì , Iä , ìÀ ìÀ 0 0,1 0,2 0,3 0,4 ... 0,65 0 0 5.1.3. Ïî äàííûì òàáëèö ïîñòðîèòü íà îäíîì ãðàôèêå âîëüò-àìïåðíûå õàðàêòåðèñòèêè ãåðìàíèåâîãî è êðåìíèåâîãî äèîäîâ. 24 Âû÷èñëèòü ñòàòè÷åñêîå è äèíàìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèÿ äèîäîâ äëÿ äâóõ ó÷àñòêîâ ÂÀÕ: íà÷àëüíîãî (îáëàñòü ïåðåìåííîé êðóòèçíû) è êîíå÷íîãî (ëèíåéíàÿ îáëàñòü). 5.1.4. Îáúÿñíèòü ðàçëè÷èÿ ìåæäó âîëüò-àìïåðíûìè õàðàêòåðèñòèêàìè è ïàðàìåòðàìè ãåðìàíèåâîãî è êðåìíèåâîãî äèîäîâ. 5.2. Èññëåäîâàíèå áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà 5.2.1. Ñîáðàòü ñõåìó èññëåäîâàíèÿ ñîãëàñíî ðèñ. 5.3. Ðèñ. 5.3. Ñõåìà èññëåäîâàíèÿ áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà. Ïðè ïîìîùè ïîòåíöèîìåòðà R2 óñòàíîâèòü íàïðÿæåíèå èñòî÷íèêà E2 = 6 Â. Ñíÿòü âûõîäíûå õàðàêòåðèñòèêè òðàíçèñòîðà: ïðè ôèêñèðîâàííûõ çíà÷åíèÿõ áàçîâîãî òîêà Iá = = 50, 80, 120 ìêÀ, èçìåíÿÿ ïîòåíöèîìåòðîì R 1 íàïðÿæåíèå ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì Uêý = E1 , èçìåðÿòü òîê êîëëåêòîðà Iê . Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé çàíåñòè â òàáëèöó 5.3. 5.2.2. Ïî äàííûì òàáëèöû ïîñòðîèòü ñåìåéñòâî âûõîäíûõ âîëüò-àìïåðíûõ õàðàêòåðèñòèê òðàíçèñòîðà. Ïî ÂÀÕ îïðåäåëèòü çíà÷åíèå ñòàòè÷åñêîãî è äèíàìè÷åñêîãî êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è áàçîâîãî òîêà äëÿ ëèíåéíîãî 25 Òàáëèöà 5.3. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà. Uêý ,  0 Iê , ìÀ 0 120 Iê , ìÀ 0 80 Iê , ìÀ 0 50 0,1 0,15 ... 6 Iá , ìêÀ ó÷àñòêà êàæäîé êðèâîé. Ïîñòðîèòü çàâèñèìîñòü äèíàìè÷åñêîãî êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è òîêà áàçû îò âåëè÷èíû êîëëåêòîðíîãî òîêà h21 = f (Iê ). Îïðåäåëèòü âûõîäíîå äèíàìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå òðàíçèñòîðà íà ëèíåéíîì ó÷àñòêå êàæäîé âåòâè õàðàêòåðèñòèê. Ïîñòðîèòü çàâèñèìîñòü âûõîäíîãî äèíàìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ òðàíçèñòîðà îò âåëè÷èíû òîêà êîëëåêòîðà Râûõ = = f (Iê ). 5.3. Èññëåäîâàíèå ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà 5.3.1. Ñîáðàòü ñõåìó èññëåäîâàíèÿ, ïðåäñòàâëåííóþ íà ðèñ. 5.4. Ðèñ. 5.4. Ñõåìà èññëåäîâàíèÿ ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà. Ñíÿòü âûõîäíûå õàðàêòåðèñòèêè ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà. Äëÿ ýòîãî ïðè ôèêñèðîâàííûõ çíà÷åíèÿõ íàïðÿæåíèÿ ìåæäó çàòâîðîì è èñòîêîì Uçè = 0, −0,05, −0,1 Â, èçìåíÿÿ íàïðÿæåíèå ìåæäó ñòîêîì è èñòîêîì Uñè = E2 , èçìåðÿòü òîê 26 ñòîêà Iñ . ×òîáû îáåñïå÷èòü Uçè = 0 Â, íåîáõîäèìî ñîåäèíèòü ãí¼çäà 40 è 41. Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé çàíåñòè â òàáëèöó 5.4. Òàáëèöà 5.4. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà. Uñè ,  0 Iñ , ìÀ 0 0 Iñ , ìÀ 0 −0,05 Iñ , ìÀ 0 −0,1 0,25 0,5 ... 6 Uçè ,  5.3.2. Ïî âûõîäíûì õàðàêòåðèñòèêàì âû÷èñëèòü êðóòèçíó ïåðåäàòî÷íîé õàðàêòåðèñòèêè òðàíçèñòîðà S (ìÀ/Â), âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå Râûõ è êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïî íàïðÿæåíèþ, ïîëüçóÿñü ôîðìóëîé KU = SRâûõ . 5.3.3.  êà÷åñòâå âûâîäîâ ñôîðìóëèðîâàòü îñíîâíûå îòëè÷èÿ áèïîëÿðíîãî è ïîëåâîãî òðàíçèñòîðîâ. 6. Ñîäåðæàíèå îò÷¼òà Îò÷¼ò, ïðåäñòàâëÿåìûé ñòóäåíòîì ê çàùèòå, äîëæåí ñîäåðæàòü: öåëü ðàáîòû; óïðîùåííûå ñõåìû èññëåäîâàíèé; òàáëèöû ñ ðåçóëüòàòàìè èçìåðåíèé; âîëüò-àìïåðíûå õàðàêòåðèñòèêè; ðåçóëüòàòû ãðàôîàíàëèòè÷åñêèõ àíàëèçîâ; âûâîäû ïî êàæäîìó ïóíêòó ðàáîòû è â âèäå îáùåãî çàêëþ÷åíèÿ. 7. Ðåêîìåíäóåìàÿ ëèòåðàòóðà Ä å í è ñ î â Í. Ï., Ø à ð à ï î â À. Â., Ø è á à å â À. À. Ýëåêòðîíèêà è ñõåìîòåõíèêà. ×. 1. Òîìñê: Èçä-âî ÒÓÑÓÐ, 2003. 27
