3. зонные диаграммы биполярного транзистора
реклама
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Пермский государственный университет” Кафедра экспериментальной физики ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА Изучение статических характеристик биполярных транзисторов Методические указания к выполнению лабораторной работы Пермь 2008 2 Составители: доц. А. С. Ажеганов, доц. И. Л. Вольхин, доц. Н. Н. Коротаев УДК 621.38 Твердотельная электроника. Изучение статических характеристик биполярных транзисторов: метод. указ. к выполнению лаб. раб. / сост. А.С. Ажеганов, И.Л. Вольхин, Н.Н.Коротаев; Перм. гос. ун-т. – Пермь, 2008. –21 с. В пособии рассмотрены зонные диаграммы, статические характеристики биполярных транзисторов, даны рекомендации по выполнению лабораторной работы. Издание соответствует программе курса «Твердотельная электроника». Предназначено для студентов физического факультета специальности «Радиофизика и электроника». Ил.18. Библиогр. 7 назв. Печатается по постановлению методической комиссии физического факультета Пермского государственного университета в рамках национального образовательного проекта 3 ВВЕДЕНИЕ Настоящее издание продолжает серию методических работ по описанию лабораторных работ по курсу “Твердотельная электроника”. Для успешного выполнения лабораторной работы “Биполярные транзисторы” необходим базовый уровень знаний по теории p-n перехода. Поэтому перед выполнением лабораторной работы нужно самостоятельно изучить этот вопрос с использованием конспекта лекций и рекомендованных учебников по курсу “Твердотельная электроника”, а также методических указаний: “Изучение статических характеристик полупроводниковых приборов”. В тексте приводятся ссылки на издания библиографического списка, помещенного в конце настоящего пособия. 1. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С УПРАВЛЯЕМЫМ p-n ПЕРЕХОДОМ Основными элементами устройств, применяемых для усиления мощности электрических сигналов, являются транзисторы. Они выпускаются в виде отдельных элементов или входят в состав интегральных микросхем. Транзисторы можно разделить на два класса – биполярные и униполярные (полевые). В биполярных транзисторах в работе прибора принимают участие как положительные, так и отрицательные носители заряда, отсюда и термин “биполярный”. Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя электрическими р-n - переходами и тремя выводами. Они состоят из чередующихся областей (слоев) полупроводника, имеющих электропроводности различных типов. В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы р-n-р типа и n-р-n - типа (рис.1). эмиттер база коллектор эмиттер база коллектор р n n p – + 0 а) – p n + 0 б) Рис.1. Структурная схема биполярного транзистора: а) p-n-p типа, б) n-p-n типа 4 Условное графическое обозначение транзисторов р-n-р и n-р-n типов с указанием направления токов при работе в нормальном (активном) режиме приведено на рис.2. При подключении напряжений к наружным слоям p-n-p n-p-n биполярного транзистора Iэ Iк Iэ Iк оказывается, что к одному + – + – переходу приложено прямое напряжение, а к другому – э к э к обратное. При этом переход, к которому при нормальном Iб б б включении приложено прямое 0 0 а) б) напряжение, называют Рис.2. Условное графическое эмиттерным, соответствующий обозначение транзистора: а) p-n-p наружный слой – эмиттером (э), типа, б) n-p-n типа средний слой − базой (б). Второй переход, смещенный приложенным напряжением в обратном направлении, называют коллекторным, а соответствующий наружный слой – коллектором (к). Однотипность слоев коллектора и эмиттера в ряде случаев позволяет при включении менять их местами. Такое включение называется инверсным. При инверсном включении параметры реального транзистора существенно отличаются от параметров при нормальном включении. Первые биполярные транзисторы были изготовлены по сплавной технологии. Их типовая структура приведена на рис.3. При подключении к электродам транзистора напряжений U эб и Uбк (рис.4) n эмиттерный переход смещается в прямом In направлении, а коллекторный – в обратном. Электроны из внешней цепи через э электрод эмиттера поступают в область эмиттера, создавая тем самым ток эмиттера Iэ. В области эмиттера электроны являются In основными носителями и проходя через w понизившийся потенциальный барьер p p инжектируются в область базы, где становятся неосновными носителями и Ge б диффундируют к коллекторному р-n переходу. Вследствие малой толщины базы Рис.3. Структура W (рис.3) меньшая часть электронов (110%) сплавного транзистора 5 рекомбинирует с дырками (нижний электрон на рис.4), создавая небольшой ток базы Iб. Большая часть электронов (9099%) достигает коллекторного р-n - перехода, открытого для неосновных носителей, и попав в ускоряющее поле, экстрагируется (втягивается) в область коллектора. В коллекторе электроны вновь становятся основными носителями и уходят во внешнюю цепь, создавая ток коллектора Iк. Из рис.4 видно, что ток эмиттера есть сумма базового и коллекторного токов: Iэ=Iб+Iк , (1) Эмиттер n Еэ* Еэб База p Ек* Коллектор Екб n Iк Rэ Rк Iэ=Iб+Iк Iб Рекомбинация электрона и дырки – Uэб + –положительно заряженные ионы, –отрицательно заряженные ионы, – Uбк + –электроны, –дырки. Рис.4. Схема движения носителей заряда в транзисторе Ток коллектора изменяется пропорционально изменению тока эмиттера Iк=Iэ , (2) где – коэффициент передачи эмиттерного тока. Для хороших транзисторов он близок, но немного меньше единицы. Изменение напряжения, приложенного к эмиттерному переходу, вызывает изменение количества инжектируемых в базу неосновных носителей заряда и соответствующее изменение тока эмиттера и коллектора. Следовательно, для изменения по определенному закону 6 коллекторного тока необходимо к эмиттерному р-n - переходу приложить напряжение, изменяющее по этому закону ток эмиттера. 2. ТРИ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигналов, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ) − рис.5,а; с общим Iэ Uвх Iк Iк Rк + Еэ Uвх + – Ек – а) + – Еб Ек Iэ б) + – Iк Iб Uвх Uвых + Uвых Iб – + Rк Iб – Iэ Еб Rэ Uвых Ек Рис. 5. Включение транзистора по схеме: а) с общей базой, б) с общим эмиттером, в) с общим коллектором в) эмиттером (ОЭ) − рис.5,б; с общим коллектором − (ОК) рис.5,в. Трем возможным схемам включения транзисторов соответствуют три основных типа усилительных каскадов: с ОБ, ОЭ и ОК. В схеме с ОБ входной сигнал подается на эмиттер транзистора, выходной сигнал снимается с коллектора, а база является общей для входного и выходного сигналов. В схеме с ОЭ входной сигнал подается на базу транзистора, выходной снимается с коллектора, а эмиттер является общим для входного и выходного сигналов. В схеме с ОК входной сигнал подается на базу транзистора, выходной снимается с эмиттера, а коллектор, через источник питания соединен с общим проводом, т.е. является общим для входного и выходного сигналов. В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают необходимые значения напряжений и начальных токов. Входные сигналы переменного тока создаются источниками Uвх. Они изменяют ток эмиттера транзистора, а соответственно и ток 7 коллектора. Приращения тока коллектора (рис.5,а,б) и тока эмиттера (рис.6,в) соответственно на резисторах Rк и Rэ создадут приращения напряжений, которые и являются выходными сигналами Uвых. Параметры схем обычно выбирают так, чтобы Uвых было бы во много раз больше вызвавшего его приращения Uвх (рис.5,а,б) или близко к нему (рис.5,в). Вид входных и выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора зависит от схемы включения. Для схемы включения с ОБ статические характеристики имеют вид, показанный на рис.6, для Uкб=0 Uкб=10В Iк,мА 12 10 8 6 4 2 0 Iэ,мА −10 −5 0 2мкА −0.6 а) Iкбо1мкА 0.5 0 Uэб, В Iэ6=12мА Iэ5=10мА Iэ4=8мА Iэ3=6мА Iэ2=4мА Iэ1=2мА Iэ0=0 10 б) 5 15 Uкб,В Рис.6. Статические характеристики маломощного биполярного кремниевого транзистора включенного по схеме с общей базой: а) входная, б) выходная Iб,мкА 100 Uкэ=0 Uкэ=10В Iк,мА 50 0 2 Iб6=100мкА мка Iб5=80мкА Iб4=60мкА Iб3=40мкА Iб2=20мкА Iб1=10мкА Iкэо0.1мА Iб=0 30 25 20 15 10 5 0.6 а) Uбэ,В 0 5 10 б) 15 Uкэ,В Рис.7. Статические характеристики маломощного биполярного кремниевого транзистора включенного по схеме с общим эмиттером: а) входная, б) выходная схемы с ОЭ – на рис.7. Статические характеристики для схемы с ОК 8 аналогичны соответствующим характеристикам для схемы с ОЭ и, как правило, в справочной литературе не приводятся. В цепях, где транзистор включен по схеме с ОЭ или ОК, удобно пользоваться не коэффициентом передачи эмиттерного тока , а “коэффициентом передачи базового тока” (в справочной литературе он приведен в виде параметра h21э). Это обусловлено тем, что в схемах с ОЭ обычно задается изменение тока базы. Связь между коэффициентами и определяется формулой =(1). (3) Так как =0.90.995, то 1. У транзисторов, выпускаемых промышленностью, 10200. Существуют транзисторы с h21э1000. Для транзисторов падение напряжения на открытом эмиттерном переходе составляет доли вольта (для германиевых порядка 0.3 В, кремниевых 0.6 В, арсенид-галиевых 1.0 В). На закрытом коллекторном переходе падение напряжения существенно больше и составляет единицы – десятки вольт. 3. ЗОННЫЕ ДИАГРАММЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА 3.1. Зонная диаграмма бездрейфового биполярного транзистора в состоянии термодинамического равновесия В биполярных транзисторах существует два механизма переноса носителей заряда через базу: диффузии и электрического дрейфа. В активном режиме работы в базе любого транзистора имеется градиент концентрации неосновных носителей заряда, поэтому все транзисторы являются диффузионными. Встроенное в базу электрическое поле есть только у транзисторов с неравномерной концентрацией примесей в базе. Такие транзисторы называется дрейфовыми. Они, как правило, имеют большее быстродействие и лучшие частотные свойства за счет более быстрого пролета неосновных носителей через базу. Зонная диаграмма бездрейфового биполярного транзистора n-p-n типа в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис.8. Она представляет собой два невырожденных несимметричных p-n гомоперехода (все области имеют одинаковую ширину запрещенной зоны W, одинаковую энергию сродства к электрону Рс и одинаковую диэлектрическую проницаемость ε). Области эмиттера, базы и коллектора различаются типом и концентрацией примесей. Типичные значения концентрации примесей составляют: в эмиттере донорных Nd~2·1017 [1/см3], в базе акцепторных Na~1015[1/см3] и коллекторе Nd~1017 [1/см3]. Толщина р-n - перехода определяется по формуле 9 эмиттер n+ - типа эмиттерный переход база, p - типа колекторный переход Eэ коллектор n - типа Eк Ψэ0=qэ0 ψк0=qк0 Wc WF W Wv dк dэ lб Nd~2·1017 [1/cм3] Na~1015 [1/cм3] Nd~1017 [1/cм3] Рис. 8. Зонная диаграмма бездрейфового транзистора n-p-n – типа в состоянии термодинамического равновесия d d p dn 2 0 1 q 1 , где φ – контактная разность N N d a потенциалов. С учетом существенной разницы концентрации примесей полагают, что практически вся обедненная носителями заряда область эмиттерного и коллекторного переходов располагается в низколегированной базе. В состоянии термодинамического равновесия в эмиттерном и коллекторном переходах выполняется принцип детального равновесия: электронный и дырочный токи равны нулю и общий ток через каждый переход равен нулю. 3.2. Зонная диаграмма бездрейфового биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой Зонная диаграмма бездрейфового биполярного транзистора n-p-n - типа, включенного по схеме с ОБ в активном режиме, представлена на рис.9. Источник питания Uэ включен, <−> к эмиттеру, <+> к земле; при этом в эмиттерном переходе возникает дополнительное электрическое поле Eэ*, которое частично компенсирует поле Eэ. Кроме того, энергия электронов в области эмиттера возрастает, 10 эмиттер n+ - типа эмиттерный переход открыт Eэ Ψэ=q(к0−Uэ) база, p - типа колекторный переход закрыт Eк Eэ* коллектор n - типа Eк* Inэ Inк Wc WF Uэ Wv ψк=q(к0+Uк) − + dк* dэ* Uк Ipэ + − Ipк Рис. 9. Зонная диаграмма бездрейфового транзистора n-p-n - типа включенного по схеме с ОБ в активном режиме уровень Ферми поднимается, потенциальный барьер уменьшается Ψэ=q(э0−Uэ), толщина перехода d Э * 2( э0 U Э )0 1 1 q N N d a уменьшается и эмиттерный переход открывается. Прямосмещенный эмиттерный переход открыт для основных носителей – электронов эмиттера n - типа и закрыт для неосновных − дырок. Происходит инжекция электронов в базу р - типа, где они являются неосновными носителями. В базе электроны диффундируют к коллектору и частично рекомбинируют с дырками. Дырки в базе являются основными носителями, и их существенно (на один или несколько порядков) больше, чем инжектированных электронов. Источник питания Uк подключен <+> к коллектору, <−> к земле; при этом в коллекторном переходе возникает дополнительное электрическое поле Eк*, которое складывается с полем Eк. Кроме того, энергия электронов в области коллектора уменьшается, уровень Ферми опускается, потенциальный барьер увеличивается ψк=q(к0+Uк), 11 толщина перехода dК * 2(к0 U к )0 1 1 q Na Nd увеличивается и коллекторный переход закрывается. Обратносмещенный коллекторный переход закрыт для основных носителей (дырок в базе р - типа) и открыт для неосновных носителей – электронов. Электроны, прошедшие через базу, попадают в коллекторном переходе в ускоряющее электрическое поле и инжектируются в коллектор n - типа, где они являются основными носителями. В коллекторной области возникает избыточный заряд, который через короткое время Максвелловской релаксации τМ=εε0ρ, где ρ – удельное сопротивление коллектора, рассасывается путем ухода электронов во внешнюю цепь. 3.3. Распределение носителей в базе транзистора в активном режиме 12 Распределение носителей в базе транзистора в активном режиме приведено на рис.10. Если толщина базы lб больше средней длины диффузии электронов в базе Ln, то это транзистор с “толстой” базой (рис.10,а). Электроны np(0) из эмиттера через прямосмещенный эмиттерный переход попадают в базу. В базе электроны рекомбинируют с дырками и их концентрация уменьшается по закону np(x)=np(0)exp(–x/Ln). На расстоянии, большем Ln от эмиттерного перехода, концентрация электронов становится равновесной np и не изменяется. На расстоянии Ln от коллекторного перехода электроны за время жизни могут продиффундировать до коллекторного перехода и экстрагироваться ускоряющим электрическим полем коллекторного перехода. В этой области их концентрация изменяется от np до нуля по закону np(x)=np(0)[1–exp–(lб–x)/Ln]. Таким образом, в транзисторе с “толстой” базой электроны, инжектированные из эмиттера, не база, p - типа эмиттер n+ - типа np(0) коллектор n - типа np(x)=np(0)exp(–x/Ln) np(x)=np(0)[1–exp–(lб –x)/Ln] np(x)=const 0 а) Ln эмиттер n+ - типа np(0) б) Ln lб x коллектор n - типа база, p - типа np(x) 0 lб Ln x Рис. 10. Распределение носителей заряда в базе бездрейфового транзистора n-p-n - типа в активном режиме. База: а) “толстая”, б) “тонкая” 13 достигают коллекторного перехода, а полностью рекомбинируют в базе, коллекторный ток не зависит от эмиттерного и транзистор эквивалентен двум встречновключенным диодам. Если уменьшать толщину базы транзистора, сдвигая металлургические границы эмиттерного и коллекторного переходов, то при lб < Ln, (обычно lб ≈ 0.2 Ln) получится транзистор с тонкой базой (рис.10,б). Распределение концентрации электронов в тонкой базе происходит в результате сопряжения двух экспонент. Такое распределение в первом приближении описывается прямой линией. С учетом небольшой рекомбинации электронов в базе эта линия немного прогибается, как показано пунктирной линией на рис.10,б. В этом случае большая часть электронов, эмитированных из эмиттера, достигает коллектора, поэтому, изменяя ток эмиттера, можно управлять током коллектора. 3.4. Дрейфовый транзистор Для повышения быстродействия транзистора необходимо уменьшить время пролета носителей через базу tпр. Для этого в дополнение к диффузии носителей в базе необходимо использовать второй механизм переноса – дрейф носителей под действием электрического поля Eвстр. На рис.11,а показано распределение концентрации донорных Nd и акцепторных примесей Na. База транзистора легирована неравномерно, концентрация Na уменьшается от эмиттера к коллектору. На рис.11,б схематично показано распределение отрицательно заряженных ионов акцепторной примеси в базе. Со стороны коллекторного перехода их меньше, чем со стороны эмиттерного перехода, поэтому в базе возникает встроенное электрическое поле Eвстр (рис.11,б). Уровень дна зоны проводимости Wc в базе имеет наклон. 14 Nd−Na x а) эмиттер n+ - типа эмиттерный база, p - типа переход колекторный коллектор n - типа переход б) Eэ Eвстр Eк Wc WF W Wv dк dэ lб в) Рис. 11. Зонная диаграмма дрейфового транзистора n-p-n - типа в состоянии термодинамического равновесия: а) распределение концентрации примесей; б) распределение неподвижных ионов примесей и подвижных основных носителей заряда; в) зонная диаграмма в состоянии термодинамического равновесия 15 Зонная диаграмма дрейфового транзистора n-p-n - типа, включенного по схеме с ОБ в активном режиме, приведена на рис.12. эмиттер n+ - типа эмиттерный переход открыт Eэ Eэ* база, p - типа Eвстр Inэ колекторный переход закрыт коллектор n - типа Eк Eк* Inк Wc WF Uэ Wv − + dэ* Uк dк* Ipэ + − Ipк Рис. 12. Зонная диаграмма дрейфового транзистора n-p-n - типа включенного по схеме с ОБ в активном режиме Электроны в базе диффундируют к коллектору за счет градиента концентрации, а также дрейфуют навстречу Eвстр, скатываясь вниз по наклону зоны проводимости. При этом время пролета электронов через базу сокращается в четыре - пять раз по сравнению с tпр электроннов в бездрейфовом транзисторе. 3.5. Зонная диаграмма бездрейфового биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером На рис.13 приведена зонная диаграмма бездрейфового транзистора n-p-n - типа, включенного по схеме с ОЭ в активном режиме. В этой схеме эмиттер заземлен. Напряжение Uб смещает эмиттерный переход в прямом, а напряжение Uк смещает коллекторный переход в обратном направлении. Электроны из эмиттера через понизившийся потенциальный барьер Ψэ0=q(к0−Uб) поступают в базу. Диффундируя через “тонкую” базу, меньшая часть 16 эмиттер n+ - типа эмиттерный переход открыт Eэ Ψэ=q(к0−Uб) база, p - типа колекторный переход закрыт коллектор n - типа Eк Eк* Eэ* Inэ Inк Wc WF ψк=q(к0+Uк) рекомбинация Wv Iб dэ* Uб Ipэ + − dк* Uк + − Ipк Рис. 13. Зонная диаграмма бездрейфового транзистора n-p-n - типа включенного по схеме с ОЭ в активном режиме электронов рекомбинирует с дырками, создавая небольшой базовый ток Iб. Большая часть электронов достигает коллекторного перехода и через обратносмещенный коллекторный переход, открытый для неосновных носителей, уходит в коллектор, создавая электронный ток коллектора Inк. Схема включения транзистора с ОЭ позволяет с помощью небольших базовых токов управлять большими коллекторными токами. Коэффициент усиления по мощности транзистора в схеме с ОЭ (при правильно выбранной нагрузке) существенно больше, чем в схеме с ОБ. 4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Цель работы: Получить вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов, включенных по схеме с ОЭ. Приборы и принадлежности: источник постоянного тока MPS3003 LK-2, вольтметр В7-38, микроамперметр М2005, тестер Ц4324 (или аналогичные), исследуемые биполярные транзисторы. 17 Задание 1. Собрать схему установки для снятия вольт-амперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ согласно рис.14. источник постоянного тока MPS-3003 LK-2 - - GND + + 0-30В 5V VT А мкА R1 R V Рис.14. Схема установки для снятия характеристик биполярного транзистора вольт-амперных 2. Подготовить источник питания MPS-3003 LK-2 к работе: - подключить вилку в сеть. - ручки регулятора напряжения VOLTAGE установить: верхнюю COARSE (грубо) и нижнюю FINE (плавно) в крайние левые положения, при этом напряжение на выходе равно нулю; - ручки регулятора тока CURRENT установить: верхнюю COARSE (грубо) на минимум в крайнее левое положение, нижнюю FINE (плавно) в среднее положение; - выключатель питания POWER нажать и включить прибор − загорится зеленый индикатор CV (прибор находится в режиме стабилизации напряжения); - нажать кнопку подключения выходных клемм OUTPUT − загорится красный индикатор подключения выходных клемм прибора OUT. На дисплеях вольтметра VOLTAGE DISPLAY и амперметра CURRENT 18 DISPLAY будут индицироваться напряжение в вольтах и ток в амперах (в данном случае нули). 3. Как задавать ток базы транзистора, поясним на примере транзистора КТ630Б. Расположение выводов транзистора КТ630Б приведено на рис.15. По справочнику определяем его основные коллектор характеристики. Транзистор кремниевый планарный n-p-n типа, усилительный, высокочастотный, база предназначен для усилительных и импульсных схем. эмиттер Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером при Uкэ=10 В, Рис.15. Iк=15 мА, T=298 К, Расположение h21э=80÷240. выводов транзистора КТ630Б Предельные эксплуатационные параметры: Постоянное напряжение коллектор-эмиттер при сопротивлении эмиттер-база Rэб=3кОм Uкэ max=120 В. Постоянное напряжение коллектор-база Uкб max=120 В. Постоянное обратное напряжение перехода эмиттер-база Uэб max=7 В. Постоянный ток коллектора Iк max =1 А. Постоянный ток базы Iб max =0.2 А. Постоянная рассеиваемая мощность коллектора при T=233÷298 К Р max =0.8 Вт. Температура перехода 398 К. Температура окружающей среды от 233 до 358 К. Для правильного снятия ВАХ температура транзистора в процессе исследования не должна существенно изменяться. В лабораторной работе транзистор не имеет специального теплоотвода, поэтому мощность, рассеиваемую на коллекторе, надо выбрать существенно меньшей, чем предельная, например Р=0.3 Вт. Максимальное напряжение на регулируемом выходе источника питания Uк=30 В, при этом максимальный ток коллектора Iк= Р/ Uк = 0.3 Вт/30 В =0.01 А=10 мА. Ток базы Iб= Iк / h21э. С учетом разброса h21э Iб =0.04÷0.125 мА= 40÷125 мкА. 4. Снять входные характеристики транзистора Iб= f(Uб) при Uк=0 В; Uк=2.0 В и Uк=10.0 В. Резистором R изменять напряжение Uб с шагом ΔUб =0.1 В до достижения тока базы Iб~80 мА (т.е. до середины возможного диапазона токов базы). 19 5. Оценить коэффициент усиления транзистора h21э = Iк / Iб при Uк=10 В, Iк=10 мА. Рассчитать ток базы Iб= Iк / h21э при котором Iк=10 мА. Ток базы можно округлить до ближайшего удобного целого числа, например, Iб =102 мкА≈100 мкА. При необходимости можно округлить величину базового тока и в сторону увеличения, т.к. при расчете рассеиваемая транзистором мощность выбрана с более чем с двукратным запасом, это и будет максимальный ток базы, при котором снимается зависимость Iк= f(Uк). Для правильного построения выходной характеристики напряжение Uк надо изменять нелинейно: вначале вблизи режима отсечки шаг выбрать небольшим, например, ΔUк=0.1÷0.2 В, а затем шаг постепенно увеличить ΔUк=0.5÷5.0 В. Общая рекомендация: чем медленнее изменяется Iк, тем больше шаг ΔUк. Для построения семейства можно снять от шести до десяти зависимостей Iк= f(Uк) при различных Iб. Характеристики обычно измеряют при постоянном шаге изменения тока базы ΔIб. Последнюю характеристику необходимо измерить при Iб=0. 6. Снять семейство проходных характеристик транзистора Iк= f(Iб): при Uк=2.0 В; Uк=5.0 В и Uк=10.0 В. Обработка результатов измерений 1. Построить семейство входных характеристик Iб=f(Uб) при Uк=const. Оценить величину контактной разности потенциалов эмиттерного перехода ψ0 и входного сопротивления транзистора rвх=ΔUб /ΔIб, как показано на рис.16, построить зависимость rвх=f(Uб) при Uкэ=0 В и Uкэ=10 В. Построить приближенные зависимости, применяемые при Uкэ=0 Uкэ=10В Iб,мкА инженерных расчетах: rвх=ψт /Iб для р-n - перехода (Uкэ=0) и ΔIб rвх=ψт /Iб(1+h21э) для транзистора, включенного по схеме с ОЭ (Uкэ=10 В). Здесь ψт = kT / q где q=1.6·10−19 Кл, k =1.38·10−23 Дж/К – постоянная Больцмана, T – 0 температура в градусах ψ0 Кельвина. При T =300 ψт≈26 мВ. ΔUб Uб,В Для того чтобы получить Рис.16. Семейство входных входное сопротивление в Омах, характеристик транзистора ток в формулы нужно подставить в миллиамперах. Сравнить результаты измерения и расчета rвх. 20 2. Построить семейство выходных характеристик Iк=f(Uк) при Iб=const (рис.17). Для всех Iб рассчитать h21э= Iк/ Iб при Uк=2 В; Uк=5 В; Uк=10 В и Uк=15 В. Построить зависимости h21э=f(Iк) при Uк=5 В или Iк,мА Iб=const ΔIк Iк,мА Uкэ=10В Uкэ=2В ΔIб Iб=0 0 ΔUкэ Iкэо Uкэ,В 0 ΔIк Iб,мкА Семейство проходных Рис.17. Семейство выходных Рис.18. характеристик транзистора характеристик транзистора Uк=10 В. Определить обратный ток коллектора Iкэо при Iб=0 мкА и Uк=10 В. Рассчитать выходное сопротивление транзистора rвых= ΔUк /ΔIк для различных Iб, как показано на рис.17. 3. Построить семейство проходных характеристик Iк=f(Iб) при Uк=2 В; Uк=5 В и Uк=10 В. Рассчитать среднее значение h21э=ΔIк/ΔIб при Uк=2 В; Uк=5 В; Uк=10 В, как показано на рис.18. Результаты расчета сравнить с результатами, полученными в пункте 2. 4. Сравнить полученные результаты со справочными данными. 5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Структурная схема и схемотехническое обозначение биполярного транзистора p-n-p и n-p-n - типа, напряжения на выводах транзистора и токи, текущие через транзистор. 2. Четыре режима работы транзистора. 3. Три схемы включения транзистора. 4. Механизмы переноса носителей через базу транзистора. 5. Зонная диаграмма бездрейфового и дрейфового транзисторов в состоянии термодинамического равновесия. 6. Зонная диаграмма бездрейфового транзистора, включенного по схеме с ОБ в активном режиме. 7. Коэффициент передачи эмиттерного тока в коллектор . 8. Статические характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ. 21 9. Зонная диаграмма бездрейфового транзистора, включенного по схеме с ОЭ в активном режиме. 10. Коэффициент передачи базового тока в коллектор . Связь между и . 11. Статические характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ. 12. Объяснить полученные графики. Рекомендательный список литературы 1. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. СПб., 2006. 480 с. 2. Игумнов Д.В., Костюнина Г.П. Основы полупроводниковой электроники. М., 2005. 392 с. 3. Гуртов В. Твердотельная электроника. М., 2005. 408 с. 4. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. М., 1987. 479 с. 5. Баюков А.В., Гитцевич А.Б., Зайцев А.А. и др. Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: Справочник. М., 1987. 744 с. 6. Аронов Л.В., Баюков А.В., Зайцев А.А. и др. Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник. М., 1985. 904 с. 7. Изучение статических характеристик полупроводниковых приборов: Метод. указ. к выполнению лаб. раб. / сост. А.С.Ажеганов, И.Л.Вольхин; Перм. ун-т. – Пермь, 2007. – 24 с. 22 Содержание Введение 1. Биполярные транзисторы с управляемым p-n - переходом 2. Три схемы включения транзистора 3. Зонные диаграммы биполярного транзистора 3.1. Зонная диаграмма бездрейфового биполярного транзистора в состоянии термодинамического равновесия 3.2. Зонная диаграмма бездрейфового биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой 3.3. Распределение носителей в базе транзистора в активном режиме 3.4. Дрейфовый транзистор 3.5. Зонная диаграмма бездрейфового биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером 4. Порядок выполнения работы 5. Контрольные вопросы Рекомендательный список литературы 3 3 6 8 8 9 11 12 14 15 19 20 23 Методическое издание Составители Ажеганов Александр Сергеевич Вольхин Игорь Львович Коротаев Николай Николаевич ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА Изучение статических транзисторов характеристик биполярных Методические указания к выполнению лабораторной работы Редактор Л.А. Богданова Корректор А.С. Гурьева Подписано в печать 12.11.2008. Формат 608416. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л.0,8. Тираж 50 экз. Заказ . Редакционно-издательский отдел Пермского государственного университета 614990. Пермь, ул. Букирева, 15 Типография Пермского государственного университета 614990. Пермь, ул. Букирева, 15