Федеральное Агенство по Образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский Государственный Университет Аэрокосмического Приборосторения

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИОДОВ И ТРАНЗИСТОРОВ

Методические указания к выполнение лабораторных работ

Санкт-Петербург

2012

Составители: А.Г. Варехов, М.С. Новикова

Рецензенты: кафедра авиационных приборов и автоматов Ленин­градского института авиационного приборостроения; кандидат техни­ческих наук доцент Л.А. Нейман.

Содержится описание и краткий анализ процессов в полупроводниковых диодах и транзисторах. Обсуждаются на примерах применение этих электронных элементов. Приводятся указания к выполнению ла­бораторных работ по курсам "Микропроцессорная техника" и "Элек­троника в авиаприборостроении и автоматике". Предназначены для студентов специальностей "Авиационное приборостроение", Робототехнические системы", "Гироскопические приборы и устройства" днев­ной, вечерней и заочной форм обучения, могут быть использованы для самостоятельной и учебно-исследовательской работы студентов.

Подготовлены к публикации кафедрой систем стабилизации и ори­ентации летательных аппаратов по рекомендации методической комис­сии факультета авиационных приборов и автоматики летательных аппа­ратов.

(С) Санкт-Петербургский Государственный Университет аэрокосмического приборостроения

2012

Подписано к печати Формат 60х84/16. Бумага тип. ЯЗ.

Печать офсетная.Усл.-неч.л.1,86. Уч.-изд.л. 2,0. Тираж 500 экз.

Заказ №227 Бесплатно -

Ротапринт ГУАП 190000 , Ленинград, ул.Герцена, 67

- 1 –

Цель лабораторных работ: изучение свойств полупроводниковых диодов различных типов, биполярных и полевых транзисторов путем экспериментального исследования их вольт-амперных характеристик.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Полупроводниковый диод представляет собой контакт полупровод-

­ников с проводимостями типов "р" и "n", пропускающий ток в одном направлен-ии (рис.1). При наложении внешней разности потенциалов плюсом к р - области относительно n-области диод открыт и протека­ющий прямой ток определяется вольт-

амперной характеристикой диода и

внешним (токоограничивающим) резис-

тором. При­обратном напряжении диод

заперт, а протекающий небольшой обрат-

ный ток экви валентен току утечки в Рис.1. Условное

диэлектрике. Вольт-амперная характе- обозначение диода

ристика диода определяется теоретической зависимостью

,

в которой: температурный (термический) потенциал, (K - постоянная Больцмана, К = Т - абсолют- ная температура; - заряд электрона; при комнатной температуре ) или полуэмпирической зависимостью

где - эмпирическая константа. Графически вольт-ампер­ные характеристики германиевого и кремниевого диодов представлены на

рис.2, откуда следует, что прямое падение напряжения на крем­ниевом диоде несколько выше, чем на германиевом, а обратный ток кремниевого диода меньше, чем германиевого. Режим работы диода в схеме (рис.З, а), в частности прямой ток, определяется построением линии нагрузки (рис.3, б), которая отсекает, на оси абсцисс отрезок ,

а на оси ординат - . Точка пересечения вольт-амперной характеристики диода и линия нагрузки А определяет рабочий ток диода ,а также падение напряжения на диоде на резисторе ).

- 2 -

Удобным средством для анализа и пояснения всех свойств полупро­водниковых р-п -переходов служит построение зонных энергетических диаграмм. При этом следует исходить из того, что минимальная энер­гия для электронной проводимости полупроводника определяется значе­нием "дно" зоны проводимости ("с" - от англ. conductivity ),

Рис.2. Вольт-амперные характеристики германиевого и

кремниевого диодов

а) б)

Рис.3. Схема включения диода (а) и построение линии нагрузки (б).

а максимальная энергия для дырочной проводимости определяется зна­чением - "потолок" валентной зоны ("v"- от англ. valency ). Такая диаграмма для собственного (нелегированного) полупроводника представлена на рис.4, где обозначены также уровень Ферми или элек-трохимический потенциал и ширина запрещенной зоны . При абсолютном нуле температуры в зоне проводимости нет электронов, а энергетические уровни валентной зоны все заняты, т.е. на каждом из них располагаются в соответствии с принципом Паули

– 3 –

два электрона с противоположными спинами.

Выше абсолютного нуля часть электронов "ис­паряется" в зону проводимости, оставляя в валентной зоне дырки ,т.е. положительные заряды, и свободные энергетические уровни. Энергия Ферми есть максимальная энер­гия электрона при Т = 0 и располагается на Рис.4. Зонная диа-

диаграмме рис.4 в середине запрещенной ­грамма собственного

зо­ны. Таким образом, – полупроводника.

среднее значение энергии электрона в непо-

средственной близости от Т = 0. Для полупроводников p-типа и n-типа зон-ная диаграмма представлена на рис.5, где обозначены термодинами-ческие работы выхода и , отсчитанные от уровня вакуума .

Рис.5. Зонные диаграммы примесных полупроводников

Отметим, что термодинамическая работа выхода отличается от истин­ной работы выхода x, которая в обоих случаях одна и та же. Отме­тим также, что положения уровней Ферми определяются соответственно как ,где -уровни акцепторной примеси, и

где – уровни донорной примеси.

При контакте р- и п -полупроводников электрохимические по­тенциалы и выравниваются (подобно тому, как выравнива­ются уровни жи-дкости в сообщающихся сосудах,что свидетельствует о том,что система приходит в равновесие) и часть электронов из зоны проводимости n-обл-асти переходит из-за различия работ выхода Ap и An в зону проводимо-сти р-области. В результате зонная диаграмма приобретает вид, показан-ный на рис.6,а. где контактная разность потенциалов, имеющая знак "+" на n -области, а - равновесная ширина перехода, причем величина определя­ется концентрацией донорных

– 4 –

атомов в n-области, так как именно эти атомы являются поставщиками электронов в зону проводимости.

Удобно далее считать электроны зоны проводимости грузами, которые тонут, будучи предоставленными сами себе, а дырки валентной зоны поплавками, которые сами по себе всплывают. Следователь­но, пере-мещение электрона из n-области в р-область, а дырки - из р-области в n-область требует в равнове­сии пре-одоления барьера . Зонные диа-граммы р-n-пере­хода при прямом и обратном смещениях представлены соот­ветственно на рис.6,б,в. Из рис.6,б. видно, что при пря­мом сме-щении понижается энер­гетический барьер как для инжекции дырок из р-области в n -область, так и для ин-жекции электронов из n-области в р-область. Однако исполь­зуемые на практике р-n -переходы обычно не- симметричные, причем концентра-ции акцептор­ной примеси в р-обла-сти (низкоомный слой) значительно

выше, чем концентрация донорной

примеси в n-области (высокоомный

слой); следовательно, концентрация

дырок в валентной зоне р-области

Рис.6. p-n-переход в равновесии значительно выше зоны проводимо-

(а), прямом (б) и обратном (в) сти n-области. Таким образом, при

смещениях. прямом смещении преобладающей

является инжекция дырок в n-область и возрастание тока проводимости. При обратном смещении (рис.6,в) имеет место пони­жение потенциаль-ного барьера для электронов зоны проводимости р-об­ласти и дырок валентной зоны n-области; так как концентрация и тех и других мала, то ток проводимости не может существенно возрасти.

Так как в то же время концентрация дырок в валентной зоне n -облас­ти больше, чем концентрация электронов в зоне проводимости р-области

–5–

то именно эти дырки и определяют ток проводимости при обратном смещении. Важно отметить, что ширина p-n-перехода при этом увели-чиваетcя, причем в основном за счет высокоомной, т.е. n-области, называемой иногда базой диода.

Ширину перехода d можно определить из следующих элементар-ных соображений. Будем рассматривать запертый р-n -переход как пло-ский конденсатор, расстояние между обкладками которого равно d, а пло­щадь обкладок S определяется площадью перехода. Емкость пере-хода, называемая барьерной, определится , где -диэлектри-ческая проницаемость материала перехода (германия или кремния),

- электрическая постоянная, . Та же емкость в самом общем случае определяется как частное , где -заряды обкладок, – напряжение на переходе, кроме того , где - поверхностные плотности зарядов. Заряды опре-деляются числом ионизиро­ванных атомов доноров в объеме перехода, т.е. , где - плотность объемного заряда ионизированных атомов доноров. Для ширины перехода d нетрудно получить соотношение .Более точное выражение для несим­метричного (резкого) р-n-перехода записывается в виде

В частности, равновесная ширина перехода (рис.6,а) соответст­вует контактной разности потенциалов . Кроме того, объем­ный заряд ионизированных доноров или концентрацию донорных атомов можно связать с удельной объемной проводимостью п -слоя или удельным объемным сопротивлением

где – подвижность электронов; e - заряд электрона; . Для ширины перехода d можно записать выражение

, где (E – внешняя ЭДС).

Зависимость ширины перехода и, следовательно, его барьерной ем­кости от приложенного обратного напряжения широко используется в спе-циальных диодах - варикапах, а сам метод использования нелинейной емкости, управляемой напряжением, называют методом параметрической модуляции.

–6–

Температурная зависимость прямого напряжения на p-n-переходе получается из вольт-амперной характеристики

где - обратный ток диода, являющийся функцией температуры. Зависимость также экспоненциальная

,

где - ширина запрещенной зоны собственного полупро-водника, т.е. нелегированного или . Такая зависимость свидетель-ствует о том, что ток эквивалентен току утечки собственного полу-проводника. Искомая температурная зависимость получается дифференцированием

При этом принято , и значения ши-рины запрещенной зоны для и различаются (для германия 0,744 эВ и для кремния 1,15 эВ), однако и прямое падение напряжения на герма-ниевом p-n – переходе на 0,3-0,4 В меньше, чем на кремниевом. Поэтому для обоих типов диодов температурный коэффициент напряжения ТКН приблизительно одинаков и равен 2 . Эта величина ТКН явля-ется типичной для диодов, но все же не универсальной. Например, при повышении прямого тока до 30-40 мА возрастает не только напряжение на p-n – переходе, но и омическое падение напряжения на высокоомном базовом n-слое диоде. Вследствие этого разность в формуле для ТКН сначала становится нулевой, а затем меняет знак и при токах, больших 100 мА, значение ТКН может доходить до +(4-5). Кроме того, ясно, что значение ТКН зависит и от температуры. Измене-ние знака ТКН при больших токах, а также температурная зависимость ТКН приведены на рис.7, причем соответствует комнатной температу-ре, т.е. .

В типовом варианте обратный ток диода удваивается при возраста-нии температуры на . Таким образом, при возрастании температуры на ток увеличивается в , т.е. приблизительно в 1000 раз.

Рассмотрим переходные свойства диодов для схемы, показанной на рис.8.

–7–

Рис.7. Температурная зависимость прямого напряжения

на p-n-переходе

Рис.8. Схема включения диода

При положительном потенциале диод открыт и ток, протекаемый через него, равен (рис.9,а). Заряд в базовой области диода в общем случае получается из решения дифференциального уравнения

,

в котором – среднее время жизни неосновных носителей, т.е. дырок, в базе диода. Решение этого уравнения при нулевых начальных условиях получается в виде

.

–8–

После подачи выключающего потенциала выключение диода начинается с рассасывания неосновных носителей из его базы. Сразу после подачи ступеньки заряд в базе диода еще равен

и ток через диод равен , т.е. определяется внешним токоограничивающим резистором . Заряд в базе диода рассасывается, т.е. уменьшает­ся в соответствии с уравне-нием

Для времени рассасывания (рис. 9, б) обычно используется приближен­ное соотношение

Скачок напряжения на диоде (рис.9,в) связан с тем, что при из­менении направления тока изменяется знак паде-

Рис.9 Переходные свойства ния напряжения на омичес­ком сопро

диодов. тивлении базы диода . Величина скачка,

очевидно, равна . Включение

диода при определяется коротким промежутком времени переза-рядки барьерной емкости и последующим на-коплени­ем неосновных носителей в базе диода в соответствии с уравне-нием для .

Разновидности диодов. Полупроводниковые кремниевые стабилитроны или опорные диоды с напряжением стабилизации от 3 до 200В имеют вольт-амперную характеристику, показанную на рис.10, причем посто-янство об­ратного напряжения определяется тем, что р-п-переход работает в режиме обратимого электрического пробоя. При обратном напря­жении на переходе возникает локальный раз-рядный канал (стример), а при увеличении напряжения внешнего источ-ника (а точнее, его мощности) область разряда начинает увеличиваться, распространяясь в конечном счете на всю площадь перехода; при этом ток через диод растет, плотность тока в пределах перехода не увели-чивается и напря­жение на переходе остается неизменным.

–9–

Эта картина в чистом виде характерна для стабилитронов с напряжением стабилиза-ции , а механизм пробоя в этом случае является лавинным, поскольку при большом обратном напряжении ширина пе­рехода значительна. Для низковольтных стабилитронов ширина перехода мала и вместе с лавинным пробоем проявляется и туннельный; комбинацию этих эффектов Рис.10.Вольт-амперная

иногда называют эффектом Зенера (zener), характеристика

а сам диод - зенеровским. Стабилитрон вклю- стабилитрона

чается в цепь, так, как показано на рис.11,

а режим работы диода определяется построением линии нагрузки (рис.11,б). Для низковольтных ста­билитронов рабо-чий ток располагается в пределах от . Качество стабилизации определя­ется дифференциальным сопротивле-нием диода в рабочей точке А, которое в большинстве практических случаев не пре­вышает 100 Ом. Низковольтные (зенеров-ские) стабилитроны имеют отри­цательный температурный коэффициент напряжения ,а относитель­но высоковольтные - положительный. В обоих случаях значения ТКН сос­тавляют приблизительно

а) б)

Рис 11. Включение стабилитрона (а) и выбор режима (б)

Варикап(от англ."variation" и "capacity") представляет собой нелиней-ную емкость, управляемую напряжением. В качестве такой емкости на низких частотах используется кремниевый p-n-переход, смещенный в обратном направлении и эквивалентный плоскому конденсатору.

–10–

В высокочастотных варикапах используется германий и арсенид галлия ( в которых подвижность электронов более высока. Ем­кость р-п -перехода, иногда называемая барьерной, зависит от прило­женного на-пряжения по закону как это следует из полу-ченной выше формулы для ширины р-п-перехода. Типич­ная вольт-фара-дная характеристика варикапа, т.е. зависимость ем­кости от приложен-ного напряжения, представлена на рис.12, на кото­ром показано также условное обозначение варикапа. Отношение минималь­ной емкости варикапа к максимальной в типовом случае составляет 1:5 , а максималь-ная емкость в зависимости от используемого диода находит­ся в пределах от 5 до 300 пФ. Иногда в качестве варикапов использу­ют стабилитроны. Добротность варикапа, как и любой емкости, определя­ется отношением реактивного и активного сопротивлений. Для опре­деления добротности варикапа рассмотрим эквивалентную схему ва­рикапа, представленную на рис.13, в которой - омическое сопротив­ление базы ( n-слоя) диода, C - емкость варикапа, - сопротивле­ние утечки. Нетрудно записать для полного сопротивления

откуда добротность

Так как всегда , то для низких частот

Рис.12.Вольт-амперная характе- Рис.13. Эквивалентная схема

ристика варикапа варикапа

На очень высоких частотах . При этом ясно, что на самых низких и самых высоких частотах добротность варикапа монотонно уменьшается.

–11–

Оптимум (максимум) добротности обычно приходится на частоты . В любом случае добротность варикапа тем выше, чем меньше , которое является также основным источником шумов вари-капа.Для снижения необходимо использовать полупровод­никовый материал с минимальным удельным сопротивлением или диод Шоттки, в котором база выполнена на основе металла (см.ниже).

Диоды Шоттки(Shottky). В несимметричном р-n-переходе, рассмотрен-ном выше, отпирающее напряжение приводило к инжекции дырок из р-области и накоплению неравновесных дырок в высокоомной базовой

n -области. Напротив, запирающее напряжение приводило к рассасыва-нию этого избыточного заряда дырок. По времени и тот и другой проце-ссы лимитированы временем рекомбинации электронно-дырочных пар: при на­коплении - рекомбинацией инжектированных дырок с электрона-ми, при­текающими в п-область через внешний (омический) контакт; при расса­сывании - рекомбинацией экстрагированных в р-область дырок с элек­тронами, притекающими в р-область через внешний (также омичес-кий) контакт. Диод Шоттки образован контактом металл- n-полупровод-ник, проводимость которого в прямом и обратном направлениях обусло-влена электронами и не связана с рекомбинацией электронно-дырочных пар. Структура диода Шоттки условно показана на рис.14. В равновесии, т.е. без внешнего напряжения, возникает контактная разность потенциа-лов , полярность которой показана на рис.14. Для этого существенно необходимо, чтобы работа выхода из n-кремния в золото была меньше, чем работа выхода из золота в п -кремний. Прямое смеще­ние понижает работу выхода из , а обратное смещение - повыша­ет, что и опре-деляет поток электронов через переход. Время переклю­чения в диоде Шоттки, понимаемое как время накопления, может быть доведено до еди-ниц наносекунд , в то время как в p-n-пере­ходе оно составляет в лучшем случае деся-тки наносекунд . Ди­оды Шоттки широко используются в бы-стро действующих логичес-ких элементах. В за­ключение отметим, что при Рис.14.Обозначение и

равенстве работ выхода из и из место структура диода Шоттки

омический контакт, не образующий контакт-

ной разности потенциалов и необходимый для образования внешних выводов полупроводниковых элементов.

–12–

Туннельный диод.Как следует из выражения для ширины несимметричн-ого p-n-перехода она определяется не только приложен-ным напряжением , но и удельным объемным зарядов ионизированных доноров и, соответственно, концентрацией донорной примеси . Для симметричного перехода с очень высокой концентра-цией примесей характерны две особен­ности:

- ширина перехода весьма мала, ;

- уровни Ферми (рис.15) располагаются соответственно в вален-тной зоне р-области и в зоне проводимости n-области, а примесные уро-вни образуют зоны. Обе эти особенности обусловливают возможность туннельных переходов электронов и дырок из одной области в другую. Такой переход, также на­зываемый диодным, используется не как выпря-мляющий, а как устройство с двумя состояниями, причем для этого слу-жит только прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода. Зонная диаграмма перехода в равновесии представлена на рис.15, причем сво-бодные уровни дырок в р-области на­ходятся (при Т=0) выше , а заня-тые уровни электронов в n-облас­ти – ниже

Рис.15. Зонная диаграмма туннельного p-n-перехода в равновесии

При этом ток через переход равен нулю, так как туннельные переходы (т.е переходы по горизонтали) дырок и электронов слева направо и справа налево равновероятны. Ясно, что при прямом смешении начнет увеличиваться ток электронов из п -области в р-область, так как все большая часть занятых электронами уровней (ниже ) будет находить-ся против пустых уровней (выше уровня ) р-области: этот ток дости-гнет максимума при прямом смешении, равном (при этом уровнисравняются), а при дальнейшем уве­личений прямого смещения туннельный ток через переход начнет умень­шаться и

достигнет минимума при совпадении уровне .

–13–

При еще большем прямом смещении туннельная компонента тока еще более уменьшается, но зато возрастает диффузионная компонента тока, т.е. ток дырок слева направо и ток электронов справа налево аа счет гра­диента концентрации,т.е. путем диффузии. Эти процессы в целом дают вольт-амперную характеристику диода, представленную на рис.16, на котором показано а условное изображение туннельного диода. Наличие на вольт-амперной характеристике туннельного диода участка (рис.16) с отрицательным дифференциальным сопротивлением позволяет исполь-зо­вать его как переключающий элемент. Вследствие безынерционности туннельного эффекта туннельный диод используется как высокоскорост-ной переключатель, а также для усиления и генерации на сверхвысоких частотах.

Рис.16. Обозначение и вольт-амперная характеристика туннельного диода

Светодиод. Рекомбинация носителей в р-n-переходах (дырок, инжекти-рованных в n-область, или электронов, инжектированных в р-область) может происходить с испусканием квантов света. Таким образом, пере-ход при прямом смещении становится источником света. Светодиоды на основе арсенид-фосфида галлия излучают красный (0,655 мкм), оранжевый (0,635 мкм) и желтый (0,538 мкм) свет, диоды на основе фос-фида галлия зеленый (0,565 мкм) свет. Диоды на основе арсенида галлия () излучает инфракрасный свет с длиной волны 0,9 мкм. Прямое падение напряжения на светодиоде,как правило, выше, чем на выпрями-тельном диоде, и составляет при токе 10 мА от 1,2 до 2,5 В. Излучаемая мощность для большинства диодов лежит в пре­делах 1-10 мкВт (для ин-фракрасных светодиодов – до 500 мкВт), что соответствует силе света в несколько милликандел (мкд). Светодиоды используется как средства сигнализации индикации в устройствах с оптической связью (оптронах) и в других случаях. Схемное обозначение светодиода показано на рис.17.

–14–

Фотодиод. Освещаемый светом р-n –переход мо­-жет работать в двух режимах: фотодиодном и в режиме генерации фотоЭДС. В фотодиодном р-n –переходе при освещении све­том высоко-

Рис.17. Схемное омной n-области генерируемые све­томдырки диф-

обозначение свето- фундируют к внутрен-нему р-n-переходу; диффу-

диода зия дырок ускоряется электричес­ким полем базо-

вой n-области, так как к пере­ходу приложено об-ратное напряжение. Устройст­во фотодиода и семейство вольт-амперных характеристик представлены на рис.18 а,б, на котором показано также схемное обозначение фотодиода. Как следует из вольт-амперных харак­теристик, чувствительность фотодиода составляет около (микроампера на люкс). Из рис.18,б также следует, что фотодиод мо­жет работать и без внешнего отрицательного смешения (т.е. при ) без заметного снижения чувствительности. При этом, однако, нес­колько увеличивается собственная (барьерная) емкость перехода и, следователь-но, несколько ухудшается быстродействие. Ток фотодиода, соответству-ющий при заданной освещенности , называют током короткого замыкания.

Рис.18. Устройство (а) и вольт-амперные характеристики фотодиода (б)

В режиме генерации фотоЭДС генерируемые светом электронно-дырочные пары вместе с генерируемыми термическим путем образуют на переходе разность потенциалов, эквивалентную контактной разности потенциалов. Последняя достигает у кремниевых диодов значения 0,5 В и остается такой при токе нагрузки фотодиода, не превышающем тока короткого замыкания. Параллельное включение тысяч или десятков тысяч диодов обеспечивает токи, пригодные для практических целей.

–15–

При использовании диодов в режиме генерации фотоЭДС спектральная чув­ствительность -диодов лежит в пределах от 0,5 до 1,8 мкм с мак-симумом около 1,4 мкм, а спектральная чувствительность -диодов от 0,6 до 1,0 мкм.

Биполярный точечный транзистор открыт в 1948 году У.Шокли, Дж. Бардином и У. Браттейном. В 1949 году У.Шокли предложил плоскост-ной транзистор, представляющий собой структуру, показанную на рис.19.а.Тонкая пластина п -германия или n-кремния содержит две р-об-ласти, расположенные друг против друга. Таким образам, получаются три электрода, называемые соответственно эмиттер Э, коллектор К и база Б. Вся структура называется в этом случав p-n-p и изображает­ся на схемах, как показано на рис.19,б

Рис.19. Структура (а) и изображение на схемах (б) биполярного точечного транзистора.

Аналогично понимается и структура n-р-n. Функция эмиттера состоит в инжекции (injection) неосновных носителей, т.е. дырок для р-n-р-транзи-стора и электронов для n-р-n-транзисторов, в базовую область. Функция коллектора состоит в собирании (collection) этих носителей после пере-мещения их через базовую область. Движение дырок или электронов, инжектированных через эмиттерный переход в базовую область, может быть диффузионным, дрейфовым или смешанным. При диффузии действующим является градиент концентрации носителей (химического потенциала), при дрейфе -градиент электрического по­тенциала. Соответ-ственно различают диффузионные и дрейфовые тран­зисторы, причем последние имеют ряд существенных особенностей. По­ка что будут рас-смотрены диффузионные транзисторы. Как следует из рис.19, транзи-сторная структура несимметрична, т.е. площадь коллек­торного перехода больше, чем площадь эмиттерного, что необходимо для эффективного собирания носителей. Рассмотрим далее для опреде­ленности n-р-n структуру. Ясно, что для использования транзис­тора в качестве актив-ного четырехполюсника требуется два контура, один из которых должен

–16–

включать эмиттерный переход, а другой - кол­лекторный. Соответствен-но получаются три схемы включения с общей ба­зой (ОБ), с общим эмит-тером (ОЭ) и общим коллектором (ОК), представленные на рис. 20.

Рис.20. Схемы включения биполярного транзистора: (а) – с общей базой, (б) – с общим эмиттером, (в) – с общим коллектором.

Для схемы ОБ входным параметром является ток открытого эмиттерного перехода , выходным - ток запертого коллекторного пере­хода или коллекторный потенциал отсчитанный относитель­но базы, причем . При этом и так как в этом слу-чае базовый ток представляет собой потери электронов, инжектирован-ных в базовую область и рекомбинированных там с дырками валентной зоны р-области. Следовательно или точнее(–коэф-фициент, близкий к единице). Если включить в коллекторную цепь до-статочно большую ЭДС то ясно, что и изменения коллекторного по-тенциала могут быть так­же значительными. С другой стороны, для задания тока можно ис­пользовать небольшую ЭДС .В целом схема ОБ усилива­ет напряжение и мощность, но принципиально не усиливает тока. Смысл усиления, как и всегда, состоит в том, что мощность, отдаваемая ис­точником в нагрузку , равно как и изменения этой мощности, определяются характером изменений эмит-терного тока , т.е. входного параметра.

Для схемы ОЭ отметим, прежде всего, что сама возможность управления транзистором базовым током обусловлена рекомбинацион-

–17–

ными потерями электронов в базе, при этом базовый ток есть ток элетро-нов, протекающих во внешнюю цепь через базовый омический контакт с уровней зоны p-области. Здесь, как и ранее, и и в общем случае имеет место усиление тока, напряжения и мощности.

Для схемы ОК усиливается ток и мощность, но принципиально не усиливается напряжение, так как изменения базового и эмиттерного потенциалов, как и сами эти потенциалы, всегда почти одинаковы,т.е.

. Схемы (рис.20) содержат только внешние (сторонние) ЭДС и токоограничивающие резисторы в цепях электродов транзис­тора, однако не содержат источников усиливаемых сигналов и внешних нагрузок. Для анализа таких схем используют статические входные и вы-ходные характеристики. Входная характеристика для схемы ОБ есть зависимость выходная характеристика

;соответственно для схемы ОЭ и для схемы ОК .Детально рассмотрим только ста-тические характеристики маломощного транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Входные и выходные характеристики транзистора представлены на рис.21.

Рис.21. Входные (а) и выходные (б) статические характеристики транзистора ОЭ

Эти характеристики определяют следующие дифференциальные пара-метры транзистора: входное сопротивление транзистора коэффициент передачи базового тока , выходное сопротивление транзистора или дифференциальное сопротивление коллекторного перехода . Все эти параметры легко определять графоаналитически. Коэффициент передачи

–18–

эмиттерного тока , характерный для схемы ОБ, определяется производ-ной . Соотношение между и сле­дует из формулы . Таким образом, если близко к единице, то тем более велико, чем ближе к единице. Строго говоря,существуют дифференциальные и статические значения . Статические значения определяются из очевидных соотношений откуда следует также .

Отметим также, что в точке В разность потенциалов падает настоль-ко, что , т.е. соответствует границе отпирания кол­лекторного перехода. Таким образом, все потенциалы становятся близ­ки друг другу, т.е., а транзистор, как иногда говорят, стягивается в точку (в эквипотенциальную точку). Такой режим называется режимом насы-щения, а токи соответственно коллекторным и базовым токами насыщения. При этом токи в схеме определяются не транзистором, а токоограничивающими резисторами.

Для анализа транзисторных схем по переменным составляющим . (сигналу) используются эквивалентные схемы, т.е. электротехничес­кие схемы, содержащие источники ЭДС или токов, которые могут быть про-анализированы обычными электротехническими приемами. Основ­ная эквивалентная схема, исторически предшествующая всем остальным, представлена на рис.22.а.Эта схема, очевидно, справедлива для включе-ния транзистора ОБ. Аналогичная схема для включения транзистора ОЭ представлена на рис.22,б.

Рис.22. Эквивалентные схемы транзисторов ОБ(а) и ОЭ(б).

Рассмотрим параметры транзисторов ОБ, ОЭ на основе эквивалентных схем, представленных на рис.22. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода определяется вольт-

–19–

амперной характеристикой перехода

откуда дифференцированием получаем при условии

и .

При = 25 мВ (T = 298 К) и = 10 мА имеем = 2,5 Ом. Таким обра-зом, величина как правило, достаточно мала. Омическое сопротивле-ние базы представляет собой сопротивление материала (“тела") базы от базового контакта Б до так называемой внутренней базовой точки Б, лежащей в базе у границы эмиттерного перехода (существование такой точки или, точнее говоря, поверхности у гра­ницы эмиттерного перехо-да, само собой разумеется, условно).Типо­вое значение составляет

100 Ом. Коэффициент передачи эмиттер­ного тока

как уже обсуждалось, по мо­дулю близок к единице и в общем случае является комплексным, что является следствием временного запаздыва-ния коллекторного тока относительно эмиттерного или, что эквивален-тно, наличия фазового сдви­га между этими токами (рис.22,а). Комплекс формально является внутренним сопротивлением токового генера-тора , причем диффе­ренциальное сопротивление коллекторного перехода для схемы ОБ весьма велико, типичное значение . Барьерная емкость коллекторного перехода составляет несколько десятков или сотен пикофарад (пФ). Постоянная времени вместе с частотными свойствами определяет частотные свойства транзистора.

Для схемы ОЭ (рис.22,б) коэффициент передачи базового тока обычно составляет несколько десятков или сотен. Кроме того, и

.Таким образом, постоянная времени коллекторной

цепи неизменна для схем ОБ и ОК, как этого и следовало ожидать. Коэф-фициент передачи в об­щем случае также является комплексным.

Из эквивалентных схем(рис.22 а,б)сразу видно, что транзистор ОБ не изменяет знака (т.е. не инвертирует полярность) входного (эмиттерного) перепада напряжения или не изменяет фазы синусоидаль­ного сигнала на ; так же ясно, что транзистор ОЭ инвертирует знак входного перепада или меняет фазу синусоидального сигнала на .

–20–

Входное сопротивление транзистора ОБ определяется как отноше­ние и, следовательно, весьма мало (единицы или десятки ом). Выходное сопротивление тран­зистора ОБ, определяемое по отношению к выходным зажимам схемы, (рис.22,а) складывается из и низкоомной комбинации . Та­ким образом, вы-ходное сопротивление приблизительно равно , т.е. очень велико. Для транзистора ОЭ входное и выходное сопротивления равны соответствен-но и . В целом для транзистора ОБ харак-терно очень низкое входное сопро­тивление и очень высокое выходное сопротивление, а для транзисто­ра ОЭ - относительно высокое входное (сотни ом) и не слишком высо­кое (единицы или десятки килоом) выход-ное сопротивления. Аналогич­но можно показать, что для схемы ОК зна-чение определяет вход­ное сопротивление, которое, таким образом, достаточно велико, а выходное сопротивление мало и определяется зна-чением При наличии резисторов для схем ОБ, ОЭ, ОК выход-ные сопротивления соответственно равны

Частотные свойства плоскостных диффузионных транзисторов. В пред-положении, что движение дырок, инжектированных через эмиттерный переход в базовую область, представляет собой чисто диффузионный процесс (это эквивалентно предположению об отсутствии в базовой области электрического поля), можно использовать фундаментальную формулу Эйнштейна для среднего квадрата диффузионного смещения час­тицы или молекулы за время t.

где D - коэффициент диффузии частицы. Для транзисторов меняются только обозначения, т.е. ( - толщина базы), ( - время диффузий).Это время практически и опреде­ляет верхнюю границу часто-ты передачи эмиттерного тока для схемы включения ОБ, т.е.

В действительности эта частота несколько выше, т.е.

Отметим,кроме того, что, как это следует из детального анализа, на частоте коэффициент передачи эмиттерного тока уменьшается по сравнению с низкочастотным значением раз или на 3 дБ.

Другим важным частотным параметром транзистора является час-

–21–

тота генерации

где ; - омическое сопротивление базы транзистора; - емкость коллекторного перехода. В последнем выраже­нии и, следовательно, частота обратно про-порциональна толщине базы. Физический смысл частоты генерации состоит в том, что она определяет предель­ные частотные возможности транзистора как активного четырехполюс­ника, т.е. генератора или уси-лителя мощности. Более детальный ана­лиз показывает, что на частоте генерации коэффициент усиления по мощности падает до единицы.

Оба частотных параметра и определяются прежде всего технологи-ческими возможностями изготовления тонких баз,имеющих одновремен-но стабильные объемные свойства. Кроме того, обе частоты зависят и от используемого полупроводникового материала. В част­ности, подвиж-ность и коэффициент диффузии дырок больше в германии, чем в крем-нии, что улучшает частотные свойства германиевых тран­зисторов по сравнению с кремниевыми. Однако более всего частотные свойства транзисторов связаны с толщиной базы.Для диффузионных транзисторов толщина базы обычно не превосходит 20-30 мкм, но у дрейфовых транзисторов она может доходить до 1-2 мкм. В целом у дрейфовых транзисторов за счет уменьшения пролетного времени , определяемого для дрейфового транзистора диффузией дырок в электрическом поле базовой области, и меньшей емкости Ск удается улучшить частотные свойства по частоте генерации на 2-3 порядка.

Вышеизложенные соображения относились к схеме включения транзи-стора ОБ. Для схемы включения OЭ частотная зависимость опре-деляет все частотные особенности схемы. Рис.23 поясняет, почему час-тотные свойства схемы ОБ лучше, чем частотные свойства схемы 0Э. На низких частотах, пока , эмиттерный и коллек­торный токи почти, синфазны (рис.23, а), однако на высоких частотах сдвиг фаз между и становится существенным (рис.23,6), поэтому даже если не слишком уменьшается по сравнению с низкочастот-ным значением ,коэффициент передачи базового тока уменьшается существенно. Со­ответствующая частота имеющая тот же смысл, что и , оп­ределяется так где .

–22–

Частотные свойства схемы ОК практически таковы же, как и частотные свойства схемы ОЭ.

Рис.23. Частотные свойства транзисторов в схемах ОБ (а) и ОЭ(б)

Полевые транзисторы. Первый полевой (канальный) транзистор пред-ложен У.Шокли в 1952 году. Конструкция, поясняющая принцип дей-ствия полевого транзистора с управляющим р-п -переходом или, проще, полевого транзистора с р-n-переходом, представлена на рис.24. Брусок из n-полупроводника с размерами a,b (b - в направлении, перпендику-лярном плоскости рисунка) и l, имею­щий два омических контакта И (исток) и С (сток), образует в направлении от стока к истоку канал для протекания тока. На бо­ковых гранях имеются два р-n-перехода, образу-ющие затвор 3. Зат­ворные р-n-переходы смещаются в запирающем направлении.

Рис.24. Конструкция полевого транзистора (а) и его схема включения (б).

Переносчиками тока в канале являются основные носители, т.е. электро-ны n-канала (рис.24) или дырки p-канала.По этой причине полевой тран-зистор называют ещё униполярным в отличие от биполярного (с инжек-цией через управляющий p-n-переход неосновных носителей) транзи-стора. Как и в биполярном транзисторе p-n-переходы несимметричны, т.е Pp>>nn. Поэтому при обратном смещении этих переходов область

–23–

пространственного заряда располагается в основном в высокоомной области, т.е. в канале. Границы этих облас­тей обозначены на рис.24 пунктиром. Поскольку ширина области d пропорциональна , то ясно, что ширина щелевого токового ка­нала минимальна вблизи стока. Это следует из того, что здесь об­ратное напряжение на р-n-переходе максимально. Нетрудно получить приближенные выражения для наи-большего напряжения на р-п -перехо­де, соответствующего отсечке тока стока, и сопротивления канала. Для толщины слоя объемного заряда имелось выражение , где для простоты принимается постоянным для любой точки канала. Кроме того, ширина канала . Из условия C=О нетрудно найти напряжение отсечки тока стока

и далее ввести напряжение отсечки в выражение для С:

Омическое сопротивление канала приближенно равно

При ,очевидно,, что соответствует запиранию транзи-стора. /( При - минимальное сопротивление канала. Для маломощного полевого транзистора =50 - 500 Ом. Максимальное сопротивление канала может доходить до сотен килоом. Напряжение отсечки тока стока, как правило, располагается в преде­лах от минималь-ного до максимального. Например, для транзистора типа КП103 с р-ка-налом , для КП103М = 2,8 - 7,0 В.

Транзистор в принципе допускает изменение полярности на обрат-ную. При этом (т.е. при < 0) запирающее напряжение макси­мально на участке р-п-перехода, примыкающем к истоку. Пусть, на­пример ,

, а если считать,что канал тран­зистора заперт в той части, которая примыкает к истоку, то потен­циал стока равен

=10 В и, следовательно, имеется инжекция через р-n-переход в канал. Протекание этого диодного тока в це­пи стока вызывает понижение (по абсолютной величине) потенциала стока, но не исключает самой инжек-ции. Поэтому при изменении полярности, т.е. при , величина не может быть большой.При полярность, очевидно, безраз-лична и транзистор становится симметричным.

–24–

Практически используются две статические характеристики тран­зистора: передаточная (стокозатворная) и выходная (стоковая) вольт-амперные характеристики (рис.25), т.е. соответственно зави­симости и рис.25,б обозначена линия нагрузки. .

Рис.25. Стокозатворная (а) и стоковая (б) статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходои и каналом n-типа.

На основе этих характеристик определяются крутизна стокозатворной характеристики внутреннее сопро­тивление транзистора и коэффициент усиления

. Величина дает предельно возможный коэффициент усиления напряжения, соответствующий беско­нечно большой нагрузке, т.е. холостому ходу на выходных зажимах схемы. Отметим также, что найденное выше сопротивление канала представляет собой отношение , в то время как внутреннее сопротивление есть дифференциальный параметр, харак­терный для усилительного режима. Напротив, в ключевом режиме, ког­да состояние транзистора изменяется между запертым и открытым (точки С и В на рис.25,6) именно сопротивление канала , а точнее отношение определяет качество ключа. Кроме того, , причем все три параметра должны соответство­вать одной точке семейства выходных характеристик. Крутизна S является основным усилительным параметром; она имеет размерность проводимости, измеряется в

мА.Схема, представленная на рис.26, является схемой с общим истоком. Схема с общим затвором практически не используется, так как

–25–

при этом в цепи затвора должен проте­кать ток, что сводит на нет основное преимущество полевого тран­зистора, т.е. отсутствие потребле-ния тока (и мощности) в цепи уп­равления. Схема с общим стоком строится так же, как и схема ОК на биполярном транзисторе (рис.27). та схема, называемая истоковым повторителем, принципиально не усили-

вает напряжения, как схема на транзисторе ОК. Для анализа схем с полевыми транзис-торами используется метод эквивалентных схем, предложенный русским ученым М.А. Бонч-Бруевичем в 1918. Полные эквивален-тные схемы для включения полевого тран-зистора с общим источником и с общим стоком представлены на рис.27. Входное активное сопротивление транзистора

весьма велико, его можно оценить

Рис.26. Истоковый как отношение где

повторитель – напряжение отсечки, - ток утечки

затвора. Например, для КП103 можно принять = 2В и = 2 нА, При этом получается . Ошибка в оценк не очень существен-на, так как входная ем-кость (для КП103 20 пФ) начинает заметно шунтировать уже на частоте 100 Гц. На схемах рис.27 обозначе-ны также проходная емкость (для КП103 = 8 пФ) и выходная ем-кость , в общем случае включающая в себя емкость нагрузки, емкость монтажа и междуэлектродную емкость .Со стороны выхода транзис-тор представляет собой генератор тока с внутренним сопротивле­нием , который можно заменить эквивалентнш генератором э.д.с.

Рис.27. Схемы включения полевого транзистора с общим истоком (а) и с общим стоком (б).

–26–

c тем же внутренним сопротивление, но выключенным последова-тельно. Эквивалентная схема позволяет просто отыскать все параметры транзисторного каскада. Например для схемы с общим истоком (рис.2,а) коэффициент усиления по напряжению как отношение напряжения на нагрузке к э.д.с. источника равен для низких частот

(принято , что обычно имеет место). Аналогично, для схемы с об­щим стоком (рис.27,б) коэф-фициент усиления по напряжению равен причем откуда

или ,(если как это практичес-ки и имеет место).Таким образом, <1 как это уже отмечалось выше. Кроме того, близок к единице (например, при S= 4 и = I КОм =4 =0,8), так что, каскад является истоковым повторителем.

Рис.28. Структура и схемное обозначение МДП транзисторов с встроенным (а) и индуцированным (б) каналами.

Наибольшее распространение получили полевые транзисторы с изоли-рованным затвором. В этих устройствах металлический затвор изоли-рован от канала пленкой , которая полностью исключает протекание тока в цепи затвора в силу огромного удельного сопротивле­ния , но хорошо "передает" потенциал, так как диэлектрическая проницаемость пленки достаточно мала (=3,8). Соответствующая стру-ктура называется МДП (металл-диэлектрик-проводник), МОП (металл-оксид-полупроводник) или МОS (metal-oxide-semiconductor).Различают две разновидности МОП-транзисторов:c встроенным каналом и с инду-цированным каналом (рис.28). МОП-транзистор с встроенным каналом содержит на подложке “П^”п-типа две контактные области р-типа, явля-ющиеся истоком и стоком, и р-канал между ними; металлический затвор изолирован от канала слоем полученным окислением кремния подложки. Разность потенциалов отрицатель­ная. При =0 канал имеет конечную проводимость и транзистор открыт; при >0 проводи-мость канала падает, а при<0 канал обогащается и ег проводимость

–27–

возрастает. Таким образом, стокозатворная характеристика транзистора качественно такая же, как и n-канального транзистора с р-n-переходом, но располага­ется в первом квадранте (рис.29,а). МОП-транзистор с инду-цирован­ным каналом (рис.29,б) не имеет заранее сформированного (встроен­ного) канала. При =0 проводимость канала, определяемая проводимостью подложки, мала и транзистор почти заперт; при <0 область р обогащается дырками, образуя канал с инверсным, т.е.p-типом, проводимости. Эта проводимоcть растет с ростом отрицатель­ного потен-циала затвора. Стокозатворная характеристика этого тран­зистора пред-ставлена на рис.29,6. В связи с этим транзистор с ха­рактеристикой рис.29, а называют иногда нормально открытым, а тран­зистор с характеристикой рис,29,б – нормально закрытым. Подключение

Рис.29. Стокозатворные характеристики МОП-транзистора с встроенным (а) и индуцированным (б) каналами p-типа.

подложки в схемах с МОП-транзисторами может быть различным, для транзисторов с встроенным каналом подложка обычно заземляется (в этом случае исключается шунтирующее влияние емкости "подложка-зем­ля") но может быть и свободной ("плавающей"). Для транзисторов с индуцированным каналом потенциал подложки имеет непосредственное значение для индукции канала проводимости. Наиболее типичный вари-ант - соединение подложки с истоком. В логических схемах с последова-тельным соединением МОП-транзисторов подложка подключается так, как показано на рис.30. Транзистор VТ2 с индуцированным n-ка­налом требует для открывания (отпирания) положительного потенциала за-твора, а транзистор VT1 с индуцированным р-каналом - отрица­тельного потенциала затвора относительно истока. Поэтому при =0 транзистор VТ2 заперт, а транзистор VT1 открыт и выходной по­тенциал равен на-пряжению питания, т.е. + 5В; при подаче = +5В открывается VT2 и запирается VTI, а выходной потенциал равен нулю. При таком включе-нии транзисторов, называемых комплементарными, сквозной ток равен

–28–

нулю, так как один из транзисторов заперт. Кроме того, подложка может подключаться к отдельному источнику. Например, для уверенного запирания транзистора с индуцированным n-каналом можно подключить подложку к источнику +E_n (обычно E_n =5 В).

Рис.30. Подключение подложки в комп-

лементарной паре МОП-транзистора.

2. Лабораторные работы

Лабораторная работа №1.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ.

Цель работы: изучение свойств полупроводниковых диодов разных типов путем снятия и исследования их вольт-амперных характеристик.

Порядок выполнения работы

1. Снять прямые вольт-амперные характеристики диодов.

2. Снять обратные вольт-амперные характеристики диодов.

3. По данным показаний построить характеристики всех исследуемых

диодов.

Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИКАПА

Цель работы: ознакомление с принципом работы варикапа, мето-дикой измерения его основных характеристик.

Порядок выполнения работы.

1.Снять амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) колебательного контура при отключенном варикапе.По результатам измерений опре-делить резонансную частоту контура , значение частоты, соответству-ющее уровню сигнала 0,7 от максимального значения и полосу пропускания , равную , добротность контура .

2. Снять АЧХ колебательного контура с подключенным варикапом.

–29–

По результатам измерений определить резонансную частоту контура с вари-капом и добротность контура. Рассчитать значение емкости варикапа по формуле ,

где 470 пФ – емкость контура;

3. Снять АЧХ колебательного контура с подключенным варикапом при различных значениях постоянного запирающего варикап напряжения.В каждом случае определить резонансную частоту и соответ-ствующее значение . Рассчитать значение емкости варикапа . Построить зависимость , где - запирающее варикап напряжение, равное I, 3, 5, 7 В. Опреде­лить значение добротности кон-тура с варикапом при различном запирающем напряжении и построить зависимость доб­ротности от частоты. Определить частотный диапазон используе­мого в работе варикапа.

Лабораторная работа №3

ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ В СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Цель работы: ознакомление с методиками построения характерис­тик биполярных транзисторов в схеме с общим эмиттером и определе­ние их основных параметров.

Порядок выполнения работы

1. Снять входные статические характеристики транзистора при .

2.Снять выходные статические характеристики транзистора

при .

3. Построить в прямоугольной системе координат семейства входных и выходных статических характеристик транзистора.

4. Определить по семейству входных характеристик входное сопротив-ление транзистора по формуле

5. Определить по семейству выходных характеристик коэффициент уси­ления по току по формуле

–30–

Лабораторная работа №4

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Цель работы; изучение принципа действия, снятие характеристик полевых транзисторов.

Порядок выполнения работы

1. Снять семейство стоковых характеристик при .

2.Снять стокозатворную характеристику при =

10 В.

3.Определить входное сопротивление на постоянном токе. Вычис-лить входное сопротивление по формуле измерив .

4.Определить входное сопротивление на частоте 1000 Гц. Вы­числить по Формуле измерив .