Лаба 1. 1. Модель – некоторое идеализированное

представление элемента, учитывающее базовый физический принцип

действия и основные паразитные влияния. Яркий пример – идеальный вентиль. Модели могут быть представлены аналитически (формулой), эквивалентной схемой, содержащей, как правило, только простейшие элементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, идеальные источники тока и напряжения), либо графически – в виде графически построенной основной

характеристики.

2. КС156А – кремниевый (К) стабилитрон (С) малой мощности (1) и напря-

жением стабилизации 5.6 В (56) и модификации А;

1Д507Б – германиевый (1) импульсный (5) диод (Д) порядковым номе-

ром разработки 07 и модификации Б.

3.

4.

5.

6. Зависимость ёмкости от напряжения называется вольт–фарадной характеристикой.

первостепенное значение для варикапов.

7.  Полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо проводят в обратном. Т.е. при нарастании прямого напряжения ток так же увеличивается , а при нарастании обратного напряжения ток практически не изменяется.

8.

9.

10.Стабилитрон

11.

Лаба 2.

Левая n-область полупроводника называется эмиттерной (она инжектирует электроны), правая n-область называется коллекторной (она собирает электроны), а средняя область называется базовой (она является общей для эмиттерной и коллекторных областей полупроводника). Изучим принцип усиления биполярного транзистора, для чего обратимся к рисунку 4.2, на котором изображено движение носителей заряда в транзисторе p-n-p структуры, включённом по схеме с общей базой. На нём протяжённости областей отражены без соблюдения масштаба и реальных размеров.

1. 

2. Между базой и коллектором лежит коллекторный переход, а между базой и эмиттером – эмиттерный переход. В области базы транзистора концентрация носителей заряда чрезвычайно низка, а, следовательно, её проводимость очень мала. В области коллектора концентрация и проводимость намного больше, чем в области базы, а в области эмиттера несколько выше, чем в области коллектора. Таким образом, концентрации носителей зарядов в областях транзисторов существенно отличаются

Усиление или генерация колебаний транзисторами связана с инжекцией носителей зарядов обоих типов.

3. Если мысленно прикрыть любую из крайних областей транзисторов, изображенных схематически на (рис.1). Что получилось? Оставшиеся две области есть не что иное, как плоскостной диод. Если прикрыть другую крайнюю область, то тоже получится диод. Значит, транзистор можно представить себе как два плоскостных диода с одной общей областью, включенных навстречу друг другу. Только при таком включении область эммитора и коллектора должны иметь одинаковые свойствами.

4. По технологии изготовлени транзисторы делятся на сплавные, планарные, а также диффузионно-сплавные, мезапланарные и эпитаксиально-планарные.

К онструктивно биполярные транзисторы оформляются в металлических, пластмассовых или керамических корпусах.

5. Усиление или генерация колебаний транзисторами связана с инжекцией носителей зарядов обоих типов. Те компоненты, в которых перемещение носителей зарядов возникает по большей части за счёт диффузии, называют диффузионными транзисторами, а если за счёт дрейфа – то дрейфовыми транзисторами.

В диффузионных транзисторах неосновные носители заряда проходят область базы за счёт теплового движения. Чтобы диффузионный транзистор мог обладать высокой граничной частотой усиления, необходимо выполнить область базы как можно меньшей толщины, однако в результате этого её сопротивление будет велико. Если попробовать увеличить её проводимость благодаря легированию, то возрастёт ёмкость коллекторного перехода, что ухудшит частотные свойства транзистора.

В дрейфовых транзисторах создают такое неравномерное распределение примесей в области базы, чтобы концентрация примеси в зоне прилегания базы к эмиттеру была ориентировочно от 2-х до 4-х порядков выше, чем в зоне прилегания базы к коллектору. Благодаря этому неосновные носители заряда будут быстрее преодолевать базу под действием укоряющего поля коллекторного перехода, что позволяет дрейфовым транзисторам иметь более высокую граничную частоту усиления сигнала, чем диффузионным транзисторам. А сопротивление области базы мало даже при небольшой её толщине благодаря легированию места прилегания базы к эмиттеру. Некоторые дрейфовые транзисторы предназначены для усиления и генерации СВЧ сигналов и могут работать на частотах в несколько десятков гигагерц.

6. Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

7. Электрод базы располагается ближе к эмиттеру, а ширина базы зависит от частот­ного диапазона транзистора и с повышением частоты уменьшается,при увеличении обратных напряжений ширина n-p- переходов увеличивается, а ширина базы уменьшается. Зависимость ширины базы от величины обратного напряжения на коллекторе называется эффектом модуляции ширины базы или эффектом Эрли. (Аналогичный эффект в эмиттерном переходе интереса не представляет, так как на эмиттерный переход не подают больших обратных напряжений). 

Эффект Эрли — влияние обратного напряжения на коллекторном переходе на токи биполярного транзистора. Тем самым, данный эффект уточняет модель работы биполярного транзистора, и не позволяет рассматривать последний в виде идеального усилителя тока.

Этот эффект проявляется в зависимости дифференциального сопротивления от напряжения U_k в активном режиме работы транзистора.

Механизм возникновения зависимости в p-n-p транзисторе следующий:

• при изменении напряжения на коллекторе изменяется ширина обеднённой области p-n перехода;

• последнее способствует изменению ширины базы;

• изменение базы приводит к изменению коэффициента передачи эмиттерного тока.

8. На диапазон рабо­чих частот транзисторов оказывают влияние следующие параметры:

— время пролёта неосновных неравномерных носителей в области базы от эмиттерного перехода до коллекторного;

— ёмкости эмиттерного С_э и коллекторного С_к переходов;

— объёмное сопротивление базы r_б^’, определяемое её геометрическими размерами.

Для улучшения частотных свойств (повышение предельной частоты) необходимо:

1. Уменьшить время пролёта носителей через базу, т. е.

а) уменьшить ширину базы;

б) использовать n-p-n-транзисторы, так как подвижность электронов больше, чем у дырок;

в) использовать германиевые транзисторы, так как в германии подвиж­ность носителей выше, чем в кремнии. Большие возможности открывает применение арсенида галлия.

2. Снижение емкости эмиттерного и коллекторного переходов.

3. Снижение объёмного сопротивления базы.

Однако эти условия противоречивы. Для уменьшения времени пролёта носителей необходимо уменьшить ширину базы, но при этом возрастает сопротивление базы. Уменьшение удельного сопротивления базы за счёт увеличения концентрации примеси приводит к уменьшению ширины кол­лекторного перехода и увеличению ёмкости коллекторного перехода.

Удачным решением проблемы является увеличение скорости переме­щения носителей с помощью ускоряющего электрического поля в базовой области. Этот принцип положен в основу дрейфовых транзисторов.  В дрейфовых транзисторах n-p-n-типа концентрация примесей в эмиттерной стороне базы в 100 раз больше, чем около коллектора. Из-за наличия гра­диента концентрации примесей (а, следовательно и дырок) основные но­сители в базовой области — дырки начинают диффундировать в направле­нии коллекторного перехода. Однако, в отличии от диффузии неосновных носителей, смещение основных оставляет нескомпенсированные заряды ионов акцепторной примеси. В результате возникает электрическое поле и устанавливается динамическое равновесие: действие градиента концен­трации уравновешивается действием электрического поля. Направление электрического поля в базе является ускоряющим для электронов, движу­щихся от эмиттера к коллектору (плюс у коллектора, минус у эмиттера). Кроме того, при наличии сильно легированного базового слоя вблизи эмиттерного перехода, сопротивление тела базы получается малым даже при тонкой базе. Одновременно малая концентрация примесей вблизи коллекторного перехода приводит к значительному уменьшению ёмкости последнего.

В результате дрейфовые транзисторы могут работать в СВЧ-диапазоне (граничные частоты достигают 10 ГГц).

9. 

Схема включения биполярного транзистора с ОЭ: а – принципиальная схема; б – эквивалентная схема

Недостатки: Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

Схема включения биполярного транзистора с ОК: а – принципиальная схема; б – эквивалентная схема

Недостатки: Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.

10. Классическая модель Эберса - Молла

Классическая модель Эберса - Молла базируется на эквивалентной схеме, изображенной на рис. 3.15. От передаточной модели классическая отличается тем, что составляющие токов транзистора сгруппированы иначе. Переходы транзистора представлены изолированными диодами, токи которых i ₁ и i ₂ определяются напряжениями u _эп и u _кп соответственно: , (3.21)

где   и  . (3.22)

Тепловые токи I_ЭБК и I_КБК имеют следующий смысл:

• I_ЭБК - это тепловой ток эмиттера в схеме с общей базой при u_КП = 0 ( замыкании выводов коллектора и базы).

• I_КБК - тепловой ток коллектора в схеме с ОБ при u_ЭП=0.

Формально тепловые токи соответствуют токам переходов при обратных напряжениях, много больших u _т. Однако реально измеряемые обратные токи переходов транзистора окажутся гораздо больше за счет токов генерации в переходах и токов утечки. (Аналогичная ситуация рассматривалась при анализе p-n-перехода). Поэтому определить значения тепловых токов транзистора можно только по результатам измерений при прямых напряжениях на переходах. Взаимодействие переходов отражено путем введения в эквивалентную схему генераторов тока a i₁ и a _I i₂ .

Соответственно токи в цепях каждого электрода можно рассчитать по формулам:   . (3.23)

11. Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I_к = α I_э) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10..1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

Физический смысл коэффициента диффузии D: если -=1, В = 1 и = 1, то m = D, т.е. коэффициент диффузии численно равен массе диффундирующего вещества, когда градиент концентрации, площадь сечения диффузионного потока и время равны единице. 

Рис. 1 - Схема включения транзистора с общим эмиттером

• Большой коэффициент усиления по току

• Большой коэффициент усиления по напряжению

• Наибольшее усиление мощности

Рис. 2 - Схема включения транзистора с общей базой

• Малое усиление по току, так как α < 1

• Малое входное сопротивление

Рис. 3 - Схема включения транзистора с общим коллектором

• Большое входное сопротивление

• Малое выходное сопротивление

• Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.

Система h-параметров

Система h-параметров используется как комбинированная система из двух предыдущих, причем из соображений удобства измерения параметров биполярного транзистора выбирается режим короткого замыкания на выходе (U₂ = 0) и режим холостого хода на входе (I₁ = 0). Поэтому для системы h-параметров в качестве входных параметров задаются ток I₁ и напряжение U₂, а в качестве выходных параметров рассчитываются ток I₂ и напряжение U₁, при этом система, описывающая связь входных I₁, U₂ и выходных I₂, U₁ параметров, выглядит следующим образом:

8. 

Значения коэффициентов в уравнении для h-параметров имеют следующий вид:

 - входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;

 - выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи;

 - коэффициент обратной связи при холостом ходе во входной цепи;

 - коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе.

Эквивалентная схема четырехполюсника с h-параметрами приведена на рисунке 5.24а, б. Из этой схемы легко увидеть, что режим короткого замыкания на выходе или холостого хода на входе позволяет измерить тот или иной h-параметр.

Рис. 5.24. Эквивалентная схема четырехполюсника: а) биполярный транзистор в схеме с общей базой; б) биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером

Рассмотрим связь h-параметров биполярного транзистора в схеме с общей базой с дифференциальными параметрами. Для этого воспользуемся эквивалентной схемой биполярного транзистора на низких частотах, показанной на рисунке 5.24а, а также выражениями для вольт-амперных характеристик транзистора в активном режиме. Получаем:

Для биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (рис. 5.24б) выражения, описывающие связь h-параметров с дифференциальными параметрами, будут иметь следующий вид:

Для различных схем включения биполярного транзистора (схема с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором) h-параметры связаны друг с другом. В таблице 2 приведены эти связи, позволяющие рассчитывать h-параметры для схемы включения с общей базой, если известны эти параметры для схемы с общим эмиттером.

Таблица 2. Связи между h параметрами

Дифференциальные параметры биполярных транзисторов зависят от режимов их работы. Для схемы с общим эмиттером наибольшее влияние испытывает коэффициент усиления эмиттерного тока h_21э в зависимости от тока эмиттера. На рисунке 5.25 приведена эта зависимость для транзисторов КТ215 различных типономиналов. В области малых токов (микромощный режим) коэффициент усиления уменьшается вследствие влияния рекомбинационной компоненты в эмиттерном переходе, а в области больших токов (режим высокого уровня инжекции) - коэффициент усиления уменьшается вследствие уменьшения коэффициента диффузии.

14. Для анализа работы транзистора в усилительных устройствах в активном режиме часто используют физические и формализованные модели транзистора при заданных значениях постоянных напряжений и токов, совокупность которых определяет режим работы транзистора по постоянному току (или так называемую «рабочую точку»), для небольших (малых) изменений переменных токов и напряжений в окрестности этой рабочей точки. Именно для этих малых изменений переменных и строятся малосигнальные модели транзистора. Одной из физических малосигнальных моделей является модель, основой которой является модель Эберса-Молла с двумя источниками тока. 

При переходе к малосигнальной схеме можно ограничиться рассмотрением наиболее распространенного нормального активного режима, так как результаты легко перенести и на инверсный активный режим. В этом случае можно исключить генератор тока и малосигнальную модель БТ для схемы включения с ОБ изобразить, как на рисунке

15.   Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (I_ЭБО) И коллектора (I_КБО). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

    Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками U_ЭБ и U_КБ. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (I_Э.нас) и коллектора (I_К.нас).

   Для усиления сигналов применяется активный режим работы транзистора.     При работе транзистора в активном режиме его эмиттерный переход включается в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях.