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 +En (обычно En =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 .