2014_4434

Инжектированный заряд электронов в базе n-p-n БТ определяется площадью под прямой n(x) . При увеличении Uкэ . толщина базы

уменьшается (эффект Эрли [1,3–6, 11–14]), следовательно, уменьшаются заряд электронов Qn и пропорциональный ему рекомбинацион-

ный ток.

Больший, чем в схеме с общей базой, наклон выходных характеристик при положительных напряжениях Uкэ объясняется тем, что ко-

эффициент передачи тока зависит от Uкэ сильнее, чем от Uкб .

2.3. Определение статических параметров модели Эберса–Молла

На рис. 2.5 изображена эквивалентная схема инжекционной модели Эберса–Молла для n-p-n биполярного транзистора [1, 3–6, 11–14].

В ней токи эмиттера, коллектора и базы, на основе первого закона Кирхгофа, описываются следующей системой выражений:

Iк Iэд Iкд,

Iэ Iэд I Iкд,

Iб (1 )Iэд (1 I )Iкд,

где Iэд и Iкд – токи эмиттерного и коллекторного диодов соответственно:

Параметрами представленной модели являются:

токи насыщения эмиттерного и коллекторного p–n-переходов:

Isэ и Isк ;

m-факторы эмиттерного и коллекторного p-n-переходов mэ и

mк , учитывающие их отличие от идеальных;

нормальный и инверсный коэффициенты передачи тока: и I . Так как верно равенство обратимости I Isк Isэ , то только три

из этих четырех параметров независимы.

21

Iэд Iкд

Б

Рис. 2.5. Эквивалентная схема n-p-n биполярного транзистора в инжекционной модели Эберса–Молла

Все перечисленные выше параметры инжекционной модели Э–М можно определить из статических вольт-амперных характеристик БТ на основании следующей методики.

Вначале по передаточным характеристикам Iк f ( Iб ;Uкэ -па- раметр) – нормальное включение и Iэ g ( Iб ;Uэк -параметр) – ин-

версное включение в соответствии с формулой (2.1) вычисляются коэффициенты передачи тока и I как угловые коэффициенты линей-

ных участков. Коэффициенты передачи тока и I , находятся по следующим формулам:

Здесь следует отметить, что на практике коэффициент определя-

ется гораздо проще и точнее, чем соответствующий ему коэффициент .

Для определения параметров p–n-переходов необходимо снять входные вольт-амперные характеристики исследуемого БТ для схемы с общей базой в режиме холостого хода (при обрыве третьего электрода), также при нормальном и инверсном включении транзистора:

– нормальное включение: Iэ(Uбэ) , коллектор оборван ( Iк 0 );

22

– инверсное включение: Iк(Uбк) , эмиттер оборван ( Iэ 0 ). Оче-

видно, что при инверсном включении в этом случае на основании модели Э–М верна цепочка соотношений

графически в соответствии с рис. 2.6 легко находятся параметры Iкб0 иmк , где Iкб0 – тепловой ток коллекторного перехода в режиме холостого хода.

В таких осях входная характеристика хорошо аппроксимируется

прямой линией ln Iк ln Iкб0 qUбк . Ясно, что тогда тангенс угла mкkT

наклона этой прямой определяет значение m-фактора соответствующе-

осью ординат будет соответствовать величине обратного теплового тока Iкб0 для коллекторного перехода.

Рассуждая аналогично для эмиттерного перехода, по зависимости

ln Iэ f (Uбэ) легко найти параметры Iэб0 иmэ .

И, наконец, значения токов насыщения эмиттерного и коллекторного диодов определяются по следующим соотношениям:

2.4. Описание лабораторной установки

Вольт-амперные характеристики БТ измеряются с помощью модульного учебного комплекса МУК-ФОЭ1 (см. приложение 1). Для выполнения лабораторной работы требуются: два микроамперметра, два вольтметра, генератор тока и генератор напряжения для входной базовой и выходной коллекторной цепи соответственно. Исследуемый кремниевый транзистор КТ808ГМ входит в состав универсального стенда СЗ-ЭЛ01 (см. приложение 1) и обозначен как VT1.

Принципиальная схема для измерений статических ВАХ БТ в нормальном включении с ОЭ изображена на рис. 2.7.

Лабораторная установка на базе учебного комплекса МУК-ФОЭ1 позволяет измерять входные, выходные и передаточные характеристики биполярных транзисторов в нормальном и инверсном включении с ОЭ и ОБ.

Входной базовый ток Iб в соответствии с рис. 2.7 задается генератором тока и контролируется микроамперметром A1 . Выходное

24

A1

Рис. 2.7. Схема измерений ВАХ биполярного транзистора по схеме с ОЭ в нормальном включении

а

б

Рис. 2.8. Схема измерений ВАХ биполярного транзистора по схеме с ОБ в режиме холостого хода:

а – с оторванным эмиттером; б – с оторванным коллектором

25

напряжение Uкэ задается генератором напряжения Eк и контролируется вольтметром V2 . Входное напряжение Uбэ измеряется вольтметром V1 , а выходной ток Iк – миллиамперметром mA2 .

Схема собирается соединительными проводами. В процессе сборки для сложных узлов следует использовать фрагменты общих шин, имеющихся на стенде СЗ-ЭЛ01. Студент может приступить к выполнению работы только после проверки собранной схемы преподавателем.

Инверсное включение получается путем замены электродов эмиттера и коллектора местами.

Схема для измерения ВАХ БТ в режиме холостого хода с оборванным эмиттером имеет вид, соответствующий показанному на рис. 2.8, а, а с оборванным коллектором – на рис. 2.8, б.

2.5. Порядок выполнения работы

1. Выписать из справочника предельно-допустимые параметры исследуемого БТ VТ1-КТ808ГМ.

2. Собрать схему для измерения входных и выходных ВАХ БТ в соответствии с рис. 2.7.

3. Семейство входных характеристик Iб(Uбэ) снять для Uкэ равно-

го 0 и 5 В. Здесь при измерении можно воспользоваться не генератором тока, а генератором напряжения, чтобы избавиться от начального смещения показаний приборов. Зависимости снимать до величины входного тока 20 мА с шагом не более 2 мА. Предел входного амперметра 20 мА, входного вольтметра 2 В. Предел выходного амперметра 200 мА, выходного вольтметра 20 В. Записать экспериментальные данные в соответствующую таблицу, построить графики зависимостей

иобъяснить их особенности.

4.Измерить семейство выходных характеристик Iк(Uкэ) . Значе-

ния Iб рекомендуется выбирать в соответствии с номером стенда (номер находится на боковой стенке корпуса): № 1) Iб = 100; 125 и 150 мкА;

№ 2) Iб = 1,5; 1,75 и 2 мА; № 3) Iб = 200, 300 и 400 мкА; № 4) Iб = = 0,5; 0,75 и 1 мА; № 5) Iб = 1, 1,25 и 1,5 мА. При измерении следует на начальном участке характеристик напряжение на коллекторе менять до 1 В с шагом 0,1 В, а затем записать еще три точки – Uкэ = 5, 10 и

15 В. Предел входного амперметра – выбирается исходя из величины входного тока согласно номеру стенда, входного вольтметра – 2 В.

26

Предел выходного амперметра – 200 мА, выходного вольтметра 20 В. Записать экспериментальные данные в соответствующую таблицу, построить графические зависимости и объяснить их особенности.

5. Снять передаточную характеристику Iк(Iб) при Uкэ = 1 В. За-

висимость снимать до величины входного тока 2 мА с шагом не более 0,2 мА. Записать экспериментальные данные в соответствующую таблицу, построить график зависимости и объяснить их особенности. По

углу наклона линейного участка определить коэффициент передачи , далее по формуле (2.2) вычислить .

6. Снять передаточную характеристику Iэ(Iб) при инверсном включении транзистора при Uэк = 1 В. Для этого поменять местами

выводы эмиттера и коллектора. Зависимость снимать также до величины входного тока 2 мА с шагом не более 0,2 мА. В процессе выполнения измерений следить за тем, чтобы предельное напряжение на эмиттерном переходе не было превышено и транзистор не переходил в режим лавинного пробоя. Записать экспериментальные данные в соответствующую таблицу, построить графическую зависимость и объяс-

нить ее особенности. Рассчитать коэффициенты передачи I и I .

После выполнения данного пункта контакты эмиттера и коллектора вернуть на место.

7. Снять входную характеристику Iэ(Uбэ) транзистора для схемы с

общей базой в режиме холостого хода с оборванным коллектором (см. рис. 2.8, б). Для этого необходимо в исходной схеме с ОЭ вывод коллектора (минус выходного амперметра) оставить неподключенным. Методика измерений аналогична п. 3.

8. Снять входную характеристику Iк(Uбк) транзистора для схемы с

общей базой в режиме холостого хода при инверсном включении БТ с оборванным эмиттером (см. рис. 2.8, а) аналогично п. 7. Для этого необходимо общий вывод эмиттера подключить к коллектору. Вывод коллектора (минус выходного амперметра) также остается неподключенным. Методика измерений аналогична п. 3.

9. Построить полученные в пп. 7 и 8 характеристики в логарифмическом масштабе по оси токов, как показано на рис. 2.6, и определить

параметры эмиттерного и коллекторного диодов Isэ , mэ , Isк , mк .

10. После экспериментального определения параметров модели Эбер- са–Молла необходимо проверить, выполняется ли равенство обратимости, приведенное на стр. 21. Результат проверки записать в отчет.

27

Контрольные вопросы

1.Объясните статические ВАХ биполярного транзистора в схеме с

ОЭ.

2.Опишите составляющие базового тока биполярного транзистора.

3.Объясните физическую суть эффекта Эрли.

4.Как меняется коэффициент передачи тока базы при увеличении тока коллектора?

5.Поясните понятия нормального и инверсного коэффициентов передачи тока.

6.Перечислите параметры инжекционной модели Эберса–Молла для БТ и запишите уравнения для токов.

7.Назовите эффекты высокого уровня инжекции и поясните, как они влияют на коэффициенты передачи токов.

8.Поясните, в чем состоит разница между токами Iэб0 и Isэ .

9.Получите на основании модели Эберса–Молла соотношение

(2.3).

10. Рассчитайте напряжение Uкэ при Iк = 0 мА, если Iэ = 1 мА,

= 0,98, I = 0,3, Isэ = 1 · 10–10 А, Isк = 2 · 10–10 А.

11. В каком направлении смещены эмиттерный и коллекторный пе-

реходы при измерении ВАХ в режиме холостого хода?

12.Покажите, что из модели Эберса–Молла в активном режиме работы БТ вытекает уравнение Iк Iб ( 1)Iкб0 .

13.Докажите равенство 1 1/ (1 ) .

14.Перепишите уравнения Эберса–Молла, считая Uбэ и Uбк зависимыми переменными, т. е. Uбэ f (Iэ, Iк) и Uбк g(Iэ, Iк) .

28

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПТУП

3.1. Цель и содержание работы

Цель работы – ознакомиться с ВАХ и основными дифференциальными статическими параметрами полевых транзисторов с управляющим затвором в виде p–n-перехода – ПТУП (в англоязычной литера-

туре используется сокращение JFET – Junction Field Effect Transistor).

В работе снимаются основные ВАХ ПТУП (передаточные и выходные) и по результатам измерений определяются статические дифференциальные параметры ПТУП: крутизна, выходная проводимость, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления по напряжению.

3.2. Принцип действия и основные свойства полевых транзисторов

3.2.1. Полевой транзистор с управляющим p–n-переходом

Конструктивная структура и условное графическое обозначение n-канального ПТУП изображены на рис. 3.1 [1, 3–6, 11–14].

Проводящий канал такого транзистора образуется в эпитаксиальной пленке n-типа, выращиваемой на кремниевой p-подложке. Верхний затвор G формируется с помощью стандартных технологических операций ионной имплантации и диффузии акцепторной примеси бора. Область пространственного заряда (ОПЗ), возникающая в p–n-пе- реходе затвора, определяет верхнюю границу канала. Подложка выполняет роль нижнего затвора, ограничивающего электрическую толщину проводящего канала снизу структуры. С целью уменьшения сопротивлений областей истока и стока их легируют донорной примесью до высоких уровней n+.

29

Рис. 3.1. Структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом:

S (Sourсe) – исток; D (Drain) – сток; G (Gate) – затвор; XY– оси координатной системы; d – толщина эпитаксиальной пленки; L – длина канала; a – металлургическая толщина канала; yG – глубина залегания управляющего p-n-перехода затвора

Полярность и величины всех прикладываемых напряжений обычно отсчитываются относительно истока. Поэтому потенциал истока принимается равным нулю, что соответствует наиболее распространенной схеме включения полевого транзистора – схеме с общим истоком (ОИ).

Принцип действия ПТУП основывается на регулировании электрической толщины канала напряжением на затворе: чем больше обратное

смещение UG , тем меньше электрическая толщина канала и, следова-

тельно, ток стока. При прикладывании определенного напряжения между контактами затвора и истока, называемого напряжением отсеч-

ки UG0 , ОПЗ затвора со стороны стока смыкается с ОПЗ p–n-перехода

канал/подложка, в результате чего канал полностью перекрывается и ток стока обнуляется. С целью регулирования напряжения отсечки канал зачастую дополнительно подлегируется [1, 3–6].

3.2.2.Основные количественные соотношения

вканале ПТУП

Если внешнее напряжение между затвором и истоком равно нулю, то ОПЗ создается контактной разностью потенциалов 0 p–n-перехода

затвор – канал.

Для однородно легированного канала с концентрацией доноров Nд и концентрацией акцепторов в затворе NаG :