Лабораторная работа № 8
Тема: Транзисторы
Краткие теоретические сведения
Основы микроэлектроники. В современной микроэлектронике в основном используются три полупроводниковых материала: германий, кремний, арсенид галия. Удельное сопротивление их на порядок выше, чем у проводников. Количество свободных электронов в атомах кремния и германия очень мало (в среднем один на миллиард атомов).
Под воздействием электрического поля свободные электроны смещаются от "минуса" к "плюсу" (создают n-проводимость), n - negetivo - отрицательный. Положительный заряд атома, который появляется вследствие того, что на внешней орбите не хватает электрона, называется "дыркой". В полупроводниках дырки ведут себя подобно свободным электронам. Под воздействием электрического поля они упорядочено смещаются от "плюса" к "минусу" (создают p - проводимость), p – positivo - положительный. В чистом полупроводнике число свободных электронов и свободных дырок одинаково. В этих полупроводниках существует электронная и дырочная проводимость, образующая поток носителей заряда.
При добавке к германию атомы которого имеют 4-х валентных электрона вещества имеющего на внешней орбите 5- валентных электронов (например атом мышьяка) 5-валентный электрон окажется несвязанным, то есть становится свободным (избыточным) электроном. Такие полупроводники с избытком свободных электронов получили название полупроводники с электронной проводимостью или полупроводники n-типа. А примеси порождающие такой тип проводимости – донорными примесями.
Введение в 4-х валентный полупроводник 3-х валентного элемента (например, индия) приводит, наоборот к избытку дырок над свободными электронами. Такие полупроводники называются полупроводниками p-типа, а примеси дающие в полупроводнике избыток дырок называются акцепторными.
Устройство биполярного транзистора.
Транзистор представляет собой мини кристалл полупроводника в котором чередуются три области электронной и дырочной проводимости. При этом тип транзистора определяет последовательность областей:
n-p-n или p-n-p
центральная область называется базой рис. 8.1 а) и б)
а ) б)
рис. 8.1 Структура и схемное обозначение а) - n-p-n транзистора б) - p-n-p транзистора.
Область транзистора, которая инжектирует (испускает) носители в базу, называется эмитером. Область экстрагирующая (собирающая) носители из базы называется коллектором.
К каждой из областей припаяны выводы, при помощи которых прибор включается в схему.
Из рис. 8.1 видно, что в транзисторе имеется два p-n перехода: эмиттерный и коллекторный. Область базы представляет собой очень тонкий слой. Кроме того концентрация атомов примеси в области базы незначительна – во много раз меньше чем в эмиттере. Это является важнейшим условием работы транзистора.
Коллектор делают более массивным (он выдерживает большие тепловые нагрузки, чем эмиттер). Обычно переход база — эмиттер открыт, а в переходе база - коллектор образуется барьерный потенциал, величина которого зависит от тока базы. В свою очередь, уровень барьерного потенциала определяет величину коллекторного тока.
Отсюда
определяется основное свойство
транзистора - небольшой ток базы управляет
большим током
коллектора.
Где
– динамический коэффициент усиления
транзистора по току.
Существуют три основных режима работы транзистора:
1 . Режим отсечки - оба перехода эмиттер – база и база коллектор – закрыты. Ток через транзистор не проходит:
Ik = 0, Uk = Е0 где Е0 - напряжение источника питания.
2. Режим насыщения - оба перехода открыты:
Ik = Iнас Uk ~ 0
3. Динамический или активный режим - эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт.
Iнас > Ik > 0 E0 > Uk > 0
В усилителях и генераторах транзистор работает в активном режиме.
В режиме отсечки и насыщения работают цифровые схемы.
Изменение базового тока в небольших пределах приводит к изменению величины потенциального барьера в переходах эмиттер - база и база - коллектор.
Это приводит к изменению в более широких пределах тока коллектора, что и определяет свойство транзистора усиливать сигнал.