МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КУМЕРТАУСКИЙ ФИЛИАЛ

Кафедра ЕНиОТД

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 94

«ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПЛОСКОСТНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО

ТРИОДА (ТРАНЗИСТОРА)»

Заведующий кафедрой ЕНиОТД

профессор, к.т.н. Даутов А.И.

Составил: старший преподаватель

Корниенко Л.М.

Кумертау

2009г.

Исследование свойств плоскостного полупроводникового

триода (транзистора)

Цель работы: Исследовать свойства плоскостного полупроводникового триода (транзистора).

Теория метода.

Инжекция носителей заряда

На рис. 1. Показан p-n переход, к которому приложена внешняя разность потенциалов в прямом направлении. Под действием

Этой разности потенциалов дырки переходят из полупроводника p в полупроводник n, электроны из n - в p. Дырки, перешедшие в полупроводник p, являются для него не основными носителями.

Встречаясь с электронами, они рекомбинируют. Точно так же электроны, перешедшие в полупроводник р, являются для него основными носителями, которые в конце концов рекомбинируют с дырками. Так как процесс рекомбинации носителей заряда происходит не мгновенно, то у границы р-n перехода происходит накопление не основных носителей: в электронном полупроводнике накопление дырок, в дырочном полупроводнике - электронов. Происходит как бы «впрыскивание» электронов в граничный слой полупроводника n. Поэтому это явление получило название инжекции носителей.

По мере удаления от границы р-n перехода происходит все более полная рекомбинация не основных носителей, вследствие чего их концентрация непрерывно уменьшается. Обозначим уменьшение концентрации за время dt через dn. Очевидно, dn будет пропорционально dt и концентрации n не основных носителей, так как с увеличением n увеличивается вероятность их встречи с основными носителями, приводящая к рекомбинации

-dn =1/τ ndt

где 1/τ - коэффициент пропорциональности.

Интегрируя это уравнение, получим

п = n₀e^-1/τ

где n₀ - концентрация не основных носителей заряда на границе р-n перехода.

Полагая 1 = τ , получим n/n₀=1/e . Следовательно, τ есть время, в течение которого концентрация носителей уменьшается в е раз. τ называется средним временем жизни носителей. За время жизни τ неосвоенные носители успевают продиффундировать на расстоянии L_D, называемое их диффузионной длиной. Для германия, легированного примесями, L_D измеряется десятыми долями миллиметра.

Для очень чистого германия L_D превышает 1мм.

Устройство и принципы действия Полупроводниковых триодов

Полупроводниковый триод (английское название - транзистор) - это комбинация двух параллельных взаимодействующих р-n переходов, расположенных в пределах диффузионной длины не основных носителей. Разработан в 1949-1950 гг. американским физиком Шокли.

Полупроводниковый триод может осуществлять усиление и генерирование электрических сигналов и выполнять ряд других функций. Различают два типа плоскостных полупроводниковых триодов: p-n-р типа и n-p-n типа. Наибольшее распространение получил прибор p-n-р типа. Поэтому мы рассмотрим его подробно.

Энергетическая диаграмма транзистора p-n-р типа в отсутствии внешнего напряжения изображена на рис. 2. Левый

Полупроводник р типа рассматриваемого триода является источником носителей заряда (дырок), поэтому он называется эмиттером. Средний полупроводник n типа называется базой, так как он является основой, на которой конструктивно собирается весь триод. Правый полупроводник р типа собирает заряды, идущие из эмиттера через базу, поэтому он называется коллектором. Р-n переходы, образующиеся на границе эмиттер-база и коллектор-база, называются эмиттерными и коллекторными переходами соответственно. Условные обозначения полупроводниковых триодов p-n-р и n-р-n типов, принятые в радиотехнике, приведены на рис.3 (а и б) соответственно. Следует отметить, что при изготовлении полупроводниковых триодов в области эмиттера создают большую концентрацию акцепторов, а в базе - значительно меньшую концентрацию доноров и в коллекторе еще меньшую концентрацию акцепторов. Следовательно, концентрация свободных дырок в эмиттере (Р_э) значительно больше, чем концентрация свободных электронов в базе П_б. Большое влияние на работу транзистора оказывает толщина базового полупроводника (толщина базы).

Толщину базы делают значительно меньше диффузионной длины (L₀) не основных носителей, чтобы рекомбинация не основных носителей в базе была минимальной. Так как L_D « 0.2мм, то толщину базы делают равной нескольким десяткам микрон.

Рассмотрим принцип работы транзистора. Для нормальной работы полупроводникового триода на р-n переход эмиттер- база R_эб падает.

На переход коллектор-база подается постоянное обратное напряжение (от нескольких вольт до десятков вольт). В этом случае высота и ширина потенциального барьера на коллекторном р-n переходе увеличивается и, следовательно, его сопротивление Rkb возрастает. При этих условиях всегда R_{э б}^<<R_кб схема включения транзистора приведена на рис.4.

Энергетическая диаграмма транзистора с p-n-р структурой при прямом напряжении на эмиттере и обратном напряжении на коллекторе (правильное включение транзистора) изображена на рис.5.

Так как под действием э.д.с. батареи, включенной в цепь эмиттера, высота потенциального барьера эмиттерного р-n перехода уменьшилась, то из эмиттера в базу через р-n переход устремится поток дырок. В базе поэтому будет создаваться повышенная, по сравнению с равновесной, концентрация не основных носителей (дырок).

Эти избыточные дырки, попавшие в базу из эмиттера, диффундируют в ней по всем направлениям, при этом часть их рекомбинирует с электронами базы, а оставшиеся доходят до коллекторного р-n перехода.

Навстречу потоку дырок из эмиттера будет идти поток электронов из базы. Этот поток значительно меньше потока дырок из эмиттера, поскольку Р_э » П_б. Поэтому эмиттерный ток 1^ будет определяться, главным образом, потоком дырок, идущим из него в базу. А поток электронов из базы эмиттер создает очень небольшой ток базы 1_б.

Рассмотрим коллекторный ток Ik, дырки, которые дошли до коллекторного р-n перехода, ускоряются обратным напряжением и беспрепятсвенно попадают в коллектор, создавая ток коллектора. Величина коллекторного тока определяется потоком дырок из эмиттера, дошедших до коллекторного р-n перехода. Этот поток уменьшается за счет рекомбинации дырок с электронами базы на малую величину, так как диффузионная длина L_D на много больше толщины базы.

Обычно

Ik=0, 98 I_э ÷ 0, 95 I_э (1)

Полупроводниковый триод может быть включен тремя основными способами:

1. включение по схеме «с общей базой» (рис.4 и рис.6);

2. включение по схеме «с общим эмиттером» (рис. 7);

3. включение по схеме «Эмиттерный повторитель».

Рассмотрим включение триода по схеме «с общей базой» (рис. 6). В схеме «с общей базой» источник переменного сигнала включается в цепь эмиттера, т.е. I_э является входным током, а выходным током, как видно из рис.6. является ток коллектора Ik. Пусть эмиттерный ток изменился на величину ∆ I_э ; так как между I_э и Ik выполняется соотношение (1), то ∆ Ik (0,98 + 0,95) ∆ I_э. Тогда коэффициент усиления по току, определяемый как отношение изменения выходного тока к изменению входного тока, для схемы с общей базой» будет равен

а = ∆ Ik \ ∆ I_э ≈ (0,98 ÷ 0,95) < 1 (2)

(а - коэффициент усиления по току). Отсюда видно, что усиление по току в схеме «с общей базой» получить нельзя, но можно получить усиление по напряжению и по мощности. Коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение изменений выходного и входного напряжений. В схеме «с общей базой» входным напряжением является напряжение U_кб. Тогда коэффициент усиления по напряжению схемы «с общей базой» К_u определяется по формуле

К_u= ∆ U_кб \ U_эб = (∆ Ik \ ∆ I_э) ∙ ( R_кб \ R_эб) ≈ R_кб \ R_эб >>1 (3)

с учетом (2) и условия, что R_кб^>>Rэб. Коэффициент усиления по напряжению при включении по схеме «с общей базой» больше единицы, следовательно, возможно усиление сигнала по напряжению.

Найдем коэффициент усиления по мощности Кр:

Кр = dPk / dPэ = (2I_kR_кбd Ik) / (2I_эR_эбdI_э) = ( Ik \ I_э)K_Uα (4)

Если

P_з = I²_зR_эб и Р_к = Ik ²R_кб

Так как Ik ≈ I_э то из формулы (4) получаем, что Кр= K_UL, т.е. коэффициент усиления по мощности равен произведению коэффициентов усиления по напряжению и току.

В отличие от схемы «с общей базой» в схеме «с общим эмиттером» переменный сигнал подается в цепь базы. При таком включении оказывается возможным усилением сигнала как по току, так и по напряжению.

Рассмотрим принцип работы схемы с общим эмиттером, приведенной на рис. 7. для любого момента времени выполняется следующее равенство:

I_э = Ik + I_Б (5)

Так как в цепь базы включен источник переменного сигнала, то высота эмиттерного р-n перехода будет меняться, что приведет к изменению потока носителей и эмиттера в базу, т.е. к изменению тока эмиттера I_э

Пусть эмиттерный ток изменится на величину ∆ I_э, ток коллектора I_к изменится на величину∆ I_к, а ток базы I_Б, и в соответствии с равенством (5) можно записать

∆ I_э = ∆ I_к + ∆ I_Б

откуда получим, что

∆ I_Б = ∆ I_э − ∆ I_к (6)

Так как а = ∆ I_к \ ∆ I_э и следовательно, ∆ I_R = а∆1_э, то подставляя ∆ I_к в равенство (6) находим

∆ I_Б = ∆ I_э (1-α) или ∆ I_э = ∆ I_Б\(1-α) (7)

∆ I_к = а∆1_э =α \ (1-α)∙ ∆ I_Б

Отсюда видно, что изменяя величину тока базы, мы управляем током эмиттера и током коллектора. Найдем, каков коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером. В схеме с общим эмиттером входным током является ток базы I_Б, так как источник переменного сигнала включен в цепь базы, а выходным - ток коллектора 1_к. Тогда коэффициент усиления по току β в схеме с общим эмиттером определяется по формуле

β =∆ I_к \ ∆ I_Б (8)

подставляя ∆ I_к из (7), находим, что

Так как а = 0,95 + 0,98, то следует, что

β = α \ (1-α) (9)

и значит, усиление по току в схеме с общим эмиттером возможно.

Найдем коэффициент усиления по напряжению. Для схемы с общим эмиттером (рис.7) U_кб - выходное напряжение, снимаемое с сопротивления нагрузки; U_бэ - входное напряжение. Тогда К_U для схемы с общим эмиттером будет равен

К_U = ∆U_кэ \ ∆U_БЭ (10)

Так как ∆U_кэ » ∆U_БЭ , то следует, что К_U »1, т.е. в схеме общим эмиттером получается ускорение и по напряжению.

Коэффициент ускорения транзистора мощности КР при включении по схеме с общим эмиттером определяется аналогично включению транзистора по схеме с общей базой:

К_P = β К_U (11)

так как β > 1, К_U в схеме с общей базой и в схеме с общим эмиттером приблизительно одинаковы, то следует, что при включении триода в схеме с общим эмиттером коэффициент усиления возрастает приблизительно в β раз.