Биполярные и полевые транзисторы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа

Биполярные и полевые транзисторы.



ВВЕДЕНИЕ

Цель работы.

Снятие и анализ входных и выходных характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером и определение по ним его h-параметров; исследование выходных характеристик полевого транзистора в схеме с общим истоком и построение его стоко-затворной характеристики.

Приборы и принадлежности.

1). ПК с становленным ПО National Instruments.

2). NI ELVIS II.

Теоретические сведения.

Транзистор - это полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десяти гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт).

Различают биполярные транзисторы, в которых используются кристаллы n- и p-типа, и полевые (униполярные) транзисторы, изготовленные на кристалле германия или кремния с одним типом проводимости.



1. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Биполярные транзисторы - это полупроводниковые приборы, выполненные на кристаллах со структурой p-n-p-типа (а) или n-p-n-типа (б) с тремя выводами, связанными с тремя слоями (областями): коллектор (К), база (Б) и эмиттер (Э) (рис. 1, а и б). Ток в таком транзисторе определяется движением зарядов двух типов: электронов и дырок. Отсюда его название - биполярный транзистор.

Рис. 1

Физические процессы в транзисторах p-n-p-типа и n-p-n-типа одинаковы. Отличие их в том, что токи в базах транзисторов p-n-p-типа переносятся основными носителями зарядов - дырками, а в транзисторах n-p-n-типа - электронами. Каждый из переходов транзистора - эмиттерный (Б-Э) и коллекторный (Б-К) можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

режим отсечки - оба p-n-перехода закрыты, при этом через транзистор протекает сравнительно небольшой ток , обусловленный неосновными носителями зарядов;

режим насыщения - оба p-n-перехода открыты;

активный (усилительный) режим - один из p-n-переходов открыт, а другой закрыт.

В режимах отсечки и насыщения управление транзистором практически отсутствует. В активном режиме транзистор выполняет функцию активного элемента электрических схем усиления сигналов, генерирования колебаний, переключения и т. п.

Подав отрицательный потенциал ЭДС источника на коллектор и положительный на эмиттер (рис.1, в) в схеме включения транзистора п-р-п-типа с общим эмиттером (с ОЭ), мы, тем самым, открыли эмиттерный переход Э-Б и закрыли коллекторный Б-К, при этом ток коллектора мал, он определяется концентрацией неосновных носителей (электронов в данном случае) в коллекторе и базе.

Если между эмиттером и базой приложить небольшое напряжение (0,3…0,5 В) в прямом направлении p-n-перехода Э-Б, то происходит инжекция дырок из эмиттера в базу, образуя ток эмиттера . В базе дырки частично рекомбинируют со свободными электронами, но одновременно от внешнего источника напряжения (Е_Б < Е_К) в базу приходят новые электроны, образуя ток базы .

Так как база в транзисторе выполняется в виде тонкого слоя, то только незначительная часть дырок рекомбинирует с электронами базы, а основная их часть достигает коллекторного перехода. Эти дырки захватываются электрическим полем коллекторного перехода, являющегося ускоряющим для дырок. Ток дырок, попавших из эмиттера в коллектор, замыкается через резистор и источник напряжения с ЭДС образуя ток коллектора во внешней цепи.

Токи транзистора в схеме включения с ОЭ (см. рис. 1, в), работающего в активном режиме, связаны уравнением

.



Отношение тока коллектора к току эмиттера называют коэффициентом передачи тока ,

откуда ток базы

где I_K0 = 0,1…10 мкА у кремниевых и I_K0 = 10…100 мкА у германиевых транзисторов

Схема включения транзистора с ОЭ является наиболее распространенной вследствие малого тока базы во входной цепи и усиления входного сигнала как по напряжению, так и по току.

Транзистор может работать на постоянном токе, малом переменном сигнале, большом переменном сигнале и в ключевом (импульсном) режиме.

Основные свойства транзистора определяются соотношениями токов и напряжений в различных его цепях и взаимным их влиянием друг на друга. На рис. 2 представлены семейства входных (а) и выходных (б) статических характеристик транзистора в схеме с ОЭ. Они могут быть получены в результате эксперимента или расчёта.

Семейства характеристик, которые связывают напряжения и токи на выходе с токами и напряжениями на входе, называют характеристиками передачи или управляющими характеристиками. В качестве примера на рис. 2, в приведена управляющая характеристика по току транзистора (коэффициент передачи тока) при напряжении , т. е.

.



Рис 2.

Входные и выходные характеристики транзистора обычно приводятся в справочниках (каталогах) транзисторов, которые широко используют для анализа работы транзисторов и для расчета схем при больших сигналах.

В режиме усиления малых сигналов транзистор в схеме с ОЭ часто представляют в виде линейного четырехполюсника, входные и выходные параметры которого связаны следующими уравнениями:

;

где () входное динамическое сопротивление транзистора (h_11Э = 100…1000 Ом); () безразмерный коэффициент внутренней обратной связи по напряжению, значение которого лежит в пределах 0,002…0,0002 (при расчётах им часто пренебрегают, т. е. полагают равным нулю); () коэффициент передачи (усиления) тока при постоянном напряжении на коллекторе; его также обозначают или ;

() выходная проводимость транзистора при постоянном токе базы (h_22Э = См).

Параметры схемы замещения транзистора с ОЭ в h-форме определяют по его входным и выходным характеристикам (см. рис. 2).

2. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор это полупроводниковый прибор, в котором ток стока (С) через полупроводниковый канал п- или р-типа управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором (З) и истоком (И). Полевые транзисторы изготавливают:

с управляющим затвором типа p-n-перехода для использования в высокочастотных (до 12…18 ГГц) преобразовательных устройствах. Условное их обозначение на схемах приведено на рис. 3, а и б;

с изолированным (слоем диэлектрика) затвором для использования в устройствах, работающих с частотой до 1…2 ГГц. Их изготавливают или со встроенным каналом в виде МДП-структуры (см. их условное обозначение на рис. 3, в и г), или с индуцированным каналом в виде МОП-структуры (их условное обозначение на схемах дано на рис. 3, д и е).

Рис. 3

Схема включения полевого транзистора с затвором типа p-n-перехода и каналом n-типа, его семейство выходных характеристик I_С = f(U_С), U_З = = const и стоко-затворная характеристика I_C = f(U_З), I_С = const изображены на рис 4.

При подключении выходов стока С и истока И к источнику питания U_n по каналу n-типа протекает начальный ток I_C, так как p-n-переход не перекрывает сечение канала (рис. 4, а). При этом электрод, из которого в канал входят носители заряда, называют истоком, а электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором. С увеличением обратного напряжения -U_З уменьшается сечение канала, его сопротивление увеличивается и уменьшается ток стока I_C (см. рис. 4, в).

Итак, управление током стока I_C происходит при подаче обратного напряжения на p-n-переход затвора З. В связи с малостью обратных токов в цепи затвор-исток, мощность, необходимая для управления током стока, оказывается ничтожно малой.

При напряжении -U_З = -U_ЗО, называемым напряжением отсечки, сечение канала полностью перекрывается обеднённым носителями заряда барьерным слоем, и ток стока I_CО (ток отсечки) определяется неосновными носителями заряда p-n-перехода (см. рис. 4, б).

Схематичная структура полевого транзистора с индуцированным n-каналом представлена на рис 5. Электрод затвора изолирован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика из двуокиси кремния (SiO₂). Поэтому полевой транзистор с такой структурой называют МОП-транзистором (металл-оксид-полупроводник). Электроды стока и истока располагаются по обе стороны затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом. При напряжении на затворе относительно истока равным нулю и при наличии напряжения на стоке ток стока I_C оказывается ничтожно малым. Заметный ток стока появляется только при подаче на затвор напряжения положительной полярности относительно истока, больше так называемого порогового напряжения U_З._пор.

Рис. 5

При этом в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при напряжениях на затворе, бьльших U_З.пор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсионный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала изменяются с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться ток стока.

В полевом транзисторе со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе ток стока имеет начальное значение I_C0. Такой транзистор может работать как в режиме обогащения, так в режиме обеднения: при увеличении напряжения на затворе канал обогащается носителями зарядов и ток стока растёт, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается. Важнейшей особенностью полевых транзисторов является высокое входное сопротивление (десятки-сотни мегаом) и малый входной ток. Одним из основных параметров полевых транзисторов является крутизна

S =

стоко-затворной характеристики (см. рис. 4, в), выражаемая в мА/В.

3. ВОЛЬТАМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРОВ

Входные и выходные вольтамперные характеристики транзисторов обычно снимают на постоянном токе (по точкам) или с помощью специальных приборов - характериографов, позволяющих избежать сильного нагрева приборов. Полученные ВАХ используют для расчета цепей смещения и стабилизации режимов работы, расчёта конечных состояний ключевых схем (отсечки насыщения).

Входные характеристики I_Б(U_Б) при U_КЭ = const биполярных транзисторов, включенных по схеме с ОЭ (см. рис. 2, а), имеют вид, аналогичный характеристикам диодов: ток базы экспоненциально возрастает с увеличением напряжения база-эмиттер при заданном напряжении на коллекторе. В виду ничтожно малых токов затвора I_З полевых транзисторов, включенных по схеме с ОИ, их входные ВАХ, как правило, не снимают.

Как отмечалось, выходные характеристики биполярных транзисторов I_K(U_K) при I_Б = const, включенных по схеме с ОЭ (см. рис. 2, б), определяют зависимость выходного тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при заданных значениях тока базы, а выходные характеристики полевых транзисторов I_C(U_C) при U_З = const, включенных по схеме с ОИ, определяют зависимость тока стока от напряжения между стоком и истоком при фиксированном напряжении затвора.



4. ПОСТРОЕНИЕ ВАХ ТРАНЗИСТОРОВ С ПОМОЩЬЮ ХАРАКТЕРИОГРАФА CРЕДЫ MS10

Снять семейство выходных характеристик биполярных транзисторов в схеме с ОЭ или полевых транзисторов в схеме с ОИ можно с помощью характериографа IV Analyzer, подключая соответствующие выводы транзисторов к его входам, например модели 2N2222A (рис. 6).

Границы изменения напряжения на коллекторе U_K (V_ce), тока базы I_Б (I_b) и числа фиксированных уровней тока базы (Num steps) можно установить в диалоговом окне (рис. 7), (см. рис. 6). Если щелкнуть мышью вначале в поле семейства ВАХ транзистора (см. рис. 6), а затем в открывшемся окне (рис. 8, а) на закладках Hide Select Marks (Выделение ВАХ маркерами) и Select Trace ID (Выбор ВАХ I_K(U_K) из семейства выходных характеристик по заданному току базы, см. рис. 8, б), то при щелчке мышью на кнопке OK и закрытии окон выбранная ВАХ будет выделена треугольными маркерами (см. рис. 6), а при движении визирной линии внизу рисунка выводятся координаты точек (значения напряжения U_K и тока I_K) выделенной ВАХ, в которых их пересекает визирная линия. Значение тока базы I_Б (I_b) выводится в левом нижнем углу рисунка.

При щелчке мышью на любой кривой ВАХ маркеры перемещаются на неё, а в нижней строке выводятся значение тока базы и координаты точки пересечения визира с выделенной кривой ВАХ.

Записав координаты двух точек ВАХ при двух фиксированных положениях визира на линейном участке характеристики (например, при заданном токе I_Б1 = 0,74 мA, U_K1 = 1,5 В и I_K1 74,13 мА, а при U_K2 = 2 В, I_K2 77,58 мА), вычислим выходное динамическое сопротивление транзистора

R_вых = ДU_K/ДI_К = 0,5/0,00345 145 Ом,

а записав при фиксированном напряжении на коллекторе (например, U_K = = 1,5 В) два значения тока коллектора при двух значениях тока базы (например I_K1 = 74,13 мА при I_Б1 = 0,74 mA и I_K2 = 90,09 мА при I_Б2 = 0,97 мA) найдём коэффициент передачи тока транзистора в схеме с ОЭ по формуле:

h_21Э = ДI_K/ДI_Б = 15,96/0,23 69,4.



На рис. 9 представлено семейство ВАХ модели полевого транзистора 2N3823 (U_Сmax = 100 В; напряжение отсечки U_ЗО = 3,3 В) c управляющим затвором типа р-п-перехода и с каналом п-типа, снятое с помощью характериографа IV Analyzer при изменении напряжения сток-исток (drain-source) U_СИ (Vds) от 0 до 20 В, напряжении затвор-исток (gate-source) U_ЗИ (Vgs) от 3,5 В до 0,5 В и числе фиксированных уровней напряжения затвора N = 6.



Переместим визир в окне характериографа в положение, при котором напряжение стока U_C = 10 В, и запишем значения тока стока при двух напряжениях затвора транзистора, например, при U_З = 0,3 В ток стока I_С = = 10,87 мА, а при U_З =1,13 В ток I_С = 5,86 мА. Тогда крутизна управляющей стоко-затворной характеристики I_С(U_З) транзистора при U_C = 10 В равна

S = ДI_C /ДI_З /0,8 = 6,25 мА/B.

Подобным образом с помощью характериографа IV Аnalyzer можно снять ВАХ и определить параметры других моделей биполярных и полевых транзисторов, записанных в библиотеке среды MS10, учитывая знаки полярности их электродов и устанавливая на них соответствующие границы изменения напряжений, ориентиром для которых служат паспортные данные транзисторов.

В библиотеке компонентов среды MS10 имеется большое количество моделей номинированных импортных транзисторов, отечественные аналоги которых можно найти в справочниках [10, 11]. Например, аналогом импортного транзистора типа IRFL710 является отечественный транзистор типа КП731А, транзистора 2N3906 - транзистор КТ6136A, транзистора 2N2222А - транзистор КТ3117Б и т. д.

Подробную информацию о параметрах транзистора можно найти в диалоговом окне, после двойного щелчка мышью на изображении и закладке Edit Component in BD. В качестве примера в табл. 1 приведены некоторые параметры (всего их 41) модели биполярного транзистора 2N2222А и их обозначения, принятые в среде MS10 и в данной работе.



Таблица 1

Наименование параметра	Обозначение и значение параметра в MS10	Обозначение и значение параметра в Lr23
Обратный ток коллекторного перехода	IS = 0,2046 pA	IK0 = 0,2046 пА
Идеальный максимальный коэффициент усиления тока в схеме с ОЭ	BF = 296,5	h21Э = = 296,5
Напряжение, близкое к максимальному напряжению коллектора	VAF = 10 V	UK.max = 10 B
Обратный ток эмиттерного перехода	ISE = 0,1451 pA	IЭ0 =0,1451 пA
Максимальный ток коллектора	IKF = 77,25 mA	IK.max = 77,25 мА
Объёмное сопротивление базы	RB = 4	RБ = 4 Ом
Объёмное сопротивление эмиттера	RE = 85,73 m	RЭ = 85,73 мОм
Объёмное сопротивление коллектора	RC = 0,4286	RК = 0,4283 Ом
Контактная разность потенциалов перехода база-эмиттер	VJE = 0,95 V	ЕБЭ = 0,95 В
Контактная разность потенциалов перехода база-коллектор	VJC = 0,4 V	ЕБK = 0,4 В
Ёмкость эмиттерного перехода при нулевом напряжении	CJE = 11 pF	CЭ = 11 пФ
Ёмкость коллекторного перехода при нулевом напряжении	CJC = 32 pF	CK =32 пФ
Время переноса заряда через базу	TF = 0,3 nsec	tпер = 0,3 нс

5. Экспериментальная часть

биполярный полевой транзистор полупроводниковый

1. Запустить среду МS10. На рабочем поле среды MS10 собрать схему для снятия ВАХ биполярных транзисторов с общим эмиттером (ОЭ) и полевых транзисторов с общим истоком (ОИ) (рис. 10, а).

В схему включить следующие компоненты

источники Е1 и Е2 постоянного напряжения, к одному из с помощью переключателя А подключается коллектор биполярного или сток полевого транзистора. Выбор источника питания зависит от знака полярности коллектора (стока) соответствующего транзистора (см. рис. 10, б); источники Е3 и Е4 постоянного напряжения для включения с помощью переключателя В одного из них в цепь базы соответствующего транзистора;

два потенциометра R1 и R2 для задания токов в цепях транзисторов;

два амперметра А1 и А2 и два вольтметра V1 и V2 для измерения токов и напряжений на электродах исследуемого транзистора.

Основные параметры транзисторов, предлагаемых для испытания в работе, даны в табл. 2. Приведенные марки транзисторов могут быть заменены на другие после двойного щелчка мышью на соответствующем изображении прибора на рабочем поле среды MS10 и на Replace Components.

2. Снять и построить (по точкам) входных I_Б(U_Б) при U_КЭ = const и выходных I_К(U_К) при I_Б = const ВАХ соответствующего биполярного транзистора (см. табл. 2). Для этого:

заменить транзистор в схеме испытания на рекомендованный тип;



Таблица 2

Номер записи фамилии N	Тип транзистора	UK.max (UC.max), В	IK.max (IC.max), A	h21Э	f max, МГц	PK(PС), Вт
Нечётн.	2N2222A	10	0,077	30…300	300	1,5
Чётные	2N3906	40	0,2	30…300	250	0,625

в соответствии со знаком полярности коллектора и базы исследуемого транзистора выбрать источники напряжения, задать их ЭДС и установить переключатели А и В в соответствующие положения;

изменяя сопротивления потенциометров R1 и R2 и, при необходимости, ЭДС источников Е1…Е4, заносить показания приборов

по данным измерений построить графики семейств входных и выходных ВАХ (см. рис. 2, а и б);

скопировать изображение схемы с показаниями приборов (для одного из режимов работы при снятии выходной ВАХ) на страницу отчёта;

воспользовавшись графиками семейств входных и выходных ВАХ, определить h-параметры биполярного транзистора.

Скопировать изображение схемы с показаниями приборов (для одного из режимов работы при снятии выходной ВАХ) на страницу отчёта.

6. Вопросы для проверки знаний

1. Назовите режимы работы биполярного транзистора и дайте их краткую характеристику.

2. Укажите, какой формулой описывается коэффициент передачи по току h_21Э биполярного транзистора?



3. Укажите, в какой схеме включения биполярного транзистора:

а) максимальное входное сопротивление:

в схеме с ОЭ в схеме с ОБ в схеме с ОК

б) максимальный коэффициент усиления по мощности:

в схеме с ОЭ в схеме с ОБ в схеме с ОК?

4. Укажите порядок входного сопротивления полевых транзисторов, включенных по схеме с ОИ:

Десятки-сотни ом; Десятки-сотни килом; Десятки-сотни мегаом.

5. Укажите возможную максимальную частоту преобразования сигналов в устройствах на базе полевого транзистора:

а) с управляющим р-п-переходом:

500 МГц; 1…2 ГГц; 8…10 ГГц; 12…18 ГГц;

б) с изолированным затвором:

500 МГц; 1…2 ГГц; 8…10 ГГц; 12…18 ГГц

6. Укажите номер стоко-затворной характеристики п-канального полевого транзистора:

а) 1 2 3

б) с управляющим р-п-переходом: 1 2 3

в) со встроенным каналом: 1 2 3

7. Каков физический смысл h-параметров и при каких условиях их определяют?

8.. Укажите, какая схема включения биполярного транзистора наиболее распространена?

Схема с ОЭ Схема с ОК Схема с ОБ

9. Укажите, какие основные носители зарядов в полевом транзисторе:

а) с п-каналом: электроны; дырки; электроны и дырки;

б) с р-каналом: электроны; дырки; электроны и дырки.

10.. Укажите, какими преимуществами обладают полевые транзисторы по сравнению с биполярными?

Малой инерционностью, обусловленной только процессами перезарядки его входной и выходной ёмкостей. В полевых транзисторах отсутствуют процессы накапливания и рассасывания объёмного заряда неосновных носителей, оказывающих заметное влияние на быстродействие биполярных транзисторов.

Пониженным выходным сопротивлением.

Высоким входным сопротивлением по постоянному току и высокой технологичностью.

Большим падением напряжения U_СИ при коммутациях малых сигналов.

Большей температурной стабильностью его характеристик.

Пренебрежительно малым входным током, независящим от напряжения между затвором и истоком.

11. Определите понятия полевых транзисторов: а) пороговое напряжение; б) напряжение отсечки; в) напряжение насыщения.

12. Укажите, в чём различие между транзисторами с управляющим р-п-переходом и МДП-транзисторами?

Характером изменения сечения проводящего канала: в транзисторе с р-п-переходом площадь поперечного сечения канала меняется за счёт изменения площади обеднённого слоя обратно включенного р-п-перехода, а в МДП-транзисторе сечение проводящего канала меняется за счёт изменения приповерхностного обогащённого носителями зарядов слоя или созданием и расширением возникающего инверсионного слоя в полупроводнике. Полевые транзисторы с р-п-переходом работают только на обеднение канала носителями зарядов, а МДП-транзисторы работают всегда только на обогащение проводящего канала. Максимальной границей частоты f_m преобразования сигналов: для устройств на транзисторах с р-п-переходом частота f_m = 12…18 ГГц, а для устройств на МДП-транзисторах f_m = 1…2 ГГц.

Видом стоко-затворных характеристик: при нулевом напряжении на затворе у транзисторов с р-п-переходом ток стока максимальный, а у МДП-транзисторов - ток стока ничтожно малый.

13. Укажите, чем отличаются МДП- МОП-?

Материалом изоляции (диэлектрик или диоксид кремния) между затвором и каналом.

Материалом подложки (диэлектрик или двуокись кремния).

Конструкцией канала: в МДП-транзисторе встроенный канал, а в МОП-транзисторе изолированный.

Степенью обогащения канала: в МДП-транзисторе канал обеднен носителями заряда, а в МОП-транзисторе обогащён ими.

Размещено на Allbest.ru

...