Список літератури. 2. Сенько В.І. Електроніка і мікросхемотехніка

 

1. Прищепа М.М., Погребняк В.П. Мікроелектроніка. -Ч.1. Елементи мікроелектроніки / М.М. Прищепа, В.П. Погребняк. - Київ: Вища школа, 2004. - 432 с.

2. Сенько В.І. Електроніка і мікросхемотехніка. Т.1. Елементна база електронних пристроїв / В.І. Сенько, М.В. Панасенко, Є.В. Сенько. - Київ: Обереги, 2000. - 300 с.

3. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. - Киев: Техніка, 1984. - 410 с.

Лабораторна робота 7

ДОСЛІДЖЕННЯ СТАТИСТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК БІПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА І ВИЗНАЧЕННЯ ЙОГО КОЕФІЦІЄНТА ПІДСИЛЕННЯ

 

Мета роботи – дослідити статичні характеристики біполярного транзистора та пояснити їх характер, визначити коефіцієнт підсилення транзистора.

Елементи теорії. Найважливішою властивістю БТ є властивість підсилювати електричні сигнали постійного, змінного та імпульсного струмів. У біполяр­ного транзистора вихідний опір відрізняється від вхідного. У зв'язку з цим і виникла назва такого приладу - транзистор, що є скороченням слів transfer resistor (передавальний резистор).Підсилення в транзисторі відбувається завдяки тому, що відносно невеликі зміни струму бази або напруги між базою та емітером можуть спричинити значні зміни струму між емітером і колектором. При цьому струм, яким керують, проходить емітерну область, чутливу область бази і виходить із колектора.

Сучасні біполярні інтегровані транзистори є напівпровідниковими приладами, що широко використовуються в ІМС як керовані джерела або перемикачі струму. Біполярні транзистори є, як мінімум, триполюсниками, що містять три напівпровідникові шари з різним типом електропровідності - п-р-п або р-п-р (рис.1). Середній шар транзистора називають базою (Б), а зовнішні шари - емітером (Е) та колектором (К). Міжнародне позначення областей: бази - В, емітера - Е, колектора - С. Позначення електричних пара­метрів, які належать до відповідних областей транзистора, включають індексні міжнародні позначення областей. Шари з'єднуються із зовніш­німи електродами через омічні контакти. Залежно від

 

Рисунок 1 – Графічне позначення БТ

 

вибраної послідов­ності шарів з різним типом електропровідності розрізняють п-р-п- та р-n-р -транзистори. Перша літера в позначенні транзис­тора означає тип електропро­відності емітера, друга - бази, а третя - колектора; стрілка на емітері вказує умовний напрям струму. Області, що контактують, утворюють два р-n -переходи, які називають так само, як і області, між якими вони розташовані: p-n -перехід база-емітер (Б-E) (керувальний перехід); р-n -перехід база-колектор (Б-К).

Слово «біполярний» означає, що у фізичних процесах, які відбува­ються в транзисторі, беруть участь як електрони, так і дірки. В ІМС використовують переважно силіцієві n⁺-р-n -транзистори, оскільки в них неосновними носіями заряду в об­ласті бази є електрони, які більш рухливі, ніж дірки, тому такі транзистори мають кращі електричні параметри - вищі граничні частоти і швидко­дію. Транзистори п⁺-р-п технологічніші, ніж транзистори р-п-р. Підвищену концентрацію домішки в області емітера позначають n⁺. Щоб забезпечити максимальне значення коефіцієнта інжекції емітера, як легувальну речовину для нього використовують фосфор, що має макси­мальну розчинність у силіції і є донорною домішкою.

Усі виводи від областей транзистора розміщують в одній площині на поверхні кристала. Така структура біполярного транзистора називається планарною і дає можливість з'єднувати транзистори між собою та з іншими елементами напівпровідникової інтегрованої мікросхеми плівковими металевими провідниками або високолеговани-ми областями, які виконують функції провідників.

Конструкції та технологія виготовлення БТ дають можливість одночасно створювати діоди, резистори, конденсатори та інші елементи, які форму­ють на основі емітерної, базової та колекторної областей або їх з'єднань. Біполярні транзистори використовують у надзвичайно великому діа­пазоні частот і рівнів потужностей. Вони широко застосовуються у циф­рових та аналогових мікросхемах.

Залежно від полярності напруг U_БE та U_БК транзистор може працювати в одному із чотирьох режимів: пряме зміщення переходів БЕ та БК - режим насичення; зворотне зміщення переходів БE та БК - режим блокування; пряме зміщення переходу БЕ та зворотне зміщення переходу БК - активний режим; зворотне зміщення переходу БЕ та пряме зміщення переходу БК - зворотно-активний режим.

В активному режимі БТ діє як підсилювач сигналу, який подають на перехід база-емітер (рис. 2). При прямому зміщенні р-n- переходу база-емітер в область бази дифундують електрони. Концентрація електронів значно менша, ніж концентрація дірок у базі; взаємним відштовхуванням електронів у базі нехтують. Оскільки товщина об­ласті бази набагато менша за дифузійну довжину електронів, вони ди­фундують крізь область бази майже без рекомбінації, тому майже всі електрони досягають збідненої області р-n -переходу база - колектор і втягуються туди електричним полем. Ці електрони створюють струм колектора, а струм бази виникає в результаті рекомбінації дірок та електронів в області поверхневого заряду (ОПЗ) між емітером і базою й струму основних носіїв заряду бази - дірок, які інжектують з бази в емітер.

Струм бази буде малим порівняно зі струмом колектора, оскільки швидкість реком­бінації в базі дуже мала і концентрація домішки у ній набагато менша, ніж відповідна концентрація домішки в емітері.

а б

Рисунок 2 – Концентраційні профілі домішок в основних областях біполярного n⁺-р-n -транзистора (а); ідеалізована одновимірна модель БТ (б)

 

Струм емітера скла­дається зі струмів бази і колектора. Співвідношення між струмами ко­лектора й емітера визначається статичним коефіцієнтом передавання емітерного струму α, а підсилювальні властивості БТ визначаються статичним коефіцієнтом підсилення транзистора β, який можна визначити так:

 

.

 

Коефіцієнти підсилення напруги і потужності відповідно дорівнюють та .

Вхідні характеристики транзистора – це залежність струму бази від напруги на емітері. Ці характеристики для транзисторів різних типів мають квадратичну форму і за своїм виглядом аналогічні вольт-амперній характеристиці напівпровідникового діода, оскільки біполярний транзистор – це два діоди, які включені назустріч один одному. Вихідні характеристики – це залежність струму колектора від напруги на колекторі. Робочою є лінійна ділянка, на якій вибирається робоча точка і визначаються h - параметри. Із рисунка 1.11 видно, що при подальшому збільшенні напруги колектора струм колектора вже не змінюєтся. Тільки при зміні напруги емітера можна добитися зсуву характеристики.

 

Методичні вказівки. Схема лабораторного стенда для дослідження статичних характеристик біполярних транзисторів (рис.3) складається з двох міліамперметрів, вольтметра, двох змінних резисторів R1 і R2 та досліджуваного біполярного транзистора (типу МП37А або ТМ3А). На початку виконання роботи рухомі контакти обох потенціометрів R1 і R2 необхідно перевести у крайні положення, коли величини U_Б і U_К дорівнюють нулю.

 

 

Рисунок 3 – Схема лабораторного стенда