Geum.ru

Полупроводниковые приборы

Вид материалаИсследование
Транзистор как активный четырёхполюсник
Подобный материал:
1   2   3   4   5

Рис. 7


При изготовлении транзистора методом вплавления (рис.7а), базой его служит пластинка германия или кремния, например n-типа, на которую с двух сторон наплавляют капли акцепторной примеси, например индия.

В приграничных слоях между германием и индием образуются p-области, представляющие эмиттер и коллектор, расстояние между которыми (толщина базы) очень маленькое.

Кроме того, концентрация атомов примеси в области базы должна быть во много раз ниже, чем в области эмиттера. Это условие очень важно для работы транзистора.

Более совершенным является диффузионный метод изготовления транзисторов, при котором в пластинке кремния n-типа (рис.7б) с помощью фотолитографии формируют базовую и эмиттерную области, коллектором в такой n-p-n-структуре служит исходная пластинка кремния n-типа.

Рассмотрим принцип действия транзистора на примере p-n-p- структуры. Между базой и эмиттером к транзистору подают прямое напряжение Uбэ, для которого эмиттерный переход открыт и, следовательно, под действием напряжения в доли вольта через него потечет значительный прямой ток эмиттера Iэ.


Э Б К Э Б К

p n p p n p


Iэ Iк Iк

Iэ


+ _ _ +

Uбэ I б + Uбк Uбэ Iб Uбк

_ + _

Э К Э К


Б

а) Б б)

Рис. 8

В транзисторах концентрация носителей в базе во много раз ниже, чем в эмиттере, поэтому ток Iэ создается в основном дырками, инжектированными эмиттером в базу.

Введенные в базу дырки пытаются рекомбинировать со свободными электронами базы, но так как последних мало, а область базы узкая, подавляющее большинство дырок успевает пройти через базу и достигнуть коллекторного p-n-перехода, прежде чем произойдет рекомбинация. Небольшая же часть рекомбинированных дырок создает ток базы Iб (рис.8а).

Пройдя к коллектору, дырки начинают испытывать ускоряющее действие p-n-перехода коллектора. Это поле для дырок является ускоряющим, и они вытягиваются из базы в коллектор, “собираются им”, создавая ток коллектора Iк.

Учитывая небольшой процент дырок, рекомбинирующих с электронами в базе, можно считать, что , где =0,95  0.99 – коэффициент передачи тока эмиттера.

Так как напряжение Uбк является обратным, оно в десятки раз может превышать напряжение Uбэ, которое, будучи прямым, является входным для транзистора и определяется вольтамперной характеристикой p-n-перехода. Входной ток транзистора Iэ и его выходной ток Iк примерно равны. Поэтому мощность на выходе схемы Uбк·Iк может оказаться намного больше, чем затрачиваемая во входной цепи Uбэ·Iэ. Это положение определяет усилительные свойства транзистора.

Принцип действия транзистора n-p-n-типа отличается только тем что носителями зарядов в нем служат не дырки, а свободные электроны (рис.8б).

Для исследования свойств транзистора приложим входное напряжение Uбэ и измерим выходной ток Iк как функцию выходного напряжения Uкэ.


Iк >0

Iб>0

+ +

Uбэ Uкэ

_ Iэ _


Путем ступенчатого повышения входного напряжения получим семейство выходных характеристик (рис.9а).


Iк mA Uбэ=700mВ Iк mA

30 ΔIкэ 30

ΔUкэ Uкэ=const


Uбэ=680mВ

15 15

Uбэ=640mВ


Uбэ=620mВ

5 10 Uкэ,В 0,2 0,4 0,6 Uбэ,В

а) б)

Рис. 9

Особенностью транзистора является тот факт, что коллекторный ток мало изменяется после достижения Uкэ – определенного значения. Напряжение, при котором характеристика имеет изгиб, называется напряжением насыщения. Другой особенностью является то, что малого изменения входного напряжения оказывается достаточно для того, чтобы вызвать относительно большое изменение коллекторного тока. Это видно на проходной характеристике, изображенной на рис.9б, которая представляет собой зависимость Iк от Uбэ. Проходная характеристика транзистора, как и диода, имеет вид экспоненциальной функции , где Is – обратный ток коллектора. Изменение коллекторного тока Iк в зависимости от Uбэ характеризуется крутизной S:

, при Uкэ=const. Эту величину можно рассчитать, используя теоретическую зависимость Iк(Uбэ): . Таким образом, крутизна пропорциональна коллекторному току и не зависит от индивидуальных свойств каждого транзистора, поэтому для ее определения не требуется измерений.

Зависимость коллекторного тока от напряжения Uкэ характеризуется дифференциальным выходным сопротивлением , при Uбэ=const. С высокой точностью сопротивление rкэ обратно пропорционально Iк, т.е. - где коэффициент пропорциональности. Uу называется напряжением Эрли. Его можно определить, измерив rкэ. Типовое значение Uу находится в пределах 80÷200 В для n-p-n-транзисторов и 40÷150 В для p-n-p- транзисторов.

Для описания входной цепи транзистора как нагрузки, соединенной с входным источником напряжения, вводят дифференциальное входное сопротивление , при Uкэ = const. Его можно определить по входной характеристике Iб = f(Uбэ) (рис.10).

Iб μА

100

ΔIб

  1. ΔUбэ



Uбэ, В

0,3 0,6

Рис.10

Эта характеристика, как и проходная характеристика, описывается экспоненциальной функцией.

Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом статического усиления по току. Однако пропорциональность имеет место только в ограниченной области тока, так как β зависит от Iк.

Дифференциальный коэффициент усиления по току в рабочей точке определяется выражением при Uкэ= const. Зная β и крутизну можно рассчитать входное сопротивление rбэ: . При малых сигналах транзисторы характеризуются коэффициентом обратной передачи по напряжению: при Iб=const. Абсолютное значение его не превышает 10-4. Поэтому, влиянием обратной передачи практически можно пренебречь. При высоких частотах обратную передачу все же приходится учитывать.


Транзистор как активный четырёхполюсник

При исследованиях и расчетах удобно рассматривать транзистор как усиливающее мощность устройство, на входе которого действуют напряжение U1 и ток I1, а на выходе – напряжение U2 и ток I2. Такую модель называют активным четырехполюсником. Так как транзистор имеет только три вывода, один из них должен быть общим для цепей входа и выхода. На рис.11а представлена схема с О.Э. (общим эмиттером).




Iк Iб˝ Iб ΔUкэ


ΔIб ΔU΄бэ

I1 I2 ΔI΄к I΄б I΄б

U1 U2 ΔIк Р Iб