Лабораторная работа № 2 Исследование биполярного и полевого транзисторов.
методическая разработка

Лабораторная работа № 2

Исследование биполярного и полевого транзисторов.

Цель работы: изучить структуру биполярных транзисторов, рассмотреть режимы работы транзистора.

Общие сведения

Биполярный транзистор — трёхполюсный полупроводниковый прибор с двумя р-n-переходами. Он состоит из чередующихся областей полупроводника, имеющих электропроводность различных типов.

В зависимости от последовательности чередования n- и р-областей различают транзисторы n-р-n- и р-n -р-типов. На практике используются транзисторы обоих типов; принцип действия их одинаков. Основными носителями заряда в транзисторе n-р-n- типа являются электроны, а в р-n-р-транзисторе — дырки. Так как в кремнии электроны обладают большей подвижностью, чем дырки, то чаще используют транзисторы n-р-n-типа.

Рис. 21. Структура биполярных транзисторов и их условное обозначение

На рис. 21а, б изображена структура условное графическое обозначение биполярногоn-р-n-транзистора.

На рис. 21 в, г показаны структура и условное графическое обозначение р-n-р-транзистора.

Заметим, что n—p—n—и р-и-р-транзисторы имеют обратные полярности напряжений. Соответственно противоположные направления имеют и токи.

Центральная область транзистора, называемая базой,заключена между коллектором и эмиттером. Толщина базы мала и не превышает нескольких микрон. Переход между базой и эмиттером называется эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным.

Симметричные структуры биполярных транзисторов, показанные на рис. 21, являются идеальными. Структура реального транзистора несимметрична (рис. 22). Площадь коллекторного перехода значительно больше, чем эмиттерного.

Рис. 22 Структура реального транзистора

Каждый из р-n-переходов транзистора может быть смещён либо в прямом, либо в обратном направлениях. В зависимости от этого различают четыре режима работы транзистора:

1)     активный (усиления). Эмиттерный переход смещён в прямом направлении, а коллекторный — в обратном;

2)     отсечки. Оба перехода смещены в обратном направлении;

3)     насыщения. Оба перехода смещены в прямом направлении;

4)     инверсный.Эмиттерный переход смещён в обратном направлении, а коллекторный — в прямом.

Рассмотрим подробнее каждый из режимов работы транзистора на примере прибора n-р-n-типа.

Активный режим. Так как эмиттерный переход смещён в прямом направлении, происходит инжекция носителей из эмиттера в базу. Поскольку область эмиттера легирована сильнее, чем область базы, поток электронов преобладает над потоком дырок. Из-за малой толщины базы почти все электроны, пройдя базу, достигают коллектора. Только малая доля электронов рекомбинирует в базе с дырками. Коллекторный переход смещён в обратном направлении, поэтому электроны, достигшие коллекторного перехода, втягиваются полем перехода в коллектор. Происходит экстракция электронов в коллектор.

Токи транзистора, работающего в активном режиме, связаны соотношениями:

Iк= αIэ;

Iэ = IK+I6.                                     

Множитель а называют коэффициентом передачи тока эмиттера. У интегральных транзисторова = 0.99-0.995. Из равенств следует, что множитель βназывают коэффициентом усиления тока базы. Так как величина а близка к 1, то может β принимать большие значения. Для интегральных n-р-n-транзисторов оно составляет от 50 до 200.

Связь между напряжением эмиттерного перехода и током эмиттера имеет экспоненциальную форму:

Обратный ток эмиттерного перехода Iэо обратно пропорционален ширине базы и прямо пропорционален площади эмиттерного перехода. Последнее свойство часто используется разработчиками интегральных схем при конструировании источников постоянного тока. В зависимости от размеров транзистора величина Iэо составляет от 10-12 до 10-18 А. Ток Iэо зависит от температуры, удваиваясь при увеличении температуры примерно на 7 °С.

Таким образом, работа биполярного транзистора в активном режиме основана на сочетании процессов инжекции носителей через один переход и собирания их на другом переходе. Концентрация примесей в эмиттере значительно больше, чем в базе и коллекторе. Поэтому электронная составляющая тока n-р-n-транзистора является преобладающей.

В активном режиме ток коллектора управляется током эмиттера (или напряжением эмиттерного перехода) и почти не зависит от напряжения на коллекторном переходе, поскольку последний смещен в обратном направлении. Активный режим является основным, если транзистор используется для усиления сигналов. Транзистор способен в этом режиме почти линейно усиливать сигнал. Этот режим иногда называют активным. Биполярный транзистор является токовым прибором,т.е. управляется током и всегда необходимо предусматривать ограничение тока базы, например, резистором. При плавном повышении тока базы линейно с коэффициентом β возрастает коллекторныйток. Если в коллекторной цепи присутствует резистор, то рост коллекторного тока будет сопровождаться уменьшением напряжения коллектор–эмиттер. До тех пор, пока напряжение на коллекторе выше напряжения на базе,транзистор остается в линейном режиме, т.е. способен линейно усиливать сигнал.

Режим отсечки. Выключенное или закрытое состояние транзистора. Инжекция основных носителей в область базы наблюдается в том случае, если эмиттерный переход смещён в прямом направлении. Если напряжение Uбэ меньше пороговой величины (0.6 В для кремниевых транзисторов), заметной инжекции носителей в базу не наблюдается. При этом

Iэ = Iб = 0.

Следовательно, ток коллектора также равен нулю. Таким образом, для режима отсечки справедливы условия: Uбэ < 0.6 B или  Iб= 0.На практике считают, что транзистор находится в режиме отсечки, когда напряжение база – эмиттер близко к нулю или при небольшом смещающем напряжении.

Режим насыщения. Если оба перехода смещены в прямом направлении, носители инжектируются в базу как из эмиттера, так и из коллектора. В этом режиме ток коллектора не зависит от тока базы. Коллекторный переход отпирается, если напряжение коллектор-база Uкб < — 0.4 В. При этом напряжение коллектор-эмиттер не превышает напряжение насыщения: Uкэ ≤Uкэнас. Значение Uкэ нас находится в пределах 0,2-0,3 В. Режимы отсечки и насыщения биполярных транзисторов являются ос-
новными, когда они работают в ключевых и логических схемах. Коллекторный ток достигает своего максимального значения ,которое определяется не транзистором, а цепью нагрузки. В режим насыщения транзистор входит, когда Iб>Iкн/ β, где Iб–ток в базовой цепи , Iкн–ток в цепи коллектора. Чтобы транзистор оказался заведомо в режиме насыщения, выбирают степень насыщения S > 2. Iб = S*Iкн/ β. В режиме насыщения в базу поступает такое количество неосновных носителей, что коллектор не способен их поглотить. В результате при попытке выключить транзистор, эти неосновные носители создадут значительную задержку выключения транзистора. Режим насыщения или близкий к нему линейный режим, находит широкое применение в цифровой технике. При этом говорят, что транзистор открыт или включен.

Инверсный режим. Биполярный транзистор является симметричным прибором в том смысле, что область полупроводника с одним типом проводимости располагается между двумя областями с другим типом проводимости. Поэтому транзистор можно включить так, что коллекторный переход
смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. При этом эмиттер играет роль коллектора, а коллектор — эмиттера. Такой режим работы биполярного транзистора называют инверсным. Однако коллектор и эмиттер изготавливают неодинаковыми (см. рис. 22), с тем, чтобы наибольшее усиление достигалось в активном режиме. В инверсном режиме усиление транзистора невелико. Такой режим используют в некоторых цифровых схемах.

Задание.

1. Заполнить схему и дать краткое описание.

2. Начертить структуру биполярных транзисторов с их условным обозначением.
3. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Как устроен биполярный транзистор, какие существуют схемы его включения в электрическую цепь?

2. Как происходит в транзисторе процесс усиления мощности электрических колебаний?

3. Почему схема включения транзистора с ОЭ является наиболее распространенной?

4. Обоснуйте теоретически формы характеристик транзистора.

5. Как зависит ток  от токов  и ?

Полевые транзисторы, принцип их работы

Цель работы: изучить устройство полевых транзисторов, принцип их работы; ознакомиться с классификацией.

Общие сведения

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, ток в котором создаётся основными носителями зарядов (только электронами или только дырками). Заряды перемещаются в области, которая называется канал. Электрод, через который ток втекает в транзистор, называется исток (И). Прошедшие через канал заряды выходят из него через электрод, который называется сток (С). Движением зарядов управляет электрод, который называется затвор (З).

Классификация. В зависимости от типа проводимости канала различают полевые транзисторы с каналом типа p и типа n, а в зависимости от способа выполнения затвора – с управляющим p-nпереходом и с изолированным затвором. Условное графическое обозначение полевых транзисторов представлено на рис. 12.1. Стрелка показывает направление от слоя p к слою n.

Рис. 12.1. Условное графическое обозначение полевых транзисторов

В 1926 году был открыт полевой эффект и указан его недостаток - поверхностные волны в металле не позволяли проникать полю затвора в канал. Однако в 1952 году Уильям Шокли исследовал влияние управляющего p-n перехода на ток в канале, а в 1959 году Джон Аталла и Дэвон Канг из Bell Labs изготовили полевой транзистор с изолированным затвором по технологии МОП металлический (Al) затвор, изолятор оксид кремния (SiO2) и канал-полупроводник (Si).

Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n переходом

Рассмотрим физические процессы, происходящие в полевом транзисторе с управляющим p-n переходом и каналом n-типа, схематичное изображение которого представлено на рис. 12.2.

Рис. 12.2. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом и каналом n-типа

Такая конструкция, в которой электроды расположены в одной плоскости, называется планарной. В исходном полупроводниковом материале методом диффузии создаётся легированная область n – канал. Затем на поверхности образуют сток, исток и затвор таким образом, что канал получается под затвором. Нижняя область исходного полупроводника – подложка – обычно соединяется с затвором. Исток подключают к общей точке источников питания, и напряжения на стоке и затворе измеряют относительно истока.

Изменение проводимости канала осуществляется изменением напряжения, прикладываемого к p-n переходам затвора и подложки. На рис. 12.3. представлены графики статических характеристик. Поскольку ток затвора не зависит от напряжения UЗИ, входная характеристика отсутствует. Вместо неё применяется сток - затворная характеристика передачи . Выходная характеристика – это зависимость тока стока от напряжения на стоке при фиксированном напряжении на затворе .

Рис. 12.3. Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом

При UЗИ = 0 толщина p-n – переходов затвора и подложки минимальна, канал «широкий» и проводимость его наибольшая. Под действием напряжения UСИ по каналу будет проходить ток, создаваемый основными носителями зарядов – электронами. На участке напряжений от 0 до UСИ.НАС ток будет нарастать и достигнет величины IС.нач – начального тока стока. Дальнейшее увеличение напряжения на стоке повышает напряжённость поля в запорном слое p-n переходов затвора и подложки, но не увеличивает ток стока. Когда напряжение на стоке достигнет UСИ.макс, может наступить электрический пробой по цепи сток – затвор, что показывает вертикальная линия роста тока на выходной характеристике.

Если отрицательное напряжение на затворе увеличивать, то, в соответствии с эффектом Эрли, толщина p-n – переходов затвора и подложки начнёт увеличиваться за счёт канала, сечение канала будет уменьшаться. Ток стока будет ограничен на меньшем уровне. Если и дальше увеличивать отрицательное напряжение на затворе, то, при некоторой его величине, называемой напряжением отсечки UЗИотс, p-n переходы затвора и подложки сомкнутся и перекроют канал. Движение электронов в канале прекратится, ток стока будет равен нулю, и не будет зависеть от напряжения на стоке.

Следовательно, полевой транзистор с управляющим p-n–переходом до напряжения на стоке UСИ.НАС работает как регулируемое сопротивление, а на горизонтальных участках выходных характеристик может использоваться для усиления сигналов в режиме нагрузки.

Отличие полевых транзисторов с изолированным затвором состоит в том, что у них между металлическим затвором и полупроводником-каналом находится слой диэлектрика, в качестве которого используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния методом высокотемпературного окисления. Существуют два типа полевых транзисторов с изолированным затвором: с индуцированным каналом и с встроенным каналом.

Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа, упрощённая конструкция которого представлена на рис. 12.4.

Основой транзистора является подложка – пластина Si с проводимостью р типа и с высоким удельным сопротивлением. На поверхности подложки методом диффузии создаются две сильно легированные области с проводимостью n типа, не соединённые между собой. К ним подключают металлические контакты, которые будут выводами стока и истока. Поверхность пластины покрывают слоем SiO2, на который между стоком и истоком наносят слой металла – затвор. Подложку обычно электрически соединяют с истоком.

При UЗИ = 0, даже если между стоком и истоком приложено напряжение, транзистор закрыт, и в цепи стока протекает малый обратный ток p-nперехода между стоком и подложкой (рис. 12.4, а).

Рис. 12.4. Конструкция и принцип действия полевого транзистора с индуцированным каналом:

а – при UЗИ = 0; б – при UЗИ > порогового значения

При подаче на затвор положительного относительно истока напряжения электрическое поле затвора через диэлектрик проникает на некоторую глубину в приконтактный слой полупроводника, выталкивая из него вглубь полупроводника основные носители зарядов (дырки) и притягивая электроны. При малых напряжениях UЗИ под затвором возникает обеднённый основными носителями зарядов слой и область объёмного заряда, состоящего из ионизированных атомов примеси.

При дальнейшем увеличении положительного напряжения на затворе в поверхностном слое полупроводника происходит инверсия электропроводности (рис. 12.4, б). Образуется тонкий инверсный слой – канал – соединяющий сток с истоком. Напряжение на затворе, при котором образуется канал, называется пороговым напряжением.

Изменение напряжения на затворе вызывает изменение толщины и электропроводности канала, а, следовательно, и ток стока.

На рис. 12.5 представлены графики статических характеристик полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа.

Рис. 12.5. Графики статических характеристик полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа

Режим работы полевого транзистора, при котором канал обогащается носителями зарядов при увеличении напряжения на затворе, называется режимом обогащения.

Отсутствие тока стока при нулевом напряжении на затворе, а также одинаковая полярность напряжений UЗИ и UСИ у транзисторов с индуцированным каналом позволяет использовать их в экономичных цифровых микросхемах.

Рассмотрим теперь принцип действия полевого транзистора с встроенным каналом n-типа, упрощённая конструкция которого аналогична конструкции, представленной на рис. 12.4, б.

На стадии изготовления такого транзистора между областями стока и истока методом диффузии создаётся тонкий слаболегированный слой – канал – с таким же типом проводимости, как у стока и истока.

При UЗИ = 0, когда между стоком и истоком приложено напряжение, транзистор открыт, и в цепи стока протекает ток. Отрицательное напряжение, приложенное к затвору относительно истока, будет выталкивать электроны из канала и втягивать в канал дырки из подложки. Канал обедняется основными носителями зарядов, его толщина и электропроводность уменьшаются. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки, канал закрывается, ток стока становится равным нулю.

Увеличение положительного напряжения на затворе вызывает приток электронов из подложки в канал. Канал обогащается носителями, ток стока возрастает.

Таким образом, транзистор с встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения.

На рис. 12.6 представлены графики статических характеристик полевого транзистора с встроенным каналом n-типа.

Рис. 12.6. Графики статических характеристик полевого транзистора с встроенным каналом n-типа

Задание.

1. Заполнить схему 1.

Схема 1.  Классификация полевых транзисторов

2. Заполнить таблицу 3.1.

              Полевые транзисторы                        Таблица 3.1

3. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Почему полевые транзисторы являются усилителями тока, напряжения и мощности?
2. Отличие полевых транзисторов от биполярных.
3. Назовите основные параметры полевого транзистора.