Исследование полупроводникового диода - Лабораторная работа

Уравнение вольтамперной характеристики имеет вид: где U - напряжение на p-n-переходе; I0-обратный (или тепловой) ток, - температурный потенциал электрона. а б Максимально допустимый выпрямленный ток Івп. ср мах - средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа. Если генератор вырабатывает синусоидальное напряжение, e(t) = Em sin w t, то в течение положительного ( ) полупериода напряжение для диода является прямым, его сопротивление мало, и через резистор проходит ток, который создает на резисторе RH падение напряжения Uвых , повторяющее входное напряжение e(t). В следующий, отрицательный (-) полупериод, напряжение для диода является обратным, сопротивление диода велико, тока практически нет и, следовательно, Uвых = 0. 1) Время установления прямого напряжения на диоде (туст ) - время, за которое напряжение на диоде при включении прямого тока достигает своего стационарного значения с заданной точностью (рис.

1. Н. М. Гарифуллин. Электроника: Учебное пособие. - Уфа, РИЦ БАШГУ, 2012. -163с.

2. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Учебное пособие для вузов. Под ред. Н. Д. Федорова. - М.: Радио и связь,1998.-560с.

3. К. С. Петров. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учебное пособие - Спб.: Питер, 2006. - 522с.

4. В. И. Лачин, Н. С. Савелов. Электроника. - Ростов н/Д: Феникс, 2005. -704с.

5. Г. Г. Червяков, С. Г. Прохоров, О. В. Шиндер. Электронные приборы. - Ростов н/Д: Феникс, 2012. - 333с.

6. И. П. Степаненко. Основы микроэлектроники. - М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. - 488с.

7. В. А. Прянишников. Электроника. - СПБ.: Корона-принт, 2004. - 416с.

8. В. А. Гуртов. Твердотельная электроника. - ПЕТРГУ, Петрозаводск, 2004. -312с.

9. В. С. Валенко. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХІ», 2001. -368с.

10. В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991г.

11. Электроника: Справочная книга. Под редакцией Ю. А. Быстрова. - СПБ,: Энергоатомиздат.,1996. -544с.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ: 1. Рассказать об устройстве плоскостного транзистора

Плоскостной транзистор представляет собой монокристаллический полупроводник с двумя близко расположенными электронно-дырочными переходами. Основой структуры транзистора является монокристалл / полупроводника (рис. 56), в котором при помощи примесей созданы три области с чередующимися типами проводимости. Если средняя область имеет электронную проводимость типа и, а две примыкающие области - дырочную типа р, то структура такого транзистора - типа р-п - р в отличие от транзистора п-р - л, имеющего среднюю область с дырочной проводимостью. Средняя область транзистора между двумя р - n - переходами называется базой, а крайние области - эмиттером и коллектором. От них сделаны внешние токоотводы, называемые соответственно эмнттер-ными, коллекторными и базовыми.

Плоскостной транзистор состоит из пластинки германия или кремния, в которой искусственно созданы три области различных проводимостей. Две крайние области всегда имеют одинаковый тип проводимости, а средняя область - другой. По сравнению с крайними областями средняя имеет ничтожно малые размеры. Ее толщина не превышает 10 - 20 мк. [3]

Плоскостной транзистор состоит из р - / z - перехода, смещенного в прямом направлении, который снабжает носителями тока р - га-переход, смещенный в обратном направлении.

Плоскостной транзистор представляет собой монокристаллическую структуру, состоящую из трех областей с чередующимися типами проводимости ( р-п - р или п-р - п), причем толщина w средней области - базы, разделяющей два р-п перехода, делается меньше диффузионной длины L неосновных носителей. [5]

Плоскостные транзисторы включаются по схемам: 1) с общим (заземленным) эмиттером ( фиг. [6]

Плоскостной транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор, обладающий усилительными свойствами. [7]

Плоскостной транзистор p - n - p - типа состоит из кристаллической полупроводниковой пластинки, имеющей n - проводимость; по обеим сторонам пластинки вплавлены два индиевых шарика, причем их граничные ( поверхности с пластинкой параллельны. [8]

2. Принцип действия биполярного бездрейфового транзистора

Биполярным транзистором (БТ) называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами, созданными в объеме монокристалла полупроводника. В зависимости от материала полупроводника различают кремниевые и германиевые транзисторы. Два p-n-перехода разделяют монокристалл на три легированные примесями области, называемые эмиттером, базой и коллектором и имеющие соответствующие выводы. По виду примесей различают транзисторы типов n-p-n и p-n-p (рис. 6.1). Приборы типа n-p-n в настоящее время используют чаще, потому что по сравнению с транзисторами p-n-p типа они имеют лучшие характеристики в области высших частот изза большей подвижности дырок и большее усиление при одной и той же концентрации примесей и одинаковой геометрии.

Биполярным транзистор называют потому, что его работа зависит от носителей заряда обеих полярностей. Весьма часто БТ называют просто транзистором от английского transfer resistor. По смыслу это означает, что транзистор изменяет (трансформирует) величину сопротивления, согласуя сопротивление нагрузки с выходным сопротивлением предыдущего каскада (узла) схемы.

Рис. 6.1. Структуры и условные графические обозначения биполярных транзисторов p-n-p (а) и n-p-n (б) типов

Усилительные свойства транзистора обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. БТ можно использовать в качестве усилителя тока, напряжения или мощности.

Электроды или выводы транзистора - проводники, которые соединены с p- и n-областями транзистора для обеспечения возможности включения транзистора в электрическую цепь и управления его параметрами.

Эмиттер (излучатель) - область транзистора, которая является источником (впрыскивателем, инжектором) зарядов в базу при воздействии внешнего электрического напряжения.

База - средняя область транзистора ? элемент, управляющий величиной тока, протекающего через транзистор.

Коллектор - область транзистора, предназначенная для сбора (извлечения) носителей заряда, созданных эмиттером и проходящих через базу.

Биполярный транзистор является несимметричным прибором, так как площади эмиттерного и коллекторного p-n-переходов различны. В частности площадь эмиттерного перехода меньше коллекторного. Кроме того, эмиттерная и коллекторная области имеют разную концентрацию атомов примеси. Степень легирования эмиттера намного больше, чем у коллектора. Структура реального транзистора p-n-p типа приведена на рис. 6.2.

В зависимости от механизма переноса инжектированных носителей через базовую область транзисторы подразделяются на два типа: бездрейфовые и дрейфовые. Биполярные транзисторы с неравномерным распределением примесей в базе, приводящим к появлению ускоряющего поля, называются дрейфовыми, а обычные - бездрейфовыми. В бездрейфовых транзисторах перенос носителей через базу имеет преимущественно диффузионный характер.

В зависимости от распределения атомов примеси в базе различают бездрейфовые и дрейфовые транзисторы.

Бездрейфовым называют биполярный транзистор, у которого примесь в базе распределена равномерно. В таком транзисторе внутри базы отсутствует электрическое поле, и носители заряда изза разной концентрации на границах базы движутся только за счет диффузии.

Дрейфовым называют биполярный транзистор, у которого примесь в базе распределена неравномерно. В этом случае электрическое поле внутри базы вызывает появление дрейфового движения носителей заряда дополнительно к диффузионному.

3. Начертить потенциальную диаграмму р-n-р и n-р-n транзисторов

4. Из каких компонентов состоят токи через эмиттерный и коллекторный переходы?

Электрод, подключенный к среднему слою, называют базой, электроды, подключенные ко внешним слоям, называют эмиттером и "коллектором". С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы. Но практически, при изготовлении транзисторов, для улучшения электрических параметров прибора они существенно различаются степенью легирования примесями. Эмиттерный слой сильно легированный, коллекторный легируется слабо, что обеспечивает повышение допустимого коллекторного напряжения. Величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода некритична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещенным эмиттерным P-n-переходом, кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Кроме того, площадь коллекторного P-n-перехода при изготовлении делается существенно больше площади эмиттерного перехода, что обеспечивает лучший сбор неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи.

Для повышения быстродействия (частотных параметров) биполярного транзистора толщину базового слоя нужно делать тоньше, так как толщиной базового слоя, в том числе, определяется время «пролета» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей, но, при снижении толщины базы, снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.

5. Из каких компонентов состоит ток базы биполярного транзистора?

Для изготовления дискретного биполярного транзистора необходим полупроводник электронного или дырочного типов проводимости, именуемый, как и вывод от него, базой, который, например, методом сплавления или диффузии легируют акцепторными примесями так, чтобы по обе стороны от базы были выполнены зоны с противоположными типами проводимостей. Это отражено на упрощенной конструкции сплавного биполярного транзистора, приведенной на рис. 4.1.

На рисунке цифрами обозначены: 1 - коллектор; 2 - база транзистора, например, образованная кристаллом германия или кремния; 3 - основание компонента; 4, 5 - вплавленные в кристалл примеси, например, индия или алюминия; 6 - кристаллодержатель; 7 - эмиттер.

Кристалл полупроводника, образующий базу транзистора, в данном случае механически прикреплен и электрически соединен с металлической пластинкой, приваренной к стенке компонента. Толщина базы обычно не превышает нескольких микрон. На рисунке видно, что эмиттерная область имеет меньшую площадь, чем коллекторная. Между базой и коллектором лежит коллекторный переход, а между базой и эмиттером - эмиттерный переход. В области базы транзистора концентрация носителей заряда чрезвычайно низка, а, следовательно, ее проводимость очень мала. В области коллектора концентрация и проводимость намного больше, чем в области базы, а в области эмиттера несколько выше, чем в области коллектора. Таким образом, концентрации носителей зарядов в областях транзисторов существенно отличаются.

Усиление или генерация колебаний транзисторами связана с инжекцией носителей зарядов обоих типов. Те компоненты, в которых перемещение носителей зарядов возникает по большей части за счет диффузии, называют диффузионными транзисторами, а если за счет дрейфа - то дрейфовыми транзисторами.

В диффузионных транзисторах неосновные носители заряда проходят область базы за счет теплового движения. Чтобы диффузионный транзистор мог обладать высокой граничной частотой усиления, необходимо выполнить область базы как можно меньшей толщины, однако в результате этого ее сопротивление будет велико. Если попробовать увеличить ее проводимость благодаря легированию, то возрастет емкость коллекторного перехода, что ухудшит частотные свойства транзистора.

В дрейфовых транзисторах создают такое неравномерное распределение примесей в области базы, чтобы концентрация примеси в зоне прилегания базы к эмиттеру была ориентировочно от 2-х до 4-х порядков выше, чем в зоне прилегания базы к коллектору. Благодаря этому неосновные носители заряда будут быстрее преодолевать базу под действием укоряющего поля коллекторного перехода, что позволяет дрейфовым транзисторам иметь более высокую граничную частоту усиления сигнала, чем диффузионным транзисторам. А сопротивление области базы мало даже при небольшой ее толщине благодаря легированию места прилегания базы к эмиттеру. Некоторые дрейфовые транзисторы предназначены для усиления и генерации СВЧ сигналов и могут работать на частотах в несколько десятков гигагерц.

6. Что такое коэффициент инжекции и коэффициент переноса?

Коэффициент инжекции эмиттерного перехода ? показывает, какая часть эмиттерного тока состоит из заряда, инжектированного в базу. Поскольку только инжектированные носители создают эффект усиления, желательно, чтобы коэффициент инжекции был как можно выше (обычно ? > 0,99).

Не все инжектированные эмиттером носители доходят до коллектора, некоторая их часть рекомбинирует: (4_2)

Коэффициент переноса показывает, какая часть инжектированных носителей дошла до коллектора, не прорекомбинировав. Коэффициент переноса зависит от времени жизни неосновных носителей в базе и ее длины. Именно необходимость обеспечить перенос инжектированных носителей через базу транзистора выдвигает требование, чтобы диффузионная длина была больше толщины базы транзистора Lp>>W. Выполнение этого условия позволяет обеспечить высокие значения коэффициента переноса (обычно ? > 0,98).

Коллекторный ток состоит из тока носителей заряда, инжектированных эмиттером, и тока утечки коллекторного перехода Ікоб (индекс б означает, что рассматриваемая схема является схемой с общей базой - ОБ), поэтому, учитывая (4_1) и (4_2), запишем: (4_3)

Чем выше коэффициент передачи эмиттерного тока в коллекторную цепь, тем выше усиление транзистора по мощности, поэтому иногда этот коэффициент называют коэффициентом усиления транзистора в схеме с общей базой (рис. 51б, 52), однако этот коэффициент всегда несколько меньше единицы, если не происходит лавинного умножения носителей в коллекторном переходе. Последний эффект может иметь место при сравнительно высоких напряжениях и иногда используется в специально сконструированных транзисторах, в этом случае: ? = ??M (4_4)

M = Ik/Ipk - коэффициент, характеризующий умножение неосновных носителей, дошедших до коллектора.

Коэффициенты ? и ? характеризуют вклад инжекционных и рекомбинационных процессов в коллекторный ток, т.е. в работу транзистора и его характеристики.

Для npn транзистора можно написать соотношения, аналогичные (4_1) - (4_4), при этом изменяются только индексы, обозначающие тип носителей заряда.

Запишем основные уравнения, характеризующие соотношения между токами транзистора: Іэ = Ік Іб,Ік = Іэ Ікб. (4_5)

Для тока Іб можно написать: Іб = Іэ - Ік = Іэ - ?IЭ = Іэ(1 - ?) - Ікб. (4_6)

7. Как влияет на работу транзистора неуправляемый ток коллекторного перехода? Каковы причины его возникновения?

Наибольшее влияние оказывает изменение температуры на величину неуправляемого тока коллекторного перехода / к, экспоненциально зависящего от температуры. Кроме самого тока коллекторного перехода, в величину 7к0 входят утечки по поверхности перехода р-п и ряд других токов, не поддающихся оценке. Изменение обратного тока перехода является одной из отрицательных особенностей транзисторов, и устранение его влияния должно быть предусмотрено при построении схемы. Рост тока / К0 может привести к снижению постоянного напряжения на триоде и даже вообще перевести транзистор в режим насыщения. Если сопротивление в базовой цепи отсутствует (включение со свободной базой), усиление может стать очень большим, и при а, близком к 1, триод разогреется и разрушится

8. Написать уравнение коллекторного тока для схемы с ОБ

Для схемы включения с ОБ. Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид: ІК =? · ІЭ ІКБ0.

9. Объяснить ход полученных входных и выходных характеристики транзистора в схеме ОБ

Основными вольтамперными характеристиками транзистора являются входная и выходная характеристики.

Зависимость Uвх =¦1(Івх)|Uвых =const - называют входной статической вольтамперной характеристикой (ВАХ), а зависимость Івых=¦2(Uвых) |Івх =const выходной статической ВАХ. ВАХ снимают в режиме по постоянному току и представляют собой зависимости постоянных токов и напряжений. Характеристики транзистора зависят от схемы его включения.

Для транзистора включенного по схеме с ОБ это будут соответственно зависимости: Uэб =¦1(Іэ), при Uкб=const

Ik =¦2(Uкб), при Іэ=const (5)

Характеристики обычно снимаются при нескольких различных постоянных значениях Іэ и Uкб. При этом получаются семейства статических входных и выходных характеристик, которые представлены на рис. 1.4 а, б.

Рис.1.4.

Входной характеристикой для схемы с ОБ является зависимость напряжения Uэб от входного тока Іэ при фиксированном Uкб (рис.1.4а). Эта характеристика подобна обычной характеристике полупроводникового диода смещенного в прямом направлении. При подаче положительного коллекторного напряжения Uкб>0 характеристика смещается влево. Это свидетельствует о наличии в транзисторе внутренней обратной связи, возникающей по ряду причин. Например, увеличение коллекторного напряжения вызывает уменьшение толщины базы, изза чего увеличивается градиент концентрации основных носителей, что вызывает увеличение тока эмиттера и веерообразное смещение входных характеристик влево.Выходная характеристика для схемы с ОБ (рис.1.4б) выражает зависимость тока коллектора Ік =f2(Uкб) при заданных входных токах Іэ. Как видно из рис.1.4б при Uкб=0 ток коллектора Ік ? 0, т.к. основные носители области эмиттера, инжектированные в базу, дрейфуют через коллекторный p-n-переход в область коллектора. Ток коллектора Ік (ток неосновных носителей) исчезает (обращается в ноль) только при некотором напряжение обратной полярности (при прямом смещении коллекторного перехода).

Незначительный наклон выходных характеристик указывает на высокое омическое сопротивление коллекторного перехода в закрытом состоянии, достигающий десятков и даже сотен КОМ.

10. Показать на входных и выходных характеристиках области, соответствующие режимам: активному, отсечки, насыщения

При любом включении транзистор характеризуется семейством входных и выходных характеристик. На рис. 6.9,а показаны зависимости коллекторного тока от разности потенциалов между коллектором и базой UКБ для pnp-транзистора или выходные ВАХ транзистора с ОБ (или выходными ВАХ), поскольку они характеризуют выходную цепь транзистора.

На рис. 6. 9,б показаны зависимости тока эмиттера от разности потенциалом между эмиттером и базой UЭБ, или ВХОДНЫЕВАХ транзистора с ОБ (или просто входными ВАХ), поскольку они характеризуют входную цепь транзистора.

А б

Рис. 6. 9.Выходные и входные ВАХ pnp-транзистора с ОБ

Следует напомнить, что для pnp-транзисторов при нормальном включении эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный переход - в обратном. Соответственно для npn-транзисторов при нормальном включении Uэб0 и Іэб0. Обычно все ВАХ рисуют в первом квадранте, т.е. по существу по осям откладывают модули соответствующих токов и напряжений.В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают три режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором эмиттерный переход находится в открытом состоянии, а коллекторный - в закрытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах.

В импульсных схемах транзистор работает в режиме электронного ключа. При этом ток коллектора в открытом состоянии транзистора (когда ключ замкнут) ограничивается не транзистором, а внешними сопротивлениями. Говорят, что ток не растет с ростом входного тока, а достигается насыщение роста. Отсюда возник термин - «режим насыщения». В режиме насыщения оба pn-перехода смещены в прямом направлении. Разомкнутому состоянию электронного ключа соответствует режим отсечки тока, или просто «режим отсечки». В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении. Таким образом, возможны три состояния (три режима работы транзистора) - активный, насыщения и отсечки.

Учитывая симметричную структуру транзистора, функции эмиттера и коллектора можно поменять местами. При этом включение транзистора называют инверсным. Очевидно, что как и при нормальном включении, здесь также возможны три режима - активный, насыщения и отсечки.

11. Какими предельными параметрами ограничивается рабочая область выходных характеристик транзистора?

Область значений выходных параметров, при которых допускается эксплуатация транзистора, называется рабочей. Границы этой области, показанной на рис.1.9, определяются тремя факторами: · максимальным значением напряжения U , превышение которого приводит к электрическому пробою коллекторногор-nперехода;

· максимальным значением коллекторного тока I , превышение которого приводит к перегреву эмиттерногор-n перехода;

· максимальным значением мощности, рассеиваемой в коллекторном переходе, Р ,превышение которого приводит к перегреву этого перехода. На рис.1.9 последнему фактору соответствует гипербола

I U = Р .

В маломощных транзисторах значение Р не превышает 0,3 Вт, в транзисторах средней мощности - 3 Вт. Современные транзисторы высокого уровня мощности обеспечивают рассеяние мощности до 100 Вт.Внутри рабочей области транзистор обычно эксплуатируется в составе усилителей. Начальный участок вольтамперной характеристики, где происходит резкое увеличение коллекторного тока, используется в устройствах импульсной техники при работе транзистора в ключевом режиме. Как отмечалось, в рабочей области коллекторный ток весьма слабо зависит от напряжения U . Кроме того, из хода вольтамперной характеристики входной цепи видно, что малому изменению напряжения U соответствует большое изменение базового тока. Из этого следует целесообразность установки электрического режима транзистора по величинам тока базы и напряжения коллектор-эмиттер, т.е. их выбора в качестве параметров режима прибора. В таком качестве они используются при построении статических характеристик: входные характеристики строятся для ряда значений напряжения U , а выходные - для ряда значений ТОКАІБ.

12. Как зависят значения предельных параметров от температуры?

Температура (T, Тп, Ткор). Выделение мощности сопровождается нагреванием диода, что приводит к росту обратного тока и увеличению вероятности возникновения теплового пробоя p-n-перехода. Для исключения теплового пробоя температура p-n-перехода должна быть меньше максимальной допустимой температуры перехода (Тп max). Как правило, эта температура для германиевых диодов составляет 70 °C, а для кремниевых - 125 °C. Выделяемая теплота рассеивается диодом в окружающую среду. Учитывая конструктивные особенности диода и условия его эксплуатации, иногда нормируются максимальная температура корпуса диода (Тк max) и максимальная температура окружающей среды вблизи диода (T).

Размещено на .ru