Физика примеры решения задач Электротехника Задачи и лабораторные работы Математика примеры решения задач Вычислить интеграл Информатика Компьютерные сети Компьютерная математика
Исследование полевых транзисторов Исследование биполярных транзисторов Полупроводниковые выпрямители Электронный усилитель на транзисторах Лабораторная работа Исследование стабилитронов Исследование варикапов

Методические указания лабораторные работы по электронике

Токи в полупроводниках

Движение носителей заряда в полупроводнике обусловлено двумя механизмами – дрейфовым и диффузионным. Электрическое поле, в которое помещен полупроводник, вызывает направленное движение носителей - дрейф. Причиной же диффузии носителей заряда является наличие градиента концентрации свободных носителей.

Если в полупроводнике есть области повышенной и пониженной концентраций, то в нём возникает «перетекание» носителей, т.к. число частиц, уходящих из любой области в результате хаотического движения, пропорционально числу частиц, находящихся в ней, а число приходящих - пропорционально числу частиц в соседних с ней областях. Диффузионные потоки, выравнивающие концентрации, пропорциональны интенсивности теплового движения и перепаду концентраций и направлены в сторону её уменьшения.

С учетом сказанного плотность тока в полупроводниках в общем случае будет суммой четырех компонент:

 

Основным для круга вопросов, связанных с прохождением электрического тока в полупроводнике, является понятие подвижности носителей μ, определяемое как отношение средней скорости направленного их движения (скорости дрейфа), вызванного электрическим полем UE, к напряжённости Е этого поля.

Подвижности разных типов носителей в одном и том же полупроводнике различны, а в анизотропных полупроводниках различны и подвижности каждого типа носителей для разных направлений поля. Дрейфовая скорость, возникающая в электрическом поле, добавляется к скорости теплового хаотического движения, не дающего вклада в ток. Тот факт, что при заданном поле носитель имеет постоянную дрейфовую скорость, а не ускоряется неограниченно, связан с наличием процессов торможения - рассеяния. В идеальном кристалле даже в отсутствие поля каждый носитель имел бы определённую и неизменную как по величине, так и по направлению скорость. Однако реальный кристалл содержит примеси и различные дефекты структуры, сталкиваясь с которыми носитель каждый раз меняет направление скорости - рассеивается, так что движение его становится хаотическим. Под действием поля носитель эффективно ускоряется только до момента очередного столкновения, а затем, рассеиваясь, теряет направленность своего движения и энергию, после чего ускорение в направлении поля Е начинается заново до следующего столкновения.

Контактные явления. p-n-переход

Контакты с металлом или с другим полупроводником обладают иногда выпрямляющими свойствами, т. е. значительно эффективнее пропускают ток в одном направлении, чем в обратном. Это происходит потому, что в приконтактной области изменяется концентрация или даже тип носителей заряда, т. е. образуется пространственный заряд, обеспечивающий контактную разность потенциалов, необходимую для выравнивания (в состоянии равновесия) уровней Ферми по обе стороны контакта.

В отличие от металлов, в полупроводниках эта область оказывается достаточно широкой, чтобы при малой концентрации носителей обеспечить нужный перепад потенциала. Если знак контактной разности потенциалов таков, что концентрация носителей в приконтактной области становится меньшей, чем в объёме полупроводника, то приконтактный слой определяет электросопротивление всей системы. Внешняя разность потенциалов дополнительно уменьшает число носителей в приконтактной области, если она добавляется к контактной разности потенциалов или, наоборот, увеличивает их концентрацию, если знак её противоположен. Таким образом, сопротивление контакта для токов в прямом и обратном направлениях оказывается существенно разным, что и обеспечивает выпрямляющие свойства контакта (барьер Шотки).

Такие контакты явились первыми полупроводниковыми приборами (выпрямители, детекторы), однако развитие полупроводниковой электроники началось лишь после того, как были созданы р-n-переходы - контакты областей полупроводника с разным типом проводимости внутри единого полупроводникового кристалла. Контактная разность потенциалов в этом случае близка к ширине запрещенной зоны, т.к. F в n-области лежит вблизи дна зоны проводимости Ec, а в р-области - вблизи валентной зоны Ev. Уменьшающая её внешняя разность потенциалов вызывает диффузионные потоки электронов в р-область и дырок в n-область (инжекцию неосновных носителей тока). В обратном направлении р-n-переход практически не пропускает ток, т.к. оба типа носителей оттягиваются от области перехода. В полупроводниках с большой длиной диффузии, таких, как Ge и Si, инжектированные одним р - n -переходом неравновесные носители могут достигать другого, близко расположенного р-n-перехода, и существенно определять ток через него. Ток через р-n-переход можно изменять, создавая вблизи него неравновесные носители каким-либо другим способом, например освещением. Первая из этих возможностей управления током р-n-перехода (инжекция) является физической основой действия транзистора, а вторая (фотоэдс) - солнечных батарей.

На рисунке 4 приведены зонные диаграммы, иллюстрирующие этапы формирования электронно-дырочного перехода.

Рис.4. Схема образования p-n-перехода

Границу, где уровень Ферми пересекает середину запрещенной зоны, называют физическим p-n переходом.

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода (диода) с приложенным внешним напряжением Vg будет иметь следующий вид:

, (1)

где Js – плотность тока насыщения, равная:

Рис.5. Вольтамперная характеристика p-n-перехода

Как следует из приведенного выше соотношения (1) и рис.5, вольтамперная характеристика идеального p-n перехода имеет ярко выраженный несимметричный вид. В области прямых напряжений ток p-n перехода диффузионный и экспоненциально возрастает с ростом приложенного напряжения. В области отрицательных напряжений ток p-n перехода - дрейфовый и не зависит от приложенного напряжения.

В настоящей работе рассматривается активный режим работы транзистора. В режимах запирания и насыщения транзисторы работают в импульсных и цифровых схемах.

При работе p-n-р-транзистора в усилительном режиме к его
р-n-переходам прикладываются внешние напряжения, соответствующие полярности, указанной на рис. 5.1 в. К правому (коллектор–база) р-n-переходу прикладывается обратное смещение, и поэтому величина его потенциального барьера равна сумме диффузионного потенциала и напряжения смещения Eб. Сопротивление перехода из-за увеличения ширины потенциального барьера велико. Если бы правый переход был изолирован от левого, то в таком режиме через него протекал бы только небольшой обратный или тепловой ток .

Левая часть транзистора (р-n-переход эмиттер–база) в усилительном режиме находится под прямым смещением и величина потенциального барьера мала. При этом происходит интенсивная инжекция дырок через переход в базовую область. Так как левая область инжектирует дырки, то ее называют эмиттером. Правая область их собирает, и поэтому ее называют коллектором.

Статические характеристики транзисторов

Статические характеристики выражают функциональную связь между токами транзистора и приложенными к нему напряжениями. Наиболее широко используются входные и выходные статические характеристики, представляющие собой зависимости: Iвх=f1(Uвх) при постоянном Uвых и Iвых=f2(Uвых) при постоянном Iвх. Они приводятся, как правило, в справочной литературе для усредненных параметров данного типа транзисторов. Семейства входных и выходных статических характеристик некоторых транзисторов приведены в приложении.

Статические характеристики транзисторов позволяют в любой рабочей точке определить основные параметры последних. Несмотря на относительно невысокую точность определения параметров конкретных приборов по статическим характеристикам, ими широко пользуются при проектировании и расчете различных электронных схем.

Параметры транзисторов

Четырехполюсник можно описать уравнениями, связывающими токи и напряжения на его входе и выходе (рис. 5.2). Наибольшее распространение для описания свойств и параметров транзистора, представленного в виде четырехполюсника, получили системы уравнений, в которых в качестве независимых переменных берутся: входной и выходной ток (система -параметров), входное и выходное напряжения (система  -параметров), входной ток и выходное напряжение (система -параметров):

<

, , .

(5.1)

-, - и -параметры могут быть определены по результатам эксперимента в режимах «холостого хода» и «короткого замыкания» по переменным току и напряжению на входе и выходе четырехполюсника. Их физический смысл следует непосредственно из вида уравнений (5.1). Так, для -параметров (параметров «холостого хода») имеем:

входное сопротивление четырехполюсника при «холостом ходе» для переменного тока на выходе;

сопротивление обратной связи (обратной передачи) при «холостом ходе» для переменного тока на входе;

сопротивление прямой передачи (сопротивление усиления) при «холостом ходе» для переменного тока на выходе;

выходное сопротивление при «холостом ходе» для переменного тока на входе.

Исследовать семейство статических выходных характеристик БПТ, включенного по схеме с общей базой, т.е. семейство вида IК=f(UКБ) при IЭ=const. Измерения проводить для пяти фиксированных значений IЭ = 5; 10; 15; 20; 25 mA.

С помощью R9 и тестера ММ-2 установить IЭ=5 mA. Далее, с помощью R10 и тестера ММ-4 изменять напряжение UКБ от 0 до 8В c шагом 1 В. При каждом значение напряжения UКБ с помощью тестера ММ-3 определять величину тока коллектора IК. Полученные результаты занести в таблицу 2.2.

Установить R10 в крайнее левое положение. Повторить измерения для остальных фиксированных значений тока эмиттера IЭ=10; 15; 20; 25 mA. Полученные результаты занести в таблицу 2.2.

Таблица 2.2.

Токр.ср.

(0С)

Тип

транзистора

(mA)

UКБ

(В)

0

1

2

3

4

8

КТ602А

5

IК, mA

10

IК, mA

15

IК, mA

20

IК, mA

25

IК, mA

Выключить источники питания Е1 и Е2 нажатием кнопки “POWER”.

3.5. Собрать схему, представленную на рис. 2.15. Для этого достаточно: установить переключатель П4, расположенный на монтажном шасси, в положение «ОЭ», а переключатель РРП тестера ММ-2 – в положение 20 mA. Предъявить собранную схему преподавателю для проверки.

3.6. Исследовать семейство статических входных характеристик БПТ, включенного по схеме с общим эмиттером, т.е. семейство вида IБ=f(UБЭ) при UКЭ=const. Измерения проводить для трех фиксированных значений UКЭ= 0; 4; 8 В.

Включить источники питания Е1 и Е2 нажатием кнопки “POWER”. С помощью R10 и тестера ММ-4 установить UКЭ=0 В. Далее, с помощью R9 и тестера ММ-2 устанавливать значения тока базы IБ от 0 до 0,8 mA c шагом 0,1 mA. При каждом значении тока IБ с табло тестера ММ-1 снять значение напряжения UБЭ, а с табло тестера ММ-3 – значение тока коллектора IК. Отметить значения UБЭ и IК при токе базы IБ=0,01 mA. Полученные результаты занести в таблицу 2.3.

В процессе измерений следить за величиной тока коллектора IК. Если IК превышает 30 mA, то измерения прекратить.

Установить R9 в крайнее левое положение. Повторить измерения для UКЭ=4 В и UКЭ=8 В. Полученные результаты занести в таблицу 2.3.

Таблица 2.3.

Токр.ср.

(0С)

Тип

транзистора

UКЭ

(В)

(mA)

0

0,01

0,1

0,2

0,3

0,8

КТ602А

0

UБЭ , B

IК , mA

4

UБЭ , B

IК , mA

8

UБЭ , B

IК , mA

3.7. Исследовать семейство статических выходных характеристик БПТ, включенного по схеме с общим эмиттером, т.е. семейство вида IК=f(UКЭ) при IБ=const. Измерения проводить для пяти фиксированных значений IБ = 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 mA.

С помощью R9 и тестера ММ-2 установить IБ=0,1 mA. Далее, с помощью R10 и тестера ММ-4 изменять напряжение UКЭ от 0 до 8В c шагом 1 В. При каждом значении напряжения UКЭ с помощью R9 и тестера ММ-2 корректировать значение тока IБ=0,1 mA. После этого, с помощью тестера ММ-3 определять величину тока коллектора IК. Полученные результаты занести в таблицу 2.4.

Установить R10 в крайнее левое положение. Повторить измерения для остальных фиксированных значений тока базы IБ=0,2; 0,3; 0,4; 0,5 mA. Полученные результаты занести в таблицу 2.4.

Таблица 2.4.

Токр.ср.

(0С)

Тип

транзистора

(mA)

UКЭ

(В)

0

1

2

3

4

8

КТ602А

0,1

IК, mA

0,2

IК, mA

0,3

IК, mA

0,4

IК, mA

0,5

IК, mA

Закончив измерения выключить источники питания и тестеры. Предъявить полученные результаты преподавателю для проверки.


Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике