Г. П. Михайлов физика твердого тела, атома и атомного ядра
 Скачать 1.94 Mb.
|
1. Как возникает электронная проводимость в полупроводниках n-типа? 2. Как возникает дырочная проводимость в полупроводниках р-типа? 3. Почему на границе полупроводников р- и n-типа возникает обедненный слой? 4. Какова природа электрических зарядов на границе р-n-перехода? 5. Чему равен ток через р-n-переход в условиях равновесия? 6. Каким выражением определяется ток через р-n-переход? 7. Чем объясняется односторонняя проводимость р-n-перехода? 8. Как включить р-n-переход в прямом направлении? 9. Как зависит сопротивление p-n-перехода от напряжения при прямом и обратном включении? Требования к содержанию и оформлению отчета Отчет по лабораторной работе должен содержать: 1. Номер и название лабораторной работы. 2. Цель работы. 3. Теоретические основы принципов работы полупроводникового диода под напряжением. 4. Схему установки. 5. Таблицы с результатами измерений I(U) и вычислений R(U). 6. Графики зависимостей I(U) и R(U). 7. Результаты вычисления погрешности косвенного измерения величины R(U) одного значения U. 8. Выводы. Критерии результативности выполнения лабораторной работы Лабораторная работа считается выполненной, если студент: – умеет объяснять физические принципы работы полупроводникового диода, в частности явление односторонней проводимости диода; – правильно выполнил измерения и расчеты; – грамотно построил графики; – представил отчет, соответствующий предъявляемым требованиям; – знает ответы на все контрольные вопросы. 4.2. Лабораторная работа № 2 (79) Изучение статических характеристик и определение коэффициента усиления транзистора ЦЕЛИ РАБОТЫ 1. Изучение принципа работы биполярного транзистора. 2. Снятие статических характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. 3. Определение коэффициента усиления по току. ЗАДАЧА Приобретение навыков проведения измерений и умения обработки экспериментальных данных, характеризующих работу биполярного транзистора в электрических схемах. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Введение Транзистором, или полупроводниковым триодом, называется электронный прибор на основе полупроводникового монокристалла, содержащий три вывода и служащий для преобразования (чаще всего усиления) электрических сигналов. По физическим принципам работы транзисторы делятся на биполярные и полевые. В биполярных транзисторах ток создается как электронами, так и дырками. В основе их работы лежит явление диффузии электронов и дырок в р-n-переходе. В полевых (униполярных) транзисторах ток создается носителями заряда только одного типа (либо электронами, либо дырками). Диффузионные процессы в них отсутствуют. Диффузией называется процесс спонтанного перемещения вещества из областей, где его концентрация относительно велика, туда, где она мала. Это явление – следствие хаотического теплового движения частиц. Математически диффузия описывается уравнением grad J D n , (4.5) где J – вектор плотности потока вещества с модулем, равным числу частиц, пересекающих за единичное время площадку единичной площади, ориентированную перпендикулярно потоку, n – концентрация частиц в данном месте пространства. Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом диффузии. Для кремния при комнатной температуре коэффициент диффузии электронов D n = 35 см 2 /с, дырок – D p = 15 см 2 /с. Зная величину D, можно найти путь L, проходимый частицей в процессе диффузии за данное время t, L D t . (4.6) Эта формула называется законом случайных блужданий. Формулы (4.5), (4.6) применимы для описания диффузии любых частиц. Для описания диффузии неосновных носителей в полупроводниках помимо коэффициентов D n и D p нужен еще один параметр – время жизни неосновных носителей τ, определяемое как среднее время, прошедшее от появления заряда в полупроводнике до его рекомбинации (исчезновения пары) с носителем заряда противоположного знака. Время жизни зависит от концентрации примесей в полупроводнике и для разных образцов лежит в широких пределах τ = 10 –8 –10 –4 с. Инжекция носителей тока Пусть на р-n-переход (рис. 4.8) подано напряжение такой полярности, что внешнее поле E противоположно полю р-n-перехода E к (прямое смещение). Тогда потенциальный барьер для основных носителей на границе р-n-перехода снижается по сравнению со случаем, когда внешнее напряжение отсутствует. Под влиянием внешнего поля дырки переходят из р-в n-полупроводник, а электроны – в обратном направлении (из n в р-полупроводник), и в цепи возникает прямой ток, определяемый величиной ЭДС источника питания. Рис. 4.8. Электронно-дырочный переход ( д ) Дырки, перешедшие в n-полупроводник, являются для него неосновными носителями. Встречаясь с электронами, они рекомбинируют с ними с характерным временем жизни τ p . То же самое происходит с электронами, перешедшими в р-полупроводник, но уже со своим временем жизни τ n Пусть на р-n-переход, показанный на рис. 4.8, в момент времени t = 0 подан импульс прямого напряжения, длящийся время t 0 , намного меньшее, чем τ p и τ n . А при t = t 0 напряжение вновь скачком падает до нуля. Процесс рекомбинации происходит не мгновенно, поэтому у границы р-n-перехода за время импульса происходит как бы «впрыскивание» дырок в приграничный слой n-полупроводника, а электронов – в приграничный слой p-полупроводника. Это явление получило название инжекции носителей. За время dt число неосновных носителей уменьшается на dN, причем уменьшение числа носителей пропорционально времени dt и концентрации неосновных носителей N, т. к. чем их больше, тем больше вероятность встречи их с основными носителями, приводящей к рекомбинации 1 –d N N dt , (4.7) где τ = τ p , если рассматривается диффузия дырок (слева направо на рис. 4.8) и τ = τ n для диффузии электронов (справа налево там же). Разделяя переменные и интегрируя полученное выражение, получим закон, по которому изменяется с течением времени число неосновных носителей на границе р-n-перехода в результате рекомбинации N = N 0 e – t / τ , (4.8) где N 0 – концентрация неосновных носителей при t = 0. Если р-полупроводник легирован примесями намного сильнее, чем n-полупроводник, то величина N(t) для электронов в любой момент t намного меньше, чем N(t) для дырок, и процессом диффузии электронов можно пренебречь. Из соотношения (4.8) видно, что при t = τ 0 1 N N e , следовательно, τ можно определить и как время, спустя которое число неосновных носителей при подаче короткого импульса напряжения уменьшается в е раз. За это время носители успевают проникнуть вглубь полупроводника на расстояние L, называемое диффузионной длиной носителей. Ее можно рассчитать по формуле (4.6). Величина L различна для различных полупроводников и зависит от количества примесей и других дефектов кристаллической решетки. Например, для чистого германия L 1 мм, для германия с примесями – от 0,3 до 0,5 мм. Если же время импульса напряжения t 0 много больше τ p и τ n , то вблизи р-n-перехода при 0 < t < t 0 успевает установиться равновесная концентрация дырок, график зависимости которой от координаты показан на рис. 4.9 верхней кривой II. (Кривая I – распределение концентрации дырок без внешнего напряжения.) По мере удаления от границы р-n-перехода направо концентрация N(x) дырок плавно уменьшается, а расстояние, на которое они проникают в n-область, по порядку величины, равно p p p L D . (4.9) Существует и инжекция электронов из n-области в р-область (справа налево на рис. 4.9), но при малой концентрации N 0 электронов в n-полупроводнике этим процессом можно пренебречь. Принцип работы транзистора Существуют два типа биполярных транзисторов: р-n-р и n-р-n, которые различаются последовательностью чередования в монокристалле полупроводника областей с различным типом проводимости (р- и n-). На рис. 4.10 показана принципиальная схема n-р-n-транзистора, включенного в схему с общим эмиттером. Транзистор состоит из трех областей: левой, сильно легированной n-области, называемой эмиттером (Э), средней, слабо Рис. 4.9. Распределение концентрации дырок легированной р-области, называемой базой (Б) и правой сильно легированной n-области, называемой коллектором (К). Эти области отделены одна от другой двумя р-n-переходами: эмиттерным (1) и коллекторным (2). Эмиттерный р-n-переход включен в прямом направлении c помощью источника постоянного напряжения величиной E 1 , коллекторный смещен в обратном направлении постоянным напряжением от источника E 2 При включении транзистора в схему с общим эмиттером усиливаемый сигнал от источника слабого переменного напряжения u подается в цепь между эмиттером и базой, а снимается с нагрузочного резистора R Н , включенного в цепь между эмиттером и коллектором. Поток электронов из эмиттера в базу будет регулироваться напряжением U эб на базе, равным U эб = E 1 + u, которое будет изменять высоту потенциального барьера на эмиттерном р-n-переходе по сравнению со случаем U эб = 0. Основными носителями в эмиттере n-р-n-транзистора являются электроны. Т. к. эмиттерный р-n-переход включен в прямом направлении, то потенциальный барьер для электронов, совершающих переход «эмиттер – база», снижается, что приводит к инжекции электронов из эмиттера в базу (р-область). + – – + n p n I э I б I к 1 2 Э Б К • E 2 • • E 1 R Н u Рис. 4.10. Схема n-р-n-транзистора (один из используемых в установке) Это схематично показано на рис. 4.11 (е – заряд электрона), где изображены графики зависимости потенциальной энергии электрона W пот от координаты вдоль транзистора x при двух значениях потенциала базы U эб , но фиксированных потенциалах эмиттера и коллектора. (Для простоты на рис. 4.11 взят случай R Н = 0, так что потенциал коллектора совпадает с потенциалом «плюса» верхней батареи на рис. 4.10.) При U эб = 0 тока коллектора нет – транзистор «закрыт». Для «отпирания» n-р-n-транзистора на базу нужно подать положительный относительно эмиттера потенциал U эб , больший, чем 0,5–0,6 В. В результате инжекции электронов в базу их концентрация на границе эмиттерного перехода становится больше, чем в остальном объеме базы. Вследствие этого начинается диффузия электронов к границе второго р-n-перехода, где они попадают под действие электрического поля, приложенного к переходу «база – коллектор». Т. к. коллекторный переход (2) включен в направлении запирания, то не будет перехода ни дырок из базы в коллектор, ни электронов из коллектора в базу. Но для электронов, попавших в базу из эмиттера и диффундирующих к коллектору, приложенное ко второму р-n-переходу поле является ускоряющим (рис. 4.11) и потенциального барьера для него не существует. Эти электроны втягиваются в коллектор, создавая коллекторный ток I к . Таким образом, в активном режиме коллектор собирает инжектированные в базу электроны, что и отражается в его названии (to collect – собирать). Инжекция электронов из эмиттера сопровождается их рекомбинацией с дырками базы, в результате чего образуется Рис. 4.11. Зависимости потенциальной энергии электрона W пот от координат (один из используемых в установке) базовый ток I б . Чтобы сократить потери носителей, базу делают слаболегированной, а ее толщина l (см. рис. 4.11) берется много меньшей диффузионной длины электронов L n (l < L n ), которая составляет в германии 0,3–0,5 мм. Поэтому в германиевых транзисторах толщина базы не более 0,25 мм. Итак, большая часть электронов, инжектируемых с эмиттера, будет диффундировать к коллектору, и только незначительная часть уходит в цепь базы, создавая небольшой по сравнению с током коллектора I к ток базы I б (I б << I к ), причем, по первому правилу Кирхгофа, I б = I э – I к . (4.10) Базовый ток имеет и дырочный компонент, который образуется за счет инжекции дырок базы в эмиттер. В силу слабой легированности базы этим процессом можно пренебречь. Величину = I к / I э (4.11) называют передаточным коэффициентом транзистора. Обычно = 0,90–0,99. Комбинируя (4.10) и (4.11), найдем, что к б 1 I I >> 1. (4.12) Отношение изменения коллекторного тока к изменению тока базы при постоянном напряжении на коллекторе U эк называется коэффициентом усиления по току в схеме с общим эмиттером к б эк Δ Δ const I I U . (4.13) Функция I к (I б ) близка к линейной, поэтому к б I I . (4.14) Это означает, что в схеме включения транзистора с общим эмиттером достигается усиление по току. Значение коэффициента практически не зависит от величины сопротивления нагрузки R Н , поэтому схема рис. 4.10 будет работать как усилитель тока, даже когда R Н = 0. Однако сигнал на выходе при этом отсутствует и практического значения схема с рис. 4.10 при R Н = 0 не имеет. Введем коэффициент усиления сигнала по напряжению как отношение вых вых эб Δ Δ Δ Δ U U U u , (4.15) где U вых – напряжение на нагрузке R Н (рис. 3.3). Определим входное сопротивление транзистора как эб вх б Δ Δ U R I (4.16) (для типовых транзисторов значение R вх 1 кОм). Подставив (4.13) и (4.16) в (4.15), получим Н вх R R (4.17) В радиотехнических схемах обычно R н > R вх , поэтому γ >> 1, т. е. схема с общим эмиттером усиливает не только входной ток, но и напряжение входного сигнала. Коэффициент усиления по мощности равен 2 вых вых вых вых н вх вх вх вх р Р I U I R К Р I I R u »1. (4.18) Для некоторых типов транзисторов K p может достигать десятков тысяч. Характеристики транзистора в статическом режиме, т. е. при отсутствии нагрузки в цепи коллектора и, следовательно, при постоянстве напряжений, приложенных к коллекторному и эмиттерному переходам при изменении тока в цепях транзистора, называются статическими характеристиками. ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ В данной работе исследуются статические выходные характеристики германиевых транзисторов типа П214, включенных по схеме с общим эмиттером. Электрическая схема установки приведена на рис. 4.12. Блок питания, транзистор и электроизмерительные приборы смонтированы в установку, подключаемую к сети шнуром и тумблером «Сеть». На переднюю панель установки вынесены электроизмерительные приборы: 1) амперметр для измерения тока базы I б ; 2) вольтметр, измеряющий напряжение между эмиттером и коллектором U эк ; 3) амперметр для измерения коллекторного тока I к с двумя пределами измерений: 50 и 500 mА. ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ 1. Прежде чем приступить к работе, необходимо внимательно ознакомиться с оборудованием и заданием. 2. Перед включением установки в сеть проверить, чтобы тумблер «Сеть» в источнике питания находился в нижнем положении («Выкл.»). 3. По окончании работы отключить питание установки и привести рабочее место в порядок. 4. Не оставлять без присмотра включенную установку. ЗАДАНИЕ 1. Построение семейства статических характеристик транзистора. 2. Вычисление коэффициента усиления транзистора по току. Рис. 4.12. Электрическая схема установки МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ 1. Включить установку в сеть, переводя тумблер в положение «Вкл.». 2. Установить ток базы I б = 0,2 mА и, меняя ручкой потенциометра напряжение на коллекторе U эк от 1 до 8 В с шагом 0,5 В, снять соответствующие значения коллекторного тока (I к ), записывая их в табл. 4.3. После измерений необходимо сбросить напряжение до нуля. 3. Повторить измерения для тока базы I б = 0,3 mА; 0,4 mА; 0,5 mА; 0,6 mА. Т. к. при I б = 0,6 mА амперметр для измерения коллекторного тока зашкаливает уже при U эк = 3,5 В, в таблице в клетках, соответствующих таким напряжениям, ставят пропуск. 4. Построить графики зависимости I к от U эк при различных значениях тока базы I б (на одном листе миллиметровой бумаги). 5. Используя построенные графики, по формуле (4.13) рассчитать коэффициент усиления по току (β) при одном из значений коллекторного напряжения, например при U эк = 6 В. 6. Рассчитайть абсолютную погрешность величины β по формуле β = β· β , где β – относительная погрешность β. Для расчета β можно использовать формулу б к к, 2 к,1 б,2 б,1 I I I I I I Здесь I к, 2 , I к, 1 – коллекторные токи транзистора при одном и том же значении U эк и двух разных базовых токах I б, 2 , I б, 1 , а I б и I к – цена деления амперметров, подключенных к базе и коллектору транзистора соответственно. Таблица 4.3 U эк (В) I к (mА) I б = 0,2 mА I б = 0,3 mА I б = 0,4 mА I б = 0,5 mА I б = 0,6 mА |