Контрольные вопросы

1. Почему в области контакта n- и p-полупроводников возникает потенциальный барьер?

2. Объясните на энергетической диаграмме p-n-перехода, как изменяется высота барьера p-n-перехода при приложении к нему внешнего напряжения.

3. Объясните причины, приводящие к различию между токами в прямом и обратном направлениях.

4. Объясните температурную зависимость прямого и обратного токов через плоскостной диод.

Список рекомендуемой литературы

1. Батушев В.А. Электронные приборы. М.: Высш. шк., 1980. 383с.

2. Шалимова К.В. Физика полупроводников. М: Энергия, 1976. 416с.

3. Лысов В.Ф. Практикум по физике полупроводников. М.: Прос­вещение, 1976. 207с.

4. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Твердотельная электроника. М.: Высш. шк., 1986. 304с.

5. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1977. 672с.

6. Ржевкин К.С. Физические принципы действия полупроводниковых приборов. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986. 256с.

Лабораторная работа 3 изучение температурной зависимости характеристик биполярного транзистора

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: планшет, германиевый и кремниевый транзисторы, термостат, схема питания, мультиметры типа С1-112 и С1-107.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследование входной характеристики биполярных транзисторов в схеме с общей базой в зависимости от температуры; определение ширины запрещенной зоны материала полупроводниковых триодов.

ТЕОРИЯ

Биполярным транзистором называют трехэлектродный прибор, имеюший два взаимодействующих электронно-дырочных перехода (рис. 1). В транзисторе чередуются по типу электропроводности три области полупроводника.

В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы типов р-n-р и n-р-n. Принцип их действия одинаков. Одну из крайних областей транзисторной структуры легирует сильнее. Ее используют обычно в режиме инжекции и называют эмиттером. Промежуточную область называют базой, а другую крайнюю область – коллектором. Основным назначением коллектора является экстракция носителей заряда из базовой области, поэтому размеры у него больше, чем у эмиттера. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а между коллектором и базой – коллекторным.

На эмиттер для обеспечения режима инжекции подается прямое

Рис. 1

напряжение U_ЭБ, а на коллектор, работающий в режиме экстракции – обратное – U_КБ. Общая точка эмиттерной и коллекторной цепей (см. рис. 1) соединена с базовым электродом. Такое включение транзистора носит название схемы с общей базой. (Существуют и другие способы включения – с общим эмиттером и общим коллектором.)

Толщина базы w в транзисторе значительно меньше диффузионной длины дырок. Благодаря этому основная часть дырок, инжектируемых эмиттером, пролетает сквозь базу до коллекторного перехода без рекомбинации. Здесь дырки, являясь неосновными носителями, увлекаются полем коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, и создают в его цепи ток, величина которого пропорциональна эмиттерному току I_Э:

I_K = αI_Э. (1)

Коэффициент пропорциональности α называется коэффициентом передачи тока эмиттера. При достаточно тонкой базе, когда потери дырок за счет рекомбинации их в базе малы, коэффициент передачи тока может доходить до 0,99 и более. Кроме того, в цепи коллектора протекает собственный обратный ток коллекторного перехода, имеющий небольшую величину. Его обозначают I_КБ0. Как и в полупроводниковом диоде, собственный обратный ток коллекторного перехода имеет три составляющие: ток экстракции I_К0, термоток перехода I_КТ и ток поверхностной проводимости перехода I_КУ:

I_КБ0=I_К0+I_КТ+I_КУ. (2)

Полный ток коллектора, таким образом, равен

I_К = I_К^´ + I_КБ0 = αI_Э + I_КБ0. (3)

Транзистор представляет собой управляюший прибор, его коллекторный ток зависит от тока эмиттера. Поскольку напряжение в цепи коллектора, включенного в обратном направлении, может быть значительно больше, чем в цепи эмиттера, включенного в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, мощность, создаваемая переменной составлявшей коллекторного тока в нагрузке R, может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление током в цепи эмиттера, т.е. транзистор обладает усилительным эффектом. Если база достаточно тонкая, то изменение тока коллектора при изменении эмиттерного тока происходит с очень малой инерцией. Это позволяет использовать транзисторы не только на низких, но и на высоких частотах.

Рассмотрим характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой. Различают два вида характеристик – входные и выходные. Входная характеристика транзистора в схеме с общей базой представляет собой зависимость тока эмиттера от напряжения U_ЭБ при фиксированном значении U_КБ. Расчеты показывают, что ток эмиттера определяется зависимостью

. (4)

Величина I₁₁ представляет собой ток экстракции эмиттера при нулевом напряжении коллектора, а величина I₁₂ – ток инжекции эмиттера при U_ЭБ=0, вызванный обратным коллекторным напряжением, которое создает градиент концентрации носителей заряда у эмиттерного перехода, чем и обусловливается появление тока I₁₂. Токи I₁₁ в I₁₂ имеют небольшую величину (такого же порядка, что и обратный ток уединенного электронно-дырочного перехода). Поскольку на коллектор подается обратное напряжение, вклад второго слагаемого в (4) мал по сравнению с вкладом первого слагаемого. При больших U_ЭБ (U_ЭБ > 0,02 В) в соотношении (4) вторым слагаемым можно пренебречь.

Ток экстракции эмиттера

зависит от температуры, поэтому ток эмиттера при больших U_ЭБ(>0,02) равен

(6)

. (7)

При зависимость I_Э(U_ЭБ) слабая, а при – сильная. Величина при температурах вблизи комнатной равна 0,02–0,03 В, поэтому при U_ЭБ, превышающем это значение, единицей в (6) можно пренебречь и переписать (6) в виде

. (8)

Выходная характеристика транзистора в схеме с общей базой представляет зависимость тока коллектора от напряжения U_КБ при I_Э=const. Эта зависимость имеет вид уравнения (3), в котором ток экстракции

(9)

зависит от температуры. Влияние этого члена на температурный дрейф

выходной характеристики оказывается незначительным из-за малого вклада тока экстракции I_К0 в общий ток коллектора.