Исследование полупроводниковых приборов

Òîìñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò
ñèñòåì óïðàâëåíèÿ è ðàäèîýëåêòðîíèêè
Êàôåäðà ýëåêòðîííûõ ñðåäñòâ àâòîìàòèçàöèè è óïðàâëåíèÿ
À. È. Ï Î Ï Î Â, Â. Ô. Ñ È Â Å Ð Ö Å Â, À. À. Ø È Á À Å Â
Èññëåäîâàíèå
ïîëóïðîâîäíèêîâûõ
ïðèáîðîâ
Ðóêîâîäñòâî ê ëàáîðàòîðíîé ðàáîòå  12 ïî êóðñó
¾Îáùàÿ ýëåêòðîòåõíèêà è ýëåêòðîíèêà¿
Òîìñê
2010
1. Öåëü ðàáîòû
Ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå âîëüò-àìïåðíûõ õàðàêòåðèñòèê (ÂÀÕ) è ðàñ÷¼ò îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ ãåðìàíèåâîãî è êðåìíèåâîãî äèîäîâ, áèïîëÿðíîãî è ïîëåâîãî òðàíçèñòîðîâ.
2. Êðàòêèå ñâåäåíèÿ èç òåîðèè
2.1. Ïîëóïðîâîäíèêîâûå äèîäû
Ïîëóïðîâîäíèêîâûì äèîäîì íàçûâàþò ïîëóïðîâîäíèêîâûé ïðèáîð ñ îäíèì âûïðÿìëÿþùèì ýëåêòðè÷åñêèì p -n ïåðåõîäîì è äâóìÿ âûâîäàìè, â êîòîðîì èñïîëüçóåòñÿ òî èëè
èíîå ñâîéñòâî ýòîãî ïåðåõîäà.
Ñòðóêòóðà äèîäà è åãî ðàáîòà ïðè ðàçëè÷íîì ïðèëîæåíèè âíåøíåãî íàïðÿæåíèÿ ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 2.1.
 îòñóòñòâèå íàïðÿæåíèÿ íà p -n ïåðåõîäå (U = 0) èìååò ìåñòî áîëüöìàíîâñêîå ðàâíîâåñèå: äèôôóçèîííûå è äðåéôîâûå ïîòîêè íîñèòåëåé óðàâíîâåøåíû è ðåçóëüòèðóþùåãî
òîêà íåò (I = 0).
Âîîáðàçèì, ÷òî âíåøíåå íàïðÿæåíèå ïðèëîæåíî òàê, ÷òî
ñîçäàâàåìàÿ èì íàïðÿæ¼ííîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ E ñîâïàäàåò ïî íàïðàâëåíèþ ñ äèôôóçèîííîé íàïðÿæ¼ííîñòüþ
ïîëÿ Eäèô . Ñóììàðíàÿ íàïðÿæ¼ííîñòü ïîëÿ â p -n ïåðåõîäå óâåëè÷èâàåòñÿ. Ïåðåõîä ðàñøèðÿåòñÿ. Íåîñíîâíûå íîñèòåëè çàðÿäà âòÿãèâàþòñÿ ýëåêòðè÷åñêèì ïîëåì â p -n ïåðåõîä è ïðîõîäÿò ÷åðåç íåãî â ñîñåäíþþ îáëàñòü ïðîèñõîäèò ýêñòðàêöèÿ. Ïðè ýòîì ÷åðåç p -n ïåðåõîä áóäåò ïðîòåêàòü îáðàòíûé òîê Iîáð . Îáðàòíûé òîê âûçûâàåòñÿ íåîñíîâíûìè íîñèòåëÿìè îäíîé èç îáëàñòåé, êîòîðûå, äðåéôóÿ â
ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå îáëàñòè îáú¼ìíîãî çàðÿäà, ïîïàäàþò â
îáëàñòü, ãäå îíè óæå ÿâëÿþòñÿ îñíîâíûìè íîñèòåëÿìè. Òàê
êàê êîíöåíòðàöèÿ îñíîâíûõ íîñèòåëåé ñóùåñòâåííî ïðåâûøàåò êîíöåíòðàöèþ íåîñíîâíûõ, òî ïîÿâëåíèå íåçíà÷èòåëüíîãî äîïîëíèòåëüíîãî êîëè÷åñòâà îñíîâíûõ íîñèòåëåé ïðàêòè÷åñêè íå èçìåíèò ðàâíîâåñíîãî ñîñòîÿíèÿ ïîëóïðîâîäíèêà. Òàêèì îáðàçîì, îáðàòíûé òîê çàâèñèò òîëüêî îò êîëè÷å3
Ðèñ. 2.1. Ðåæèìû ðàáîòû âûïðÿìèòåëüíîãî äèîäà.
4
ñòâà íåîñíîâíûõ íîñèòåëåé, ïîÿâëÿþùèõñÿ íà ãðàíèöàõ îáëàñòè îáú¼ìíîãî çàðÿäà. Âíåøíåå ïðèëîæåííîå íàïðÿæåíèå
îïðåäåëÿåò ñêîðîñòü ïåðåìåùåíèÿ ýòèõ íîñèòåëåé èç îäíîé
îáëàñòè â äðóãóþ, íî íå ÷èñëî íîñèòåëåé, ïðîõîäÿùèõ ÷åðåç ïåðåõîä â åäèíèöó âðåìåíè. Ñëåäîâàòåëüíî, îáðàòíûé
òîê ÷åðåç ïåðåõîä ÿâëÿåòñÿ òîêîì ïðîâîäèìîñòè è íå çàâèñèò îò âûñîòû ïîòåíöèàëüíîãî áàðüåðà, ò. å. îí îñòà¼òñÿ ïîñòîÿííûì ïðè èçìåíåíèè îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ íà ïåðåõîäå. Îòñþäà è ïîñòîÿíñòâî âîëüò-àìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè
íà ó÷àñòêå îáðàòíûõ òîêîâ è íàïðÿæåíèé.
Îáðàòíûé òîê íàçûâàþò òîêîì íàñûùåíèÿ è îáîçíà÷àþò
Ií . Òèïîâîå çíà÷åíèå òîêà íàñûùåíèÿ Ií = 10−12 . . . 10−6 À.
Åñëè âíåøíåå íàïðÿæåíèå ïðèëîæåíî òàê, ÷òî ñîçäàâàåìàÿ èì íàïðÿæ¼ííîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ E ïðîòèâîïîëîæíà ïî íàïðàâëåíèþ äèôôóçèîííîé íàïðÿæ¼ííîñòè Eäèô ,
òî ïðîèñõîäèò óìåíüøåíèå ñóììàðíîé íàïðÿæ¼ííîñòè ïîëÿ
â p -n ïåðåõîäå. Ïåðåõîä ñóæàåòñÿ. ×àñòü îñíîâíûõ íîñèòåëåé, èìåþùèõ íàèáîëüøåå çíà÷åíèå ýíåðãèè, ïðîõîäèò ÷åðåç p -n ïåðåõîä. Ýòî ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ ñðàâíèòåëüíî
áîëüøîãî ïðÿìîãî òîêà Iïð ÷åðåç p -n ïåðåõîä. Íàïðÿæåíèå
ðàññìîòðåííîé ïîëÿðíîñòè íàçûâàþò ïðÿìûì íàïðÿæåíèåì
Uïð è ñ÷èòàþò ïîëîæèòåëüíûì. Ïðåîäîëåâøèå ïåðåõîä íîñèòåëè çàðÿäà îêàçûâàþòñÿ â ñîñåäíåé îáëàñòè íåîñíîâíûìè. Òàêèì îáðàçîì, ÷åðåç p -n ïåðåõîä ïðîèñõîäèò èíæåêöèÿ
íåîñíîâíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà â îáëàñòü, ïðèìûêàþùóþ ê
p -n ïåðåõîäó.
Íà õàðàêòåðèñòèêå ðèñ. 2.1 ìîãóò áûòü âûäåëåíû ÷åòûðå
õàðàêòåðíûõ ó÷àñòêà. Íà ïåðâîì ó÷àñòêå îò òî÷êè A äî òî÷êè B âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà èìååò êðóòîé (ýêñïîíåíöèàëüíûé) íàêëîí è ìàëîå çíà÷åíèå äèôôåðåíöèàëüíîãî
ñîïðîòèâëåíèÿ dUïð /dIïð . Ýòî ó÷àñòîê íîðìàëüíîé ðàáîòû
äèîäà â âûïðÿìèòåëüíîì ðåæèìå. Ïðÿìîé òîê Iïð îãðàíè÷èâàåòñÿ åãî ìàêñèìàëüíî äîïóñòèìûì çíà÷åíèåì Imax , ãàðàíòèðóþùèì òåïëîâîå ðàâíîâåñèå äèîäà, ïðè ïðåâûøåíèè
êîòîðîãî äèîä ìîæåò ïåðåãðåòüñÿ è ðàçðóøèòüñÿ.
Âòîðîé ó÷àñòîê îò òî÷êè B äî íà÷àëà êîîðäèíàò õàðàêòåðèçóåòñÿ ïåðåìåííîé êðóòèçíîé. Òîëüêî îäèí ýòîò ó÷àñòîê
5
äëÿ âûïðÿìèòåëüíîãî ðåæèìà íå èñïîëüçóþò, îäíàêî îí íàõîäèò ïðèìåíåíèå â ðàçëè÷íûõ ñõåìàõ óñòðîéñòâ àíàëîãîâîé
ýëåêòðîíèêè.
Òðåòèé ó÷àñòîê îò íà÷àëà êîîðäèíàò äî òî÷êè C îòëè÷àåòñÿ áîëüøèìè çíà÷åíèÿìè äèôôåðåíöèàëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ dUîáð /dIîáð è ìàëûìè îáðàòíûìè òîêàìè äèîäà Iîáð . Ýòî
ðàáî÷èé ó÷àñòîê äèîäà, âêëþ÷åííîãî â çàïèðàþùåì íàïðàâëåíèè.
Èòàê, äèôôåðåíöèàëüíûå ñîïðîòèâëåíèÿ ðàáî÷èõ ó÷àñòêîâ ïðÿìîé è îáðàòíîé âåòâåé ÂÀÕ ìîãóò ðàçëè÷àòüñÿ íà
íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ. Ýòî ñâîéñòâî äèîäà ÿâëÿåòñÿ îïðåäåëÿþùèì è õàðàêòåðèçóåò åãî êàê ýëåìåíò ñ îäíîñòîðîííåé
ïðîâîäèìîñòüþ (âåíòèëü). Ïðè ïðèëîæåíèè ê äèîäó ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ îí íå îêàçûâàåò ñóùåñòâåííîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ïðîòåêàíèþ ÷åðåç íåãî òîêà è îòêðûò; ïðè ïðèëîæåíèè
îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ åãî ñîïðîòèâëåíèå ðåçêî âîçðàñòàåò
è äèîä çàêðûò.
×åòâ¼ðòûé ó÷àñòîê çà òî÷êîé C õàðàêòåðèçóåòñÿ áûñòðûì óâåëè÷åíèåì îáðàòíîãî òîêà. Çíà÷åíèå Umax , îïðåäåëÿþùåå ýòó òî÷êó, îãðàíè÷èâàåò ìàêñèìàëüíî äîïóñòèìîå
îáðàòíîå íàïðÿæåíèå íà äèîäå, íà÷èíàÿ ñ êîòîðîãî â í¼ì
ðàçâèâàþòñÿ ïðîáîéíûå ÿâëåíèÿ, ñïîñîáíûå ïðè íåîãðàíè÷åííîì îáðàòíîì òîêå âûâåñòè äèîä èç ñòðîÿ. Ýòîò ó÷àñòîê
íåðàáî÷èé.
Âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà äèîäà ñ ó÷¼òîì äîïóùåíèé (íóëåâàÿ øèðèíà p -n ïåðåõîäà, îòñóòñòâèå îìè÷åñêîãî
ñîïðîòèâëåíèÿ áàçîâîé îáëàñòè ïåðåõîäà, îòñóòñòâèå ÿâëåíèé ïðîáîÿ è ïîâåðõíîñòíûõ ñîñòîÿíèé) äîñòàòî÷íî õîðîøî
îïèñûâàåòñÿ óðàâíåíèåì ÝáåðñàÌîëëà
U
I = Ií exp
−1 ,
γϕT
ãäå I òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç äèîä; U íàïðÿæåíèå íà ïåðåõîäå; γ êîýôôèöèåíò ýìèññèè; ϕT òåìïåðàòóðíûé ïîòåíöèàë. Âåëè÷èíà ϕT äà¼òñÿ ôîðìóëîé
ϕT =
6
kT
,
q
Ðèñ. 2.2. Âîëüò-àìïåðíûå õàðàêòåðèñòèêè ãåðìàíèåâîãî è êðåìíèåâîãî äèîäîâ.
ãäå k ïîñòîÿííàÿ Áîëüöìàíà (1,38 · 10−23 Äæ/K); T àáñîëþòíàÿ òåìïåðàòóðà ðàáîòû ïðèáîðà; q çàðÿä ýëåêòðîíà
(1,6 · 10−19 Êë). Ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå ϕT ≈ 26 ìÂ.
Êîýôôèöèåíò ýìèññèè γ çàâèñèò îò òåõíîëîãèè. Äëÿ ãåðìàíèåâîãî äèîäà γ ≈ 1, à äëÿ êðåìíèåâîãî γ ≈ 2.
Íà ðèñ. 2.2 ïðåäñòàâëåíû âîëüò-àìïåðíûå õàðàêòåðèñòèêè ãåðìàíèåâîãî è êðåìíèåâîãî äèîäîâ. Ìàñøòàá ïî îñè îðäèíàò äëÿ îòðèöàòåëüíûõ çíà÷åíèé òîêîâ âî ìíîãî ðàç áîëüøå, ÷åì äëÿ ïîëîæèòåëüíûõ. Íåñìîòðÿ íà áîëåå êðóïíûé
ìàñøòàá, îáðàòíûé òîê êðåìíèåâîãî äèîäà íà ãðàôèêå íå
èçîáðàæ¼í, ò. ê. îáû÷íî îí íà äâà-òðè ïîðÿäêà ìåíüøå îáðàòíîãî òîêà ãåðìàíèåâîãî äèîäà.
ÂÀÕ äèîäîâ ïðîõîäèò ÷åðåç íóëü, íî äîñòàòî÷íî çàìåòíûé òîê ïîÿâëÿåòñÿ ó ãåðìàíèåâîãî äèîäà ëèøü ïðè íàïðÿæåíèè 0,1 . . . 0,2 Â, à ó êðåìíèåâîãî ïðè 0,5 . . . 0,6 Â. Øèðèíà çàïðåù¼ííîé çîíû êðåìíèÿ ∆ESi áîëüøå øèðèíû çàïðåù¼ííîé çîíû ãåðìàíèÿ ∆EGe . Ïîýòîìó ïðÿìîé òîê êðåìíèåâîãî äèîäà ìåíüøå ïðÿìîãî òîêà ãåðìàíèåâîãî äèîäà ïðè
îäèíàêîâûõ ïðÿìûõ íàïðÿæåíèÿõ.
 îáëàñòè ïðîâîäèìîñòè ñîáëþäàåòñÿ óñëîâèå U γϕT ,
ïîýòîìó ïðè îïðåäåëåíèè ïðÿìîãî òîêà äèîäà ìîæíî ïîëü7
Ðèñ. 2.3. Îöåíêà ñòàòè÷åñêîãî (à ) è äèíàìè÷åñêîãî (á ) ñîïðîòèâëåíèé äèîäà.
çîâàòüñÿ ïðèáëèæåíèåì
I = Ií exp
U
γϕT
.
Ñòàòè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå äèîäà, ò. å. ñîïðîòèâëåíèå äèîäà â ðàáî÷åé òî÷êå A, îïðåäåëÿåòñÿ ïî âîëüò-àìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêå (ðèñ. 2.3, à ) êàê îòíîøåíèå
RA =
UA
,
IA
ãäå UA ïîñòîÿííîå íàïðÿæåíèå, äåéñòâóþùåå ìåæäó âûâîäàìè äèîäà; IA ïîñòîÿííûé ïðÿìîé òîê, ïðîòåêàþùèé
÷åðåç äèîä.
Âî ìíîãèõ ñëó÷àÿõ, íàïðèìåð ïðè ïîäâåäåíèè ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ ê äèîäó, ôóíêöèîíèðóþùåìó â îïðåäåë¼ííîé
ðàáî÷åé òî÷êå, âàæíî îïðåäåëèòü ñîïðîòèâëåíèå äèîäà, óêàçûâàþùåå õîä õàðàêòåðèñòèêè âáëèçè ýòîé òî÷êè.  ñâÿçè ñ
ýòèì ââîäèòñÿ ïîíÿòèå äèíàìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ, îïðåäåëÿåìîãî íàêëîíîì êàñàòåëüíîé ê õàðàêòåðèñòèêå äèîäà â
ðàáî÷åé òî÷êå. Íàêëîí îïðåäåëÿåòñÿ êàê îòíîøåíèå ìàëîãî
8
ïðèðàùåíèÿ íàïðÿæåíèÿ ê âûçâàííîìó ýòèì ïðèðàùåíèåì
ïðèðîñòó òîêà (ðèñ. 2.3, á ):
Räèí =
∆U
.
∆I
2.2. Òðàíçèñòîðû
Òðàíçèñòîð (îò àíãë. transfer-resistor ïåðåíîñ ñîïðîòèâëåíèÿ) òð¼õýëåêòðîäíûé ïîëóïðîâîäíèêîâûé ïðèáîð, ñïîñîáíûé ïîä äåéñòâèåì ïðèëîæåííîãî òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ
èçìåíÿòü ñâî¼ âíóòðåííåå ñîïðîòèâëåíèå.
Íåçàâèñèìî îò òèïà òðàíçèñòîðà îñíîâó åãî ñòðóêòóðû
ñîñòàâëÿåò ìîíîêðèñòàëëè÷åñêàÿ ïëàñòèíêà, èçãîòîâëåííàÿ
èç äâóõ èëè áîëåå ñëî¼â ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ìàòåðèàëà ñ
ðàçëè÷íûìè òèïàìè ïðèâîäèìîñòè. Ïî ñïîñîáó ôîðìèðîâàíèÿ â ìàòåðèàëå ïðîâîäÿùåãî êàíàëà è îðãàíèçàöèè ïåðåìåùåíèÿ ïî íåìó íîñèòåëåé ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà òðàíçèñòîðû ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà áèïîëÿðíûå è ïîëåâûå.
Áèïîëÿðíûé òðàíçèñòîð ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïîëóïðîâîäíèêîâûé ïðèáîð ñ òðåìÿ âûâîäàìè, èìåþùèé äâà âçàèìîäåéñòâóþùèõ ýëåêòðîííî-äûðî÷íûõ ïåðåõîäà, êîòîðûå îáðàçîâàíû ìåæäó òðåìÿ îáëàñòÿìè ñ ÷åðåäóþùèìèñÿ òèïàìè
ïðîâîäèìîñòè.
Äâà âíåøíèõ ñëîÿ ìîíîêðèñòàëëè÷åñêîé ïëàñòèíêè áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà (ýìèòòåð è êîëëåêòîð) èìåþò îäèí òèï
ïðîâîäèìîñòè, âíóòðåííèé ñëîé (áàçà) äðóãîé; ýòî è îïðåäåëèëî äâà ñóùåñòâóþùèõ òèïà áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ:
n -p -n è p -n -p.
 àêòèâíîì ðåæèìå ðàáîòû áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà ïåðåõîä, ðàáîòàþùèé â ïðÿìîì íàïðàâëåíèè (ò. å. ïðè ïðèëîæåíèè ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ), íàçûâàåòñÿ ýìèòòåðíûì, à
ñîîòâåòñòâóþùèé êðàéíèé ñëîé ýìèòòåðîì (Ý). Òàêîå íàèìåíîâàíèå îòðàæàåò ôàêò èíæåêöèè íåîñíîâíûõ íîñèòåëåé ÷åðåç ïåðåõîä. Ñðåäíèé ñëîé íàçûâàåòñÿ áàçîé (Á). Âòîðîé ïåðåõîä, íîðìàëüíî ñìåù¼ííûé â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè
(ò. å. ïðè ïðèëîæåíèè îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ), íàçûâàåòñÿ
êîëëåêòîðíûì, à ñîîòâåòñòâóþùèé êðàéíèé ñëîé êîëëåê9
Ðèñ. 2.4. Ê ïîÿñíåíèþ ïðèíöèïà ðàáîòû
n -p -n
òðàíçèñòîðà.
òîðîì (Ê). Ýòî íàçâàíèå îòðàæàåò ôóíêöèþ ¾ñîáèðàíèÿ¿
èíæåêòèðîâàííûõ íîñèòåëåé, ïðîøåäøèõ ÷åðåç ñëîé áàçû.
Ðàññìîòðèì ïðèíöèï äåéñòâèÿ òðàíçèñòîðà íà ïðèìåðå
n -p -n ñòðóêòóðû (ðèñ. 2.4). Òðàíçèñòîð âêëþ÷åí ïî ñõåìå ñ
îáùåé áàçîé, ò. å. áàçà ÿâëÿåòñÿ îñíîâíûì ýëåêòðîäîì, îáùèì äëÿ âõîäíîé è âûõîäíîé öåïåé òðàíçèñòîðà. Ìåæäó
ýìèòòåðîì è áàçîé äåéñòâóåò ïðÿìîå íàïðÿæåíèå Uáý , äëÿ
êîòîðîãî ýìèòòåðíûé ïåðåõîä îòêðûò è, ñëåäîâàòåëüíî, ïîä
äåéñòâèåì êîòîðîãî ýëåêòðîíû n -îáëàñòè ýìèòòåðà óñòðåìëÿþòñÿ â áàçó, ñîçäàâàÿ òîê ýìèòòåðà Iý . Åñëè áû êîíöåíòðàöèÿ íîñèòåëåé çàðÿäà â ýìèòòåðå è áàçå áûëà îäèíàêîâîé, òî
òîê ÷åðåç ýìèòòåðíûé ïåðåõîä ñîçäàâàëñÿ áû ïåðåìåùåíèåì
îäèíàêîâîãî ÷èñëà ýëåêòðîíîâ èç ýìèòòåðà â áàçó è äûðîê
èç áàçû â ýìèòòåð. Íî â òðàíçèñòîðàõ êîíöåíòðàöèÿ íîñèòåëåé â áàçå âî ìíîãî ðàç íèæå, ÷åì â ýìèòòåðå. Ïîýòîìó
òîê Iý ñîçäà¼òñÿ â îñíîâíîì ýëåêòðîíàìè, èíæåêòèðîâàííûìè ýìèòòåðîì â áàçó. Ââåä¼ííûå â áàçó ýëåêòðîíû ïûòàþòñÿ
ðåêîìáèíèðîâàòü ñ äûðêàìè áàçû, íî ò. ê. ïîñëåäíèõ ìåíüøå, à òîëùèíà áàçû î÷åíü ìàëà, ïîäàâëÿþùåå áîëüøèíñòâî
ýëåêòðîíîâ óñïåâàåò ïðîéòè ÷åðåç áàçó è äîñòèãíóòü êîëëåêòîðíîãî p -n ïåðåõîäà. Íåáîëüøàÿ æå ÷àñòü ðåêîìáèíèðîâàâøèõ ýëåêòðîíîâ ñîçäà¼ò òîê áàçû Iá .
Äîñòèãíóâ êîëëåêòîðíîãî ïåðåõîäà, ýëåêòðîíû íà÷èíàþò
èñïûòûâàòü óñêîðÿþùåå äåéñòâèå ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ, ñîçäàâàåìîãî íàïðÿæåíèåì Uêá , ïðèëîæåííûì ìåæäó êîëëåêòîðîì è áàçîé òðàíçèñòîðà. Ýòè ýëåêòðîíû ñîçäàþò òîê êîë10
Ðèñ. 2.5. Âêëþ÷åíèå òðàíçèñòîðà ïî ñõåìå ñ îáùèì ýìèòòåðîì.
ëåêòîðà Iê . Ó÷èòûâàÿ íåáîëüøîé ïðîöåíò ýëåêòðîíîâ, êîòîðûå ðåêîìáèíèðîâàëè ñ äûðêàìè â áàçå, ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî
ãäå
Iê = Iý − Iá = αIý ≈ Iý ,
α=
∆Iê ∆Iý Uêý =const
åñòü êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è òîêà ýìèòòåðà (α = 0,97 . . . 0,997).
Ïîñêîëüêó êîëëåêòîðíûé òîê Iê áëèçîê ïî âåëè÷èíå ê
ýìèòòåðíîìó òîêó Iý , âåëè÷èíà êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è ïî
òîêó α áëèçêà ê åäèíèöå. Äëÿ õîðîøî ñïðîåêòèðîâàííûõ
òðàíçèñòîðîâ α ìîæåò èìåòü çíà÷åíèÿ 0,995 èëè áîëüøå.
Ñóùåñòâóåò òðè âàðèàíòà ñõåì âêëþ÷åíèÿ áèïîëÿðíûõ
òðàíçèñòîðîâ: ñ îáùåé áàçîé (ÎÁ), ñ îáùèì ýìèòòåðîì (ÎÝ)
è ñ îáùèì êîëëåêòîðîì (ÎÊ). Ðàññìîòðèì íàèáîëåå âîñòðåáîâàííóþ ñõåìó ñ ÎÝ (ðèñ. 2.5).
Âõîäíûì ñèãíàëîì â ýòîé ñõåìå ÿâëÿåòñÿ íàïðÿæåíèå
ìåæäó áàçîé è ýìèòòåðîì Uáý , à âûõîäíûìè âåëè÷èíàìè êîëëåêòîðíûé òîê Iê è íàïðÿæåíèå Uâûõ = Iê Rê .
Äîñòàòî÷íî ïîëíîå ïðåäñòàâëåíèå î ñâîéñòâàõ òðàíçèñòîðà ìîæíî ïîëó÷èòü èç ðàññìîòðåíèÿ åãî ñòàòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê (ðèñ. 2.6): âõîäíûå ÂÀÕ, ñåìåéñòâî âûõîäíûõ ÂÀÕ
è ïåðåäàòî÷íàÿ ÂÀÕ.
11
12
Ðèñ. 2.6. Âõîäíûå (à ), âûõîäíûå (á ) è ïåðåäàòî÷íàÿ (â ) õàðàêòåðèñòèêè ñõåìû ñ îáùèì ýìèòòåðîì.
Âõîäíàÿ õàðàêòåðèñòèêà äëÿ ñõåìû ñ ÎÝ (ðèñ. 2.6, à ) ýòî çàâèñèìîñòü âõîäíîãî òîêà îò íàïðÿæåíèÿ íà âõîäå ñõåìû, ò. å. Iá = f (Uáý ) ïðè ôèêñèðîâàííîì çíà÷åíèè íàïðÿæåíèÿ êîëëåêòîð-ýìèòòåð (Uêý = const). Ïî ñóùåñòâó îíà
ïîâòîðÿåò âèä õàðàêòåðèñòèêè äèîäà ïðè ïîäà÷å ïðÿìîãî
íàïðÿæåíèÿ. Ïðè áîëüøåì ôèêñèðîâàííîì íàïðÿæåíèè Uêý
âõîäíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ñìåùàåòñÿ âïðàâî, çíà÷åíèÿ òîêà
áàçû Iá ñòàíîâÿòñÿ ìåíüøèìè ïðè òåõ æå çíà÷åíèÿõ íàïðÿæåíèÿ Uáý . Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî â áàçå óìåíüøàåòñÿ âåðîÿòíîñòü ðåêîìáèíàöèè íîñèòåëåé, èíæåêòèðóåìûõ ýìèòòåðîì, ò. ê. îíè áûñòðåå âòÿãèâàþòñÿ íàïðÿæåíèåì Uêý â êîëëåêòîð.
Âûõîäíûå õàðàêòåðèñòèêè (ðèñ. 2.6, á ) ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé çàâèñèìîñòè âûõîäíîãî òîêà, ò. å. òîêà êîëëåêòîðà, îò
ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì òðàíçèñòîðà Iê = f (Uêý ) ïðè òîêå áàçû Iá = const. Ïðè áîëüøåì ôèêñèðîâàííîì òîêå áàçû êîëëåêòîðíûé òîê ïðèíèìàåò áîëüøèå çíà÷åíèÿ ïðè òåõ æå çíà÷åíèÿõ íàïðÿæåíèÿ Uêý .
Ïðè ðàáîòå òðàíçèñòîðà ñ íàãðóçêîé èçìåíÿåòñÿ åãî ðåæèì. Äåéñòâèòåëüíî, ÷åì áîëüøå òîê, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç
òðàíçèñòîð, òåì áîëüøå ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà íàãðóçêå, à
ñëåäîâàòåëüíî, òåì ìåíüøåå íàïðÿæåíèå áóäåò ïàäàòü íà ñàìîì òðàíçèñòîðå. Õàðàêòåðèñòèêè, ïîêàçàííûå íà ðèñ. 2.6,
à è á, îïèñûâàþò ëèøü ñòàòè÷åñêèé ðåæèì ðàáîòû ñõåìû.
Äëÿ îöåíêè äèíàìèêè è âëèÿíèÿ íàãðóçêè íà ðàáîòó ñõåìû èñïîëüçóþò ãðàôîàíàëèòè÷åñêèé ìåòîä ðàñ÷¼òà íà îñíîâå âõîäíûõ è âûõîäíûõ õàðàêòåðèñòèê.
Ïðîâåä¼ì ïðÿìóþ ÷åðåç òî÷êó Eê , îòëîæåííóþ íà îñè
àáñöèññ, è òî÷êó Eê /Rê , îòëîæåííóþ íà îñè îðäèíàò âûõîäíûõ õàðàêòåðèñòèê òðàíçèñòîðà. Ïîëó÷åííàÿ ïðÿìàÿ íàçûâàåòñÿ íàãðóçî÷íîé. Òî÷êà Eê /Rê ýòîé ïðÿìîé ñîîòâåòñòâóåò
òàêîìó òîêó, êîòîðûé ìîã áû òå÷ü ÷åðåç íàãðóçêó, åñëè òðàíçèñòîð çàìêíóòü íàêîðîòêî. Òî÷êà Eê ñîîòâåòñòâóåò äðóãîìó
êðàéíåìó ñëó÷àþ öåïü ðàçîìêíóòà, òîê ÷åðåç íàãðóçêó ðàâåí íóëþ, à íàïðÿæåíèå Uêý ðàâíî Eê .
Åñëè Iá = 0 è Iê = IêC ≈ 0, òî ðàáî÷àÿ òî÷êà íà íàãðóçî÷íîé ïðÿìîé çàíèìàåò ïîëîæåíèå C .  ýòîì ñëó÷àå íàïðÿ13
æåíèå íà âûõîäå Uêý = UêýC ≈ Eê . Òðàíçèñòîð íàõîäèòñÿ â
ñîñòîÿíèè îòñå÷êè.
Ïðè íåêîòîðîì çíà÷åíèè òîêà áàçû, ðàâíîì òîêó áàçû
íàñûùåíèÿ òðàíçèñòîðà, ò. å. Iá = IáA , ðàáî÷àÿ òî÷êà íà íàãðóçî÷íîé ïðÿìîé çàíèìàåò ïîëîæåíèå A. Òðàíçèñòîð íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè íàñûùåíèÿ. Ïðè ýòîì êîëëåêòîðíûé òîê
íàñûùåííîãî òðàíçèñòîðà IêA ≈ Eê /Rê , à íàïðÿæåíèå ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì UêýA ≈ 0. Óâåëè÷åíèå ïðÿìîãî
òîêà áàçû (Iá > IáA ) íå âëå÷¼ò çà ñîáîé äàëüíåéøåå èçìåíåíèå ïîëîæåíèÿ ðàáî÷åé òî÷êè A.
Åñëè ïðÿìîé òîê áàçû ìåíüøå IáA , íî áîëüøå Iá = 0, òî
ðàáî÷àÿ òî÷êà çàíèìàåò íà íàãðóçî÷íîé ïðÿìîé ïðîìåæóòî÷íîå ïîëîæåíèå.  ÷àñòíîñòè, åñëè Iá = IáB , òî ðàáî÷àÿ
òî÷êà îêàæåòñÿ â òî÷êå B . Òðàíçèñòîð íàõîäèòñÿ â àêòèâíîì
ñîñòîÿíèè. Çäåñü Iê = IêB è íàïðÿæåíèå ìåæäó êîëëåêòîðîì
è ýìèòòåðîì
Uêý = UêýB = Eê − IêB Rê .
Èç âûõîäíûõ õàðàêòåðèñòèê ñ ïîñòðîåííîé íàãðóçî÷íîé
ïðÿìîé è ïîñëåäíåãî âûðàæåíèÿ âèäíî, ÷òî ïðè óâåëè÷åíèè
òîêà áàçû Iá óâåëè÷èâàåòñÿ òîê êîëëåêòîðà Iê è óìåíüøàåòñÿ
íàïðÿæåíèå ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì Uêý . Òàêèì îáðàçîì, íàãðóçî÷íàÿ ïðÿìàÿ èçîáðàæàåò çàâèñèìîñòü ìåæäó
òîêîì êîëëåêòîðà Iê è íàïðÿæåíèåì Uêý ïðè èçìåíåíèè òîêà
áàçû Iá ïîä âîçäåéñòâèåì íàïðÿæåíèÿ Uáý . Èíûìè ñëîâàìè,
íàãðóçî÷íàÿ ïðÿìàÿ ñîîòâåòñòâóåò âûðàæåíèþ
Uêý = Eê − Iê (Iá )Rê .
Ïåðåäàòî÷íîé (ñêâîçíîé) õàðàêòåðèñòèêîé òðàíçèñòîðà
(ðèñ. 2.6, â ) íàçûâàþò çàâèñèìîñòü âûõîäíîãî òîêà îò âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, ò. å. Iê = f (Uáý ) ïðè ôèêñèðîâàííîì çíà÷åíèè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ (Uêý = const). Ïðè íàïðÿæåíèè Uáý = UáýC (íàïðÿæåíèå îòñå÷êè) òîê áàçû Iá = 0 è òîê
êîëëåêòîðà Iê = IêC . Ñ óâåëè÷åíèåì íàïðÿæåíèÿ ìåæäó áàçîé è ýìèòòåðîì ðàñòóò òîêè áàçû è êîëëåêòîðà. Êàê òîëüêî
Uáý äîñòèãíåò çíà÷åíèÿ UáýA (íàïðÿæåíèå íàñûùåíèÿ), òîê
áàçû Iá = IáA è òîê êîëëåêòîðà Iê = IêA . Ìåæäó áàçîâûì
14
Ðèñ. 2.7. Òðàíçèñòîð êàê ÷åòûð¼õïîëþñíèê.
è êîëëåêòîðíûì òîêàìè íàñûùåíèÿ ñóùåñòâóåò çàâèñèìîñòü
IáA =
Eê
IêA
≈
,
β
βRê
ãäå β êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è òîêà áàçû â ðåæèìå áîëüøîãî
ñèãíàëà. Ïðè äàëüíåéøåì óâåëè÷åíèè íàïðÿæåíèÿ Uáý òîê
áàçû Iá ðàñò¼ò, à òîê êîëëåêòîðà Iê îñòà¼òñÿ íåèçìåííûì è
ðàâíûì IêA .
Ïðè èññëåäîâàíèè è ðàñ÷¼òå ýëåêòðè÷åñêèõ ñõåì óäîáíî ðàññìàòðèâàòü òðàíçèñòîð êàê ÷åòûð¼õïîëþñíèê, èçîáðàæ¼ííûé íà ðèñ. 2.7. Çäåñü âåëè÷èíû Uáý , Iá , Iê è Uêý îçíà÷àþò ìàëûå àìïëèòóäû ãàðìîíè÷åñêèõ ñîñòàâëÿþùèõ ñîîòâåòñòâóþùèõ íàïðÿæåíèé è òîêîâ. Äëÿ ïðèíÿòûõ íàïðàâëåíèé îòñ÷¼òîâ òîêîâ è íàïðÿæåíèé ñïðàâåäëèâà ñëåäóþùàÿ
ñèñòåìà óðàâíåíèé ïåðåäà÷è â h -ïàðàìåòðàõ∗ :
Uáý = h11 Iá + h12 Uêý ,
)
Iê = h21 Iá + h22 Uêý ,
ãäå äèíàìè÷åñêèå h -ïàðàìåòðû òðàíçèñòîðà èìåþò ñëåäóþùèé ñìûñë:
h11 =
dUáý dIá Uêý =0
åñòü âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå òðàíçèñòîðà, èçìåðåííîå ïðè êîðîòêîì çàìûêàíèè âûõîäà äëÿ ñèãíàëà ïåðåìåííîãî òîêà;
h12
∗
dUáý =
dUêý Iá =0
Ãèáðèäíûå ïàðàìåòðû îò ñëîâà hybrid.
15
Ðèñ. 2.8. Ê ðàñ÷¼òó îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ ñõåìû ñ îáùèì ýìèòòåðîì.
åñòü êîýôôèöèåíò îáðàòíîé ïåðåäà÷è ïî íàïðÿæåíèþ, èçìåðåííûé ïðè ðàçîìêíóòîì âõîäå;
h21 =
dIê dIá Uêý =0
åñòü êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è ïî òîêó, èçìåðåííûé ïðè ðàçîìêíóòîì äëÿ ïåðåìåííîãî òîêà âûõîäå; è, íàêîíåö,
h22 =
dIê dUêý Iá =0
åñòü âûõîäíàÿ ïðîâîäèìîñòü òðàíçèñòîðà, èçìåðåííàÿ ïðè
ðàçîìêíóòîì äëÿ ïåðåìåííîãî òîêà âõîäå.
Ïðèâåä¼ííûå h -ïàðàìåòðû øèðîêî óïîòðåáëÿþòñÿ ïðè
àíàëèçå òðàíçèñòîðíûõ ñõåì. Èõ ìîæíî îïðåäåëèòü ýêñïåðèìåíòàëüíî, à òàêæå ãðàôè÷åñêè ïî âõîäíûì è âûõîäíûì
âîëüò-àìïåðíûì õàðàêòåðèñòèêàì òðàíçèñòîðà.
Ðàññìîòðèì äëÿ ïðèìåðà ïîðÿäîê ðàñ÷¼òà ïàðàìåòðîâ
h22 è h21 ïî âûõîäíûì õàðàêòåðèñòèêàì äëÿ çàäàííîé ðàáî÷åé òî÷êè A (ðèñ. 2.8).
Ïðè íåèçìåííîì òîêå áàçû Iá = IáA çàäàäèì ïðèðàùåíèå
íàïðÿæåíèÿ ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì:
00
0
∆UêýA = Uêý
A − UêýA .
16
Íàõîäèì ñîîòâåòñòâóþùåå ïðèðàùåíèå êîëëåêòîðíîãî òîêà:
∆IêA = Iê00A − Iê0 A .
Âûõîäíàÿ ïðîâîäèìîñòü òðàíçèñòîðà îïðåäåëÿåòñÿ êàê îòíîøåíèå
∆I
êA .
h22 =
∆UêýA
Îòìåòèì, ÷òî âåëè÷èíà îáðàòíàÿ h22 ñóòü âûõîäíîå äèíàìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå òðàíçèñòîðà íà ðàññìàòðèâàåìîì
ó÷àñòêå âûõîäíîé âîëüò-àìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè:
Râûõ =
∆UêýA
.
∆IêA
Ñòàòè÷åñêèé êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è òîêà áàçû äëÿ òî÷êè
åñòü îòíîøåíèå êîëëåêòîðíîãî è áàçîâîãî òîêîâ â äàííîé
òî÷êå:
0
B
I
βñò = ê0 B .
IáB
Äèíàìè÷åñêèé êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è òîêà áàçû äëÿ òî÷êè B îïðåäåëÿåòñÿ êàê îòíîøåíèå ñîîòâåòñòâóþùèõ ïðèðàùåíèé êîëëåêòîðíîãî è áàçîâîãî òîêîâ:
h21 =
I 00 − Iê0 B
∆IêB
= ê00B
.
∆IáB
IáB − Iá0 B
Äëÿ çàäàííîãî ïîëîæåíèÿ ðàáî÷åé òî÷êè βñò è h21 áëèçêè
ïî âåëè÷èíå.
Ïîëåâîé (óíèïîëÿðíûé) òðàíçèñòîð ýòî òð¼õýëåêòðîäíûé ïîëóïðîâîäíèêîâûé ïðèáîð, â êàíàëå êîòîðîãî òîê ìåæäó ñòîêîì è èñòîêîì ñîçäà¼òñÿ âíåøíèì ïðîäîëüíûì íàïðÿæåíèåì, à óïðàâëåíèå ñå÷åíèåì êàíàëà (òîêîì â êàíàëå) îñóùåñòâëÿåòñÿ çà ñ÷¼ò ýôôåêòà ïîëÿ, ñîçäàâàåìîãî ïîïåðå÷íûì íàïðÿæåíèåì, ïðèëîæåííûì ê óïðàâëÿþùåìó ýëåêòðîäó çàòâîðó.
Ðàññìîòðèì ïîëåâîé òðàíçèñòîð ñ p -n çàòâîðîì è êàíàëîì n -òèïà. Ñòðóêòóðà òàêîãî òðàíçèñòîðà ïðåäñòàâëåíà íà
ðèñ. 2.9. Òîêîïðîâîäÿùèé êàíàë íàõîäèòñÿ ìåæäó äâóìÿ îáëàñòÿìè ïðîòèâîïîëîæíîé ïðîâîäèìîñòè, â äàííîì ñëó÷àå
17
Ðèñ. 2.9. Óñòðîéñòâî
ëÿþùèì
p -n
n -êàíàëüíîãî ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà ñ óïðàâ-
ïåðåõîäîì.
p -òèïà, ñ êîòîðûì îí îáðàçóåò äâà p -n ïåðåõîäà. Èñòîê (È),
ñòîê (Ñ) è çàòâîð (Ç) âêëþ÷àþòñÿ â öåïü ñ ïîìîùüþ ìåòàëëè÷åñêèõ âûâîäîâ. Ìåæäó çàòâîðîì è èñòîêîì äåéñòâóåò
îòðèöàòåëüíîå íàïðÿæåíèå Uçè . Ïðè ýòîì ïðîèñõîäèò îáåäíåíèå ýëåêòðîíàìè (îñíîâíûìè íîñèòåëÿìè) ó÷àñòêîâ êàíàëà, ïðèìûêàþùèõ ê çàòâîðó. Äðóãèìè ñëîâàìè, øèðèíà p -n
ïåðåõîäîâ âîçðàñòàåò (çà ñ÷¼ò îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ Uçè ),
à ñå÷åíèå êàíàëà ñóæàåòñÿ, óâåëè÷èâàÿ åãî ñîïðîòèâëåíèå.
Ñòàíäàðòíûé íàáîð ÂÀÕ ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ îòëè÷àåòñÿ îò íàáîðà ÂÀÕ áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ ïðåæäå âñåãî ïîòîìó, ÷òî ó ïåðâûõ îòñóòñòâóþò âõîäíûå òîêè, à çíà÷èò, è âõîäíûå õàðàêòåðèñòèêè. Îáû÷íî äëÿ íèõ ïðèâîäÿòñÿ
âûõîäíûå õàðàêòåðèñòèêè (ðèñ. 2.10, à ) çàâèñèìîñòè òîêà ñòîêà îò íàïðÿæåíèÿ ìåæäó ñòîêîì è èñòîêîì ïðè ðàçëè÷íûõ íàïðÿæåíèÿõ ìåæäó çàòâîðîì è èñòîêîì, ò. å. Iñ =
= f (Uñè ), è ïåðåäàòî÷íàÿ õàðàêòåðèñòèêà (ðèñ. 2.10, á ) çàâèñèìîñòü òîêà ñòîêà îò íàïðÿæåíèÿ ìåæäó çàòâîðîì è
èñòîêîì, ò. å. Iñ = f (Uçè ) ïðè ôèêñèðîâàííîì çíà÷åíèè íàïðÿæåíèÿ ìåæäó ñòîêîì è èñòîêîì (Uñè = const).
Ðàññìîòðèì âûõîäíûå õàðàêòåðèñòèêè ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà (ðèñ. 2.10, à ). Ïóñòü íàïðÿæåíèå Uçè = 0. Ïðè ìà18
Ðèñ. 2.10. Âûõîäíûå (à ) è ïåðåäàòî÷íàÿ (á ) õàðàêòåðèñòèêè ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà ñ óïðàâëÿþùèì
p -n
ïåðåõîäîì.
ëûõ çíà÷åíèÿõ íàïðÿæåíèÿ Uñè òîê ñòîêà Iñ ïðîïîðöèîíàëåí Uñè è îïðåäåëÿåòñÿ èñõîäíûì ñå÷åíèåì êàíàëà. Îòñþäà
è õàðàêòåðíîå ëèíåéíîå íàðàñòàíèå Iñ îò ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ Uñè íà íà÷àëüíîì ó÷àñòêå ÂÀÕ. Ïîëîæèòåëüíûé
ïîòåíöèàë ñòîêà ÿâëÿåòñÿ îáðàòíûì äëÿ p -n ïåðåõîäîâ. Ïîýòîìó óâåëè÷åíèå Uñè ïðèâîäèò ê ðàñøèðåíèþ ïåðåõîäîâ â
îáëàñòè, ïðèìûêàþùåé ê ñòîêó. Â ðåçóëüòàòå ýòîãî êàíàë
ïðèíèìàåò ôîðìó ãîðëîâèíû ó ñòîêîâîãî êîíöà ñ ïîâûøåííûì ñîïðîòèâëåíèåì äëÿ Iñ . Â èòîãå íàñòóïàåò ðåæèì, ïðè
êîòîðîì äàëüíåéøåå óâåëè÷åíèå íàïðÿæåíèÿ Uñè êîìïåíñèðóåòñÿ äàëüíåéøèì ñóæåíèåì ¾ãîðëîâèíû¿ è òîê Iñ îñòà¼òñÿ
ïî÷òè ïîñòîÿííûì.
Ïðè îòðèöàòåëüíîì íàïðÿæåíèè ìåæäó çàòâîðîì è èñòîêîì ñå÷åíèå êàíàëà óìåíüøàåòñÿ, è ðåæèì íàñûùåíèÿ íàñòóïàåò ïðè ìåíüøèõ çíà÷åíèÿõ íàïðÿæåíèÿ Uñè . Ïîýòîìó
âûõîäíûå õàðàêòåðèñòèêè ëåæàò íèæå.
Òàê êàê íàïðÿæåíèå Uçè ÿâëÿåòñÿ îáðàòíûì äëÿ p -n ïåðåõîäîâ, òîê â öåïè çàòâîðà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îáðàòíûé òîê
çàêðûòîãî p -n ïåðåõîäà. Ââèäó åãî ìàëîãî çíà÷åíèÿ ïîëåâîé
òðàíçèñòîð ìîæíî ñ÷èòàòü ïðèáîðîì, êîòîðûé óïðàâëÿåòñÿ íàïðÿæåíèåì (ýëåêòðè÷åñêèì ïîëåì) íà åãî âõîäå, ò. å.
19
íå ïîòðåáëÿåò ìîùíîñòè. Ýòî ñâîéñòâî îïðåäåëÿåò âûñîêîå
âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå âñåõ ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ, ÷åì îíè
âûãîäíî îòëè÷àþòñÿ îò áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ.
Ïåðåäàòî÷íàÿ ÂÀÕ ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà ñ óïðàâëÿþùèì p -n ïåðåõîäîì (ðèñ. 2.10, á ) ïðè íóëåâîì íàïðÿæåíèè íà
çàòâîðå èìååò ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå òîêà Iñí , êîòîðîå íàçûâàåòñÿ íà÷àëüíûì. Ïðè óâåëè÷åíèè çàïèðàþùåãî íàïðÿæåíèÿ òîê ñòîêà óìåíüøàåòñÿ è ïðè íàïðÿæåíèè îòñå÷êè
Uîòñ ñòàíîâèòñÿ áëèçêèì ê íóëþ. Ïåðåäàòî÷íàÿ õàðàêòåðèñòèêà íåëèíåéíà è îïèñûâàåòñÿ âûðàæåíèåì
2
Uçè
Iñ = Iñí 1 −
.
Uîòñ
Ýôôåêòèâíîñòü óïðàâëÿþùåãî äåéñòâèÿ çàòâîðà õàðàêòåðèçóåòñÿ êðóòèçíîé S , êîòîðàÿ ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà ïî
âûõîäíûì õàðàêòåðèñòèêàì ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà:
∆Iñ0
∆Iñ0 =
.
S=
∆Uçè Uñè =const
Uçè2 − Uçè1
Âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå òðàíçèñòîðà (îïðåäåëÿåòñÿ â îáëàñòè íàñûùåíèÿ)
Râûõ =
∆Uñè .
∆Ic00 Uçè =const
Êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïî íàïðÿæåíèþ KU ïîêàçûâàåò,
âî ñêîëüêî ðàç íàïðÿæåíèå Uçè ñèëüíåå âëèÿåò íà èçìåíåíèå
òîêà â êàíàëå, ÷åì íàïðÿæåíèå Uñè :
∆Uñè KU =
.
∆Uçè Iñ =const
3. Äîìàøíåå çàäàíèå
Äîìàøíÿÿ ïîäãîòîâêà ê ëàáîðàòîðíîé ðàáîòå âêëþ÷àåò
â ñåáÿ:
20
èçó÷åíèå ìàòåðèàëà ðàçäåëà 2 ñ èñïîëüçîâàíèåì ðåêîìåíäóåìîé ëèòåðàòóðû ðàçäåëà 7;
îçíàêîìëåíèå ñ îïèñàíèåì ëàáîðàòîðíîãî ìàêåòà è ïðîãðàììîé èññëåäîâàíèé ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ;
çàãîòîâêó îò÷¼òà ïî ëàáîðàòîðíîé ðàáîòå ñ íàèìåíîâàíèåì ïóíêòîâ èññëåäîâàíèé, óïðîùåííûõ ñõåì, òàáëèö,
êîîðäèíàòíûõ ïëîñêîñòåé äëÿ âîëüò-àìïåðíûõ õàðàêòåðèñòèê è ïð.
4. Îïèñàíèå ëàáîðàòîðíîãî ìàêåòà
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ ïðîâîäÿòñÿ íà ïàíåëè,
íå òðåáóþùåé èçìåðèòåëüíûõ ïðèáîðîâ (ðèñ. 4.1). Ïàíåëü
ñîñòîèò èç ÷åòûð¼õ ñåêöèé.
Ñåêöèÿ  1 ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ èññëåäîâàíèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ äèîäîâ. Íà íåé ðàñïîëîæåíû ãåðìàíèåâûé äèîä
VD 1 (Ä7Ä) è êðåìíèåâûå äèîäû VD 2, VD 3 (ÊÄ105). Ê ãí¼çäàì 20, 23 ïîäêëþ÷åí øóíò, îáåñïå÷èâàþùèé ïðåäåë èçìåðåíèÿ ïîäñîåäèíÿåìîãî ìèëëèàìïåðìåòðà, ðàâíûé 10 ìÀ. Ïîñòîÿííûå íàïðÿæåíèÿ ïîäâîäÿòñÿ ê ãí¼çäàì 10, 11, 12, 13.
Ðåçèñòîð R4 íóæåí äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ïëàâíîãî èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà äèîäàõ â ïðåäåëàõ 0 . . . 1 Â. Ðåçèñòîðû R3 è R5
íåîáõîäèìû äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ ñõåì ëîãè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ
è â äàííîé ðàáîòå íå èñïîëüçóþòñÿ.
Ñåêöèÿ  2 ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ èññëåäîâàíèÿ áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà. Íà íåé ðàñïîëîæåí òðàíçèñòîð n -p -n òèïà
ÊÒ315À. Ðåçèñòîðû R6, R7, R8 ïîçâîëÿþò äèñêðåòíî èçìåíÿòü òîê áàçû ïðè ïîñòîÿííîì íàïðÿæåíèè E2 , ðàâíîì 6 Â.
Âåëè÷èíû òîêà áàçû çàïèñàíû ðÿäîì ñ ãí¼çäàìè 27, 28, 29.
Íåîáõîäèìàÿ âåëè÷èíà îáåñïå÷èâàåòñÿ ñîåäèíåíèåì ñ ïîìîùüþ ïðîâîäíèêà îäíîãî èç ïåðå÷èñëåííûõ ãí¼çä ñ ãíåçäîì
30. Ðåçèñòîð R10 ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàí â êà÷åñòâå êîëëåêòîðíîé íàãðóçêè òðàíçèñòîðà. Ê ãí¼çäàì 33, 34 ïîäêëþ÷åí
âíóòðåííèé øóíò, îáåñïå÷èâàþùèé ïðåäåë èçìåðåíèÿ ïîäñîåäèíÿåìîãî ìèëëèàìïåðìåòðà, ðàâíûé 10 ìÀ. Ïîñòîÿííûå
íàïðÿæåíèÿ ïîäâîäÿòñÿ ê ãí¼çäàì 25, 26, 39.
21
22
Ðèñ. 4.1. Ñõåìà ëàáîðàòîðíîé ïàíåëè.
Ñåêöèÿ  3 ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ èññëåäîâàíèÿ ïîëåâîãî
òðàíçèñòîðà ñ p -n ïåðåõîäîì è n -êàíàëîì (ÊÏ3038). Ê ãí¼çäàì 42, 43 ïîäêëþ÷åí âíóòðåííèé øóíò, îáåñïå÷èâàþùèé
ïðåäåë èçìåðåíèÿ ïîäñîåäèíÿåìîãî ìèëëèàìïåðìåòðà, ðàâíûé 5 ìÀ. Ïîñòîÿííûå íàïðÿæåíèÿ ïîäâîäÿòñÿ ê ãí¼çäàì 40
è 46.
Íà ëåâîé ñåêöèè ðàçìåù¼í âîëüòìåòð, ìèëëèàìïåðìåòð è
òðè èñòî÷íèêà ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ. Âîëüòìåòð îáëàäàåò äâóìÿ ïðåäåëàìè èçìåðåíèé: 1 è 10 Â. Ïðåäåëû èçìåðåíèé
ìèëëèàìïåðìåòðà óêàçàíû â ñåêöèÿõ  1, 2 è 3.
Íà âûõîäàõ èñòî÷íèêîâ E1 è E2 äåéñòâóþò ïîñòîÿííûå
ïîëîæèòåëüíûå íàïðÿæåíèÿ. Ðåãóëèðîâêà íàïðÿæåíèé îáåñïå÷èâàåòñÿ ñ ïîìîùüþ ïîòåíöèîìåòðîâ R1 è R2 â ïðåäåëàõ
0 . . . 6 Â. Ñ âûõîäîâ èñòî÷íèêà E3 ìîæíî ïîëó÷èòü îòðèöàòåëüíûå íàïðÿæåíèÿ −0,05 è −0,1 Â.
5. Ëàáîðàòîðíûå èññëåäîâàíèÿ
5.1. Èññëåäîâàíèå ãåðìàíèåâîãî è êðåìíèåâîãî äèîäîâ
5.1.1. Ñíÿòü ÂÀÕ ãåðìàíèåâîãî äèîäà VD 1. Ñ ýòîé öåëüþ
ñîáðàòü ñõåìó èññëåäîâàíèÿ, ïðåäñòàâëåííóþ íà ðèñ. 5.1.
Ðèñ. 5.1. Ñõåìà èññëåäîâàíèÿ ãåðìàíèåâîãî äèîäà.
Èçìåíÿÿ íàïðÿæåíèå E1 ñ ïîìîùüþ ïîòåíöèîìåòðà R1,
èçìåðÿòü íàïðÿæåíèå íà äèîäå Uä è òîê Ièçì .
Òàê êàê ñîïðîòèâëåíèå âîëüòìåòðà V ðàâíî 1 êÎì, òî
÷åðåç íåãî îòâåòâëÿåòñÿ òîê
IV =
Uä
1
23
êÎì ,
ïîýòîìó äåéñòâèòåëüíîå çíà÷åíèå òîêà, ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç
äèîä, íàõîäèòñÿ ïî ôîðìóëå
Iä = Ièçì − IV .
Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé çàíåñòè â òàáëèöó 5.1.
Òàáëèöà 5.1. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ ãåðìàíèåâîãî äèîäà.
Uä ,
Â
Ièçì ,
Iä ,
0
ìÀ
ìÀ
0,1
0,11
0,12
0,13
...
0,25
0
0
5.1.2. Ñíÿòü ÂÀÕ êðåìíèåâîãî äèîäà VD 2. Ñ ýòîé öåëüþ
ñîáðàòü ñõåìó èññëåäîâàíèÿ êàê ïîêàçàíî íà ðèñ. 5.2.
Ðèñ. 5.2. Ñõåìà èññëåäîâàíèÿ êðåìíèåâîãî äèîäà.
Äåéñòâèòåëüíîå çíà÷åíèå òîêà, ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç äèîä,
îïðåäåëÿåòñÿ âûðàæåíèåì èç ïðåäûäóùåãî ïóíêòà.
Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé çàíåñòè â òàáëèöó 5.2.
Òàáëèöà 5.2. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ êðåìíèåâîãî äèîäà.
Uä ,
Â
Ièçì ,
Iä ,
ìÀ
ìÀ
0
0,1
0,2
0,3
0,4
...
0,65
0
0
5.1.3. Ïî äàííûì òàáëèö ïîñòðîèòü íà îäíîì ãðàôèêå
âîëüò-àìïåðíûå õàðàêòåðèñòèêè ãåðìàíèåâîãî è êðåìíèåâîãî äèîäîâ.
24
Âû÷èñëèòü ñòàòè÷åñêîå è äèíàìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèÿ
äèîäîâ äëÿ äâóõ ó÷àñòêîâ ÂÀÕ: íà÷àëüíîãî (îáëàñòü ïåðåìåííîé êðóòèçíû) è êîíå÷íîãî (ëèíåéíàÿ îáëàñòü).
5.1.4. Îáúÿñíèòü ðàçëè÷èÿ ìåæäó âîëüò-àìïåðíûìè õàðàêòåðèñòèêàìè è ïàðàìåòðàìè ãåðìàíèåâîãî è êðåìíèåâîãî
äèîäîâ.
5.2. Èññëåäîâàíèå áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà
5.2.1. Ñîáðàòü ñõåìó èññëåäîâàíèÿ ñîãëàñíî ðèñ. 5.3.
Ðèñ. 5.3. Ñõåìà èññëåäîâàíèÿ áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà.
Ïðè ïîìîùè ïîòåíöèîìåòðà R2 óñòàíîâèòü íàïðÿæåíèå
èñòî÷íèêà E2 = 6 Â. Ñíÿòü âûõîäíûå õàðàêòåðèñòèêè òðàíçèñòîðà: ïðè ôèêñèðîâàííûõ çíà÷åíèÿõ áàçîâîãî òîêà Iá =
= 50, 80, 120 ìêÀ, èçìåíÿÿ ïîòåíöèîìåòðîì R 1 íàïðÿæåíèå
ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì Uêý = E1 , èçìåðÿòü òîê
êîëëåêòîðà Iê . Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé çàíåñòè â òàáëèöó 5.3.
5.2.2. Ïî äàííûì òàáëèöû ïîñòðîèòü ñåìåéñòâî âûõîäíûõ
âîëüò-àìïåðíûõ õàðàêòåðèñòèê òðàíçèñòîðà.
Ïî ÂÀÕ îïðåäåëèòü çíà÷åíèå ñòàòè÷åñêîãî è äèíàìè÷åñêîãî êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è áàçîâîãî òîêà äëÿ ëèíåéíîãî
25
Òàáëèöà 5.3. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà.
Uêý ,
Â
0
Iê ,
ìÀ
0
120
Iê ,
ìÀ
0
80
Iê ,
ìÀ
0
50
0,1
0,15
...
6
Iá ,
ìêÀ
ó÷àñòêà êàæäîé êðèâîé. Ïîñòðîèòü çàâèñèìîñòü äèíàìè÷åñêîãî êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è òîêà áàçû îò âåëè÷èíû êîëëåêòîðíîãî òîêà h21 = f (Iê ).
Îïðåäåëèòü âûõîäíîå äèíàìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå òðàíçèñòîðà íà ëèíåéíîì ó÷àñòêå êàæäîé âåòâè õàðàêòåðèñòèê.
Ïîñòðîèòü çàâèñèìîñòü âûõîäíîãî äèíàìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ òðàíçèñòîðà îò âåëè÷èíû òîêà êîëëåêòîðà Râûõ =
= f (Iê ).
5.3. Èññëåäîâàíèå ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà
5.3.1. Ñîáðàòü ñõåìó èññëåäîâàíèÿ, ïðåäñòàâëåííóþ íà
ðèñ. 5.4.
Ðèñ. 5.4. Ñõåìà èññëåäîâàíèÿ ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà.
Ñíÿòü âûõîäíûå õàðàêòåðèñòèêè ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà.
Äëÿ ýòîãî ïðè ôèêñèðîâàííûõ çíà÷åíèÿõ íàïðÿæåíèÿ ìåæäó çàòâîðîì è èñòîêîì Uçè = 0, −0,05, −0,1 Â, èçìåíÿÿ íàïðÿæåíèå ìåæäó ñòîêîì è èñòîêîì Uñè = E2 , èçìåðÿòü òîê
26
ñòîêà Iñ . ×òîáû îáåñïå÷èòü Uçè = 0 Â, íåîáõîäèìî ñîåäèíèòü
ãí¼çäà 40 è 41. Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé çàíåñòè â òàáëèöó 5.4.
Òàáëèöà 5.4. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà.
Uñè ,
Â
0
Iñ ,
ìÀ
0
0
Iñ ,
ìÀ
0
−0,05
Iñ ,
ìÀ
0
−0,1
0,25
0,5
...
6
Uçè ,
Â
5.3.2. Ïî âûõîäíûì õàðàêòåðèñòèêàì âû÷èñëèòü êðóòèçíó ïåðåäàòî÷íîé õàðàêòåðèñòèêè òðàíçèñòîðà S (ìÀ/Â), âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå Râûõ è êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïî íàïðÿæåíèþ, ïîëüçóÿñü ôîðìóëîé
KU = SRâûõ .
5.3.3.  êà÷åñòâå âûâîäîâ ñôîðìóëèðîâàòü îñíîâíûå îòëè÷èÿ áèïîëÿðíîãî è ïîëåâîãî òðàíçèñòîðîâ.
6. Ñîäåðæàíèå îò÷¼òà
Îò÷¼ò, ïðåäñòàâëÿåìûé ñòóäåíòîì ê çàùèòå, äîëæåí ñîäåðæàòü:
öåëü ðàáîòû;
óïðîùåííûå ñõåìû èññëåäîâàíèé;
òàáëèöû ñ ðåçóëüòàòàìè èçìåðåíèé;
âîëüò-àìïåðíûå õàðàêòåðèñòèêè;
ðåçóëüòàòû ãðàôîàíàëèòè÷åñêèõ àíàëèçîâ;
âûâîäû ïî êàæäîìó ïóíêòó ðàáîòû è â âèäå îáùåãî
çàêëþ÷åíèÿ.
7. Ðåêîìåíäóåìàÿ ëèòåðàòóðà
Ä å í è ñ î â Í. Ï., Ø à ð à ï î â À. Â., Ø è á à å â À. À.
Ýëåêòðîíèêà è ñõåìîòåõíèêà. ×. 1. Òîìñê: Èçä-âî ÒÓÑÓÐ,
2003.
27