Устройство и принципы действия биполярного транзистора

Институт информационных технологий

Специальность «Программное обеспечение информационных технологий»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По курсу «Электронные приборы»

Вариант № 5

Студент-заочник 2 курса

Группы №181022

ФИО Дубровская Галина Николаевна

Адрес: г.Гомель, ул. Рабочая,4 к.301

Тел: +375447452881

Минск, 2013

Вариант №5

1. Как образуется энергетический спектр электронов в твердых телах и каков его характер:

Чтобы наглядно представить, как образуется энергетический спектр электронов в металлах и полупроводниках, рассмотрим наиболее простую одномерную модель: цепочка атомов длиной L с межатомными расстояниями а, вдоль которой может двигаться электрон.

Используем идею корпускулярно-волнового дуализма. С одной стороны, поведение свободного электрона описывается волновой функцией:

где угловая частота ω и волновой вектор k связаны с энергией и импульсом р_э электрона cсоотношениями:

Физический смысл функции заключается в том, что усредненное по времени значение ее квадрата определяет вероятность обнаружения электрона в точке r пространства. Таким образом - волна вероятности, получившая название волны де Бройля. С другой стороны, если электрон рассматривать как частицу, которая может (без рассеяния) свободно перемещаться вдоль цепочки, то энергия ξ увеличилась бы квадратично при увеличении импульса (рис.1. кривая 1.) Однако электрон рассеивается на атомах цепочки, и, чтобы учесть это взаимодействие, следует учитывать волновые свойства электрона, т.е. рассматривать электрон как плоскую волну (1).

Поскольку , то увеличение p означает уменьшение длины волны.

При волна практически не рассеивается регулярной периодической структурой. Однако при значениях необходимо учитывать явление дифракции волн, аналогичное рассеиванию (дифракции) рентгеновских лучей в кристаллах. Максимально сильное рассеивание происходит при условии, когда отраженные от двух соседних атомов волны усиливают друг друга, то есть когда разность хода между ними 2а становится равной целому числу m длин волн.

Это соотношение определяет значения волнового вектора

При которых волна может распространяться вдоль цепочки и отражаться от нее. Поскольку электрон может двигаться по цепочке вправо и влево, m=+1, +2, +3, … и т.д. В средней части интервалов

энергия электрона практически не меняется.

В корпускулярной интерпретации это означает, что, когда импульс электрона приближается к значениям электрон начинает тормозится решеткой, его скорость υ уменьшается и при обращается в нуль. Так как

ξ ,

то уменьшение скорости означает уменьшение производной . В результате квадратичная зависимость ξ от р разрывается на отдельные части, как показано на рис.1. (красные линии).

Рис.1. Схема, иллюстрирующая образование зонного энергетического спектра, при рассеянии

Электрона на атомах цепочки: 1- параболическая зависимость энергии ξ свободного электрона

от его импульса р. При значениях р= m зависимость ξ от р разрывается и ξ становится

периодической функцией р с периодом . Горизонтальны стрелки указывают сдвиг

образовавшихся при разрыве зависимости ξ(р) кусков на этот период. Области разрешенных

значений энергии (зоны) I, II, III разделены интервалами запрещенных значений (энергетическими

щелями).

Можно показывать также, что волновые векторы, различающиеся на (2π/а)m (m-целое число), и, следовательно, импульсы, различающиеся на (2π/а)m , становятся эквивалентными.

Но физически эквивалентными значениями импульса должны соответствовать одни и те же значения энергии. Чтобы удовлетворить это требование, сдвинем куски разорванной зависимости ξ от р на рис.1. на векторы (2π/а)m (красные штрихованные стрелки). Результат этой операции обозначен на рис.1. красными линиями. Энергия становится периодической функцией импульса.

Мы получили энергетический спектр электронов для цепочки атомов. Зоны I, II, III и т.д. разрешенных значений энергии (заштрихованные красным области) разделены интервалами запрещенных значений. Число энергетических состояний в зоне равно числу атомов в цепочке. В каждом состоянии по принципу Паули может находится только два электрона. Полученные результаты можно обобщить на случай реального трехмерного кристалла.

Устройство и принципы действия биполярного транзистора

Транзистором называется преобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий не менее трех выводов, предназначенных для усиления мощности электрического сигнала.

Наиболее распространенные получили биполярные и полевые транзисторы. Первые имеют два p-n перехода. В формировании их тока участвуют носители заряда обеих полярностей (знаков), что и объясняет наименование «биполярные». В полевых транзисторах ток формируется носителями одной полярности – электронами или дырками. Поэтому полевые транзисторы достаточно часто называют униполярными.

Схематическое изображение структуры биполярных транзисторов приведено на рис.2.а.

Рисунок 2.1. Возможные структуры и уловное изображение

биполярного транзистора.

Последовательное соединение полупроводника с электронной и дырочной проводимостью, которое необходимо для формирования двух р-п переходов в одном приборе, приводит к образованию либо п-р-п, либо р-п-р структуры. В соответствии с ними биполярные транзисторы бывают либо п-р-п, либо р-п-р типа. Центральная область (а также вывод от нее) называется базой (Б), крайние, имеющие иной тип проводимости по сравнению с базой, - коллектором (К) и эмиттером (Э). К каждой из областей припаяны выводы, при помощи которых прибор включается в схему.

Переход между базой и эмиттером называется эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным. Конструктивно транзисторы разливаются в зависимости от мощности и метода образования p-n переходов. Физические процессы, протекающие в транзисторах обоих типов, аналогичны.

В первом приближении транзистор может быть представлен двумя

диодами, с соединенными вместе анодами или катодами ((рисунок 2.1,б)).

Такое представление является достаточным при рассмотрении режимов

работы при двух полностью открытых или закрытых переходах. В графическом условном изображении транзистора (рисунок 2.1,в) сохранилось, в виде стрелки, обозначение прямого направления эмиттерного п-р перехода.

Для того чтобы транзистор мог эффективно выполнять свои функции, необходимо что бы:

· Расстояние между переходами было меньше длины свободного пробега неоснованных носителей полупроводникового материала базы;

· Концентрация примесей в области базы должна быть существенно ниже (на несколько порядков), чем концентрация примесей в области эмиттера.

Для выполнения первого условия область базы делают тонкой. В некоторых типах транзисторов поле коллекторного перехода простирается вплоть до эмиттерного. Выполнение второго условия обеспечивается технологией изготовления прибора.

В большинстве случаев кристалл с переходами монтируется в специальный корпус, который выполняет следующие функции:

· Изолирует кристалл с переходами от воздействия внешней среды;

· Обеспечивает механическую прочность прибора, отвод тепла, выделяющего на переходах при работе прибора, а также удобство монтажа прибора.

В зависимости от полярностей напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам транзистора, различают четыре режима его работы:

Активный режим. На эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Этот режим является основным режимом работы транзистора при работе с аналоговыми сигналами.

Режим отсечки. К обоим переходам подводятся обратные напряжения. Поэтому через них проходит лишь незначительный ток, обусловленный движением неоснованных носителей заряда. Транзистор в режиме отсечки оказывается запертым.

Режим насыщения. Оба перехода находятся под прямым напряжением. Ток в выходной цепи транзистора максимален и практическая не регулируется током входной цепи. В этом режиме транзистор полностью открыт.

Инверсный режим. К эмиттерному переходу подводится обратное напряжение, а к коллекторному – прямое. Эмиттер и коллектор меняются своими ролями – эмиттер выполняет функции коллектора, а коллектор – функции эмиттера. Этот режим, как правило, не соответствует нормальным условиям эксплуатации транзистора.

Принцип работы биполярного транзистора в активном режиме рассмотрим на примере транзистора n-p-n типа. Для этого на эмиттерный переход подадим прямое напряжение (U_бэ), а на коллекторный – обратное (U_кб, рис.2.2.)

Для отпирания р-п перехода требуется незначительное напряжение,

поэтому величина U_бэ небольшая, в то время как обратное напряжение на коллекторном переходе может быть существенно больше. Ток, проходящий через эмиттерный переход, получил название эмиттерного тока. Этот ток равен сумме дырочной и электронной составляющих

I_э=I_эп+I_бр, (2.1)

І_Эп – составляющая эмиттерного тока, обусловленная инжекцией электронов из области эмиттера;

І_Бр – составляющая эмиттерного тока, обусловленная инжекцией дырок из области базы.

В транзисторах, как было сказано выше, концентрация носителей заряда в базе значительно меньше, чем в эмиттере. Это приводит к тому, что число электронов, инжектированных из эмиттера в базу, во много раз превышает число дырок, движущихся в противоположном направлении.

Следовательно, почти весь ток через эмиттерный переход обусловлен электронами:

(2.2)

Инжектированные через эмиттерный переход электроны проникают вглубь базы, частично рекомбинируют и оставшаяся часть достигает коллекторного перехода.

Электрическое поле этого перехода переносят электроны в область

коллектора.

Ток, возникший в коллекторной цепи:

I_k≈I_э+I_рек≈I_э. (2.3)

Последнее упрощение в (2.3) сделано на основе того, что число

рекомбинаций незначительно, т.к. база узка и имеет мало примесей. Таким

образом, практически весь ток, возникший в цепи эмиттера, переносится в

цепь коллектора. Вследствие того, что напряжение в цепи коллектора

значительно превышает напряжение, подведенное к эмиттерному переходу, а токи в цепях эмиттера и коллектора практически равны, следует ожидать, что мощность полезного сигнала на выходе схемы (в коллекторной цепи) может оказаться намного больше, чем во входной (эмиттерной) цепи транзистора.

Реально ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора, т. е.

I_э=I_к+I_б (2.4)

где ток базы обусловлен двумя составляющими

I_Б=I_Бр+I_рек, (2.5)

Если под воздействием U_бэ ток эмиттера возрастет на некоторую величину, то соответственно возрастут и остальные токи транзистора

(2.6)

Для характеристики соотношений между приращениями токов

электродов вводят так называемые коэффициенты передачи токов эмиттера (α) и коллектора (β) при неизменном напряжений на коллекторном переходе:

(2.7)

На практике часто этими коэффициентами определяют и соотношения

токов электродов на линейном участке их зависимости:

(2.8)

Между введенными коэффициентами существует соотношение:

. (2.9)

Обычно это а=0,95…0,995.

Чем больше коэффициент α, тем меньше отличаются между собой

токи коллектора и эмиттера, тем более эффективно могут быть использованы усилительные свойства транзистора. Учитывая приведенные значения α, становится очевидным, что β >> 1.

Поскольку в цепи коллектора кроме тока, обусловленного прохождением тока эмиттера, протекает также обратный ток коллекторного перехода I_кбо, то полный ток коллектора

I_K=aI_Э+I_кбо (2.10)

Учитывая, что ток I_кбо по величине незначителен,

I_K≈aI_Э (2.11)

Зная величины напряжений, вызвавших изменения cсоответствующих токов можно определить дифференциальное сопротивление эмиттерного, коллекторного переходов и сопротивление области базы:

(2.12)

Задача №1

Рассчитать и построить в соответствующем масштабе ВАХ идеализированного диода в диапазоне изменения напряжения питания от – 10 до + 0,7 В при Т = 300 К и обратном токе насыщения, равном I₀. Величина константы для Т = 300 К будет 0,026 В.

По построенной ВАХ графическим методом определить дифференциальное сопротивление R_диф диода, сопротивление постоянному току R₀ для заданного значения напряжения на диоде U_пр, соответствующего рабочей точке на прямой ветви ВАХ. Величины I₀, U_пр приведены в табл. 1.

I₀,nА=0,5; U_пр, В=0.3

Решение:

Рассчитаем ВАХ в соответствии с выражением :

Для обратной ветви (U < 0):

Так как в масштабе U[-10;0,7] линия значения тока резко уходит вверх на довольно большие значения, уменьшим масштаб до U[-0,5;0,4] для обеспечения возможности определения дифференциального сопротивления диода в точке U_пр = 0,3 В.

Рис.1. График построенной ВАХ диода представлен на рис. 1.

Для определения дифференциального сопротивления диода в заданной точке U_пр=0,3В, отметим на характеристике рабочую точку А, соответствующую данному значению прямого напряжения.

Зададим приращение ∆U = 0,03 В. При этом, приращение тока будет составлять:

∆I = 8,34∙10^-6 - 1,23∙10^-4 =5,11∙10^-2 А;

Таким образом, дифференциальное сопротивление диода равно:

Сопротивление постоянному току диода в рабочей точке А:

;

Таким образом, условие, при котором R₀ > r_диф выполняется.

Задача № 3

Усилительный каскад выполнен на полевом транзисторе типа 2П302А по схеме с общим истоком и резистором нагрузки R_c в цепи стока. Напряжение смещения на затворе создается за счет включения в цепь истока резистора R_u. Значения сопротивления резистора R_c, напряжения на затворе в режиме покоя U_зио и ЭДС источника Е_сприведены в таблице 3.

Таблица 3

Необходимо:

а) нарисовать принципиальную схему усилителя;

б) пользуясь статическими характеристиками транзистора, определить положение рабочей точки;

в) в найденной рабочей точке определить сопротивление резистора в цепи истока R_u и малосигнальные параметры S, R_i и m;

г) графоаналитическим методом определить параметры режима усиления S_p, K и Р при амплитуде входного сигнала U_mзu=0,25 B.

1. Принципиальная схема усилителя представлена на рис. 2:

Рис. 2

2. При напряжении питания усилителя E_c = 11 В:

Тогда А;

Рис.3.

Построим нагрузочную прямую через точки [I_C = 44 мА, E_c = 0 В] и [I_C = 0 мА, E_c = 11 В] (рис. 3).

Рабочей точкой будет являться точка «О» на пересечении нагрузочной прямой и характеристики, соответствующей заданному значению

В.

I_C0 = 22 мА; U_СИ0 = 10 В;

3. Сопротивление резистора в цепи истока находим по формуле:

Ом;

Малосигнальные параметры:

;

Ом;

;

4. Коэффициент усиления по напряжению:

Выходная мощность:

Вт;(14)

Список использованной литературы

1. Транзисторы для аппаратуры широкого применения (справочник); под ред. Б.Л. Перельмана – М: Радио и связь, 1981.

2. Булычев А.Л., Лямин П.М., Тулинов Е.С. Электронные приборы. – Мн. Выш. Шк. 1999

3. Ткаченко Ф.А. Техническая электроника: Уч. пособие, Мн.: Дизайн ПРО, 2000.

4. Электронные приборы/Под ред. Г.Г. Шишкина. – М.: Энергоатомиздат, 1989.

5. Терехов В.А. Задачник по электронным приборам. – СПб.: Лань, 2003.