Исследование свойств транзисторов

Введение 

    Полупроводниковые приборы ( диоды и транзисторы) благодаря  малым габаритам и массе, незначительному  потреблению электроэнергии, высокой  надёжности и долговечности широко применяются в различной радиоэлектронной аппаратуре. В настоящее время  почти вся бытовая радиоэлектронная техника, включая телевизоры, приёмники, магнитофоны и др., работает на полупроводниковых приборах и микросхемах. Применение полупроводниковых приборов в электронных вычислительных машинах позволило решить проблему достижения высоких эксплуатационных параметров ЭВМ при обеспечении требуемой надёжности. Для конструирования надёжных схем на транзисторах, то есть для правильного выбора типа транзистора, грамотного расчёта схем, выбора оптимального теплового и электрического режимов, необходимо располагать подробными сведениями, характеризующими эксплуатационные свойства транзисторов.

    Действие  транзистора можно сравнить с  действием плотины. С помощью  постоянного источника (течения  реки) и плотины создан перепад  уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т.е. управлять энергией мощного постоянного источника

       Срок службы полупроводниковых  триодов и их экономичность  во много раз больше, чем у  электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое применение в микроэлектронике — теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.

          Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами - те же, как и у полупроводниковых  диодов - отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его  разогрева. Кроме того, транзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях и более высоких частотах.

       Но наряду с положительными  качествами, триоды имеют и свои  недостатки. Как и полупроводниковые  диоды, транзисторы очень чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям (чтобы сделать транзистор более долговечным, его помещают в специальные  корпуса ).

          Основные материалы  из которых изготовляют транзисторы — кремний и германий, перспективные – арсенид галлия , сульфид цинка и широко зонные проводники .

       Существует 2 типа транзисторов: биполярные  и полевые.  

      Биполярный транзистор представляет  собой транзистор, в котором используются  заряды носителей обеих полярностей.

    Электронно  – дырочный p – n переход 

    В основе принципа действия подавляющего большинства полупроводниковых  приборов лежат процессы, происходящие в переходном слое, образованном в  полупроводнике на границе двух зон  с проводимостями различного типа, p и n типа. Для простоты эту границу принято называть p – n переходом, или электронно -  дырочным переходом, что характеризует вид основных носителей зарядов в двух примыкающих друг к другу зонах полупроводника.

    Различают два вида p – n переходов: плоскостной и точечный. Плоскостной переход получается путём помещения кусочка примеси, например, индия на поверхность германия n типа и последующего нагревания до расплава примеси. При поддержании определённой температуры в течение определённого времени происходит диффузия части атомов примеси в пластинку полупроводника на небольшую глубину. Создаётся зона с проводимостью, противоположной проводимости исходного полупроводника, в данном случае p типа для n германия.

    Точечный  переход получается в результате установления плотного электрического контакта тонкого проводника, имеющего электронную проводимость, с поверхностью полупроводника p типа. Именно на этом принципе действовали первые кристаллические детекторы, которые применялись в 20 – 30-х годах.

    Но  такие детекторы были крайне чувствительны к положению заострённого конца проволочки на поверхности полупроводника, к чистоте его поверхности, вследствие чего приходилось очень часто подстраивать его. Своё название детектор получил от английского слова, означающего устройство, предназначенное для обнаружения в данном случае сигнала и чувствительной точки. В настоящее время точечные переходы получаются путём вплавливания конца тонкой металлической проволоки в поверхность полупроводника n типа. Вплавление осуществляется в момент подачи кратковременного мощного импульса электрического тока. Под действием тепла, которое образуется за этот короткий промежуток времени, часть электронов вырывается из атомов полупроводника, находящихся вблизи точечного контакта, оставляя после себя дырки. В результате этого небольшой объём полупроводника n типа в непосредственной близости от контакта превращается в полупроводник p типа.

    Характерной особенностью p – n перехода является резко выраженная зависимость его электрической проводимости от полярности приложенного к нему внешнего напряжения, чего никогда не наблюдается в полупроводнике одной проводимости. Для того чтобы уяснить, почему это происходит, надо обратиться к действию внешнего напряжения различной полярности, прикладываемого к двум зонам полупроводника, имеющим проводимости разного типа.

    В том случае, когда положительный  полюс напряжения приложен к зоне p, где основными носителями заряда являются дырки, а отрицательный полюс – к зоне n, где основные носители заряда – электроны, под действием внешнего поля дырки будут отталкиваться положительным потенциалом, а электроны – отрицательным. Под действием этих сил дырки и электроны будут двигаться навстречу друг другу, к p – n переходу, где происходит их рекомбинация. Пока приложено напряжение, через переход всё время течёт ток. Чем больше напряжение, тем больше будет ток через переход. В этом случае принято говорить, что переход включён в прямом направлении, характеризующемся малым сопротивлением и большим током.

    Если  изменить полярность включения внешнего источника,  то дырки будут притягиваться к отрицательному полюсу, а электроны – к положительному. Под действием этих сил электроны и дырки будут двигаться в направлении от перехода, вследствие чего переход будет обеднён носителями заряда, число рекомбинаций значительно сократится, и, как следствие этого, ток через переход станет очень малым. В этом случае говорят, что к переходу приложено напряжение в обратном, запорном направлении, когда сопротивление перехода велико, проводимость и ток малы. Благодаря своей способности хорошо пропускать ток в одном направлении и плохо - в другом p – n переход обладает выпрямляющими свойствами, широко используемыми в полупроводниковых диодах, являющихся самыми простыми и исторически самымипервыми полупроводниковыми приборами. В соответствии с видом перехода различаются плоскостные и точечные диоды, которые могут быть кремниевыми или германиевыми.

    Величина  токов в прямом и обратном направлениях различаются в десятки, сотни  раз. Обращает на себя тот факт, что зависимость тока от величины напряжения не является линейной. Резкое увеличение тока в обратном направлении при большом запирающем напряжении указывает на ухудшение электрической прочности перехода при высоком напряжении.

    Другой  характерной особенностью p – n перехода является сильная зависимость его свойств от температуры. По мере повышения температуры значительно возрастает обратный ток перехода, снижается допустимое обратное напряжение. При повышении температуры и неизменном напряжении прямой ток увеличивается. При этом для сохранения прежнего значения тока необходимо уменьшать напряжение смещения в среднем на 5о МВ на каждые 10 градусов.

    Использование свойств p – n перехода лежит в основе принципа действия различных видов полупроводниковых приборов, самыми распространёнными из которых являются полупроводниковые диоды и транзисторы.

    Биполярные  транзисторы 

    В отличие от полупроводниковых диодов биполярные транзисторы имеют два электронно – дырочных перехода. Основанием прибора служит пластина полупроводника, называемая базой. С двух сторон в неё вплавлена примесь, создающая области с проводимостью, отличной от проводимости базы. Таким образом получают транзистор типа n – p – n, когда крайние области являются полупроводниками с электронной проводимостью, а средняя – полупроводником с дырочной проводимостью, и транзистор типа p – n – p, когда крайние области являются полупроводниками с дырочной проводимостью, а средняя – полупроводником с электронной проводимостью. Нижнюю область называют эмиттером, а верхнюю коллектором. На границах областей с различной проводимостью образуются два перехода. Переход, образованный вблизи эмиттера, называется эмиттерным, вблизи коллектора – коллекторным. При использовании транзистора в схемах на его переходы подают внешние напряжения. В зависимости от полярности этих напряжений каждый из переходов может быть включён либо в прямом, либо в обратном направлении. Соответственно различают три режима работы транзисторов: режим отсечки, когда оба перехода заперты; режим насыщения, когда оба перехода отперты; активный режим, когда эмиттерный переход частично отперт, а коллекторный заперт. Если же эмиттерный переход смещён в обратном направлении, а коллекторный - в прямом, то транзистор работает в обращённом (инверсном) включении.

    В основном транзистор используется в  активном режиме, где для смещения эмиттерного перехода в прямом направлении  на базу транзистора типа p – n – p подают отрицательное напряжение относительно эмиттера, а коллектор смещают в обратном направлении подачей отрицательного напряжения относительно эмиттера. Напряжение на коллекторе обычно в несколько раз больше напряжения на эмиттере.

    Классификация. Транзисторы квалифицируются по исходному материалу, рассеиваемой мощности, диапазону рабочих частот, принципу действия и т. д. В зависимости от исходного материала их делят на две группы: германиевые и кремниевые. Германиевые транзисторы работают в интервале температур от – 60 до + 78…85 градусов, кремниевые – от -60 до + 120…150 градусов. По диапазону рабочих частот их делят на транзисторы низких, средних и высоких частот, по мощности – на классы транзисторов малой, средней и большой мощности. Транзисторы малой мощности делят на шесть групп: усилители низких и высоких частот, малошумящие усилители, переключатели насыщенные, ненасыщенные и малотоковые ( прерыватели ); транзисторы большой мощности – на три группы: усилители, генераторы, переключатели. По технологическому признаку разделяют транзисторы сплавные, сплавно – диффузионные, диффузионно – сплавные, планарные, эпитаксиальные, конверсионные, эпитаксиально – планарные.

    Обозначение типа биполярных транзисторов состоит  из нескольких элементов. Первый элемент  обозначает исходный материал, из которого изготовлен прибор: германий или его  соединения – Г; кремний или его соединения – К; соединения галлия – А. Для транзисторов, используемых в устройствах специального назначения, установлены следующие обозначения исходного материала: германий или его соединения – 1; кремний и его соединения – 2; соединения галлия – 3. Второй элемент – подкласс полупроводникового прибора. Для биполярных транзисторов вторым элементом является буква. Третий элемент – назначение прибора. Четвёртый и пятый элементы – порядковый номер разработки и технологического типа прибора ( от 01 до 99). Шестой элемент – деление технологического типа на параметрические группы ( буквы русского алфавита от А до Я). Например, транзистор, предназначенный для устройств широкого применения, германиевый, низкочастотный, малой мощности, номер разработки 15, группа А – ГТ115А.

    Наборы  дискретных полупроводниковых приборов обозначаются в соответствии с их разновидностью и перед последнем  добавляется букв С.

    Обозначение типа транзисторов, разработанных до 1964 года, состоит из трёх элементов: первый – буква П (полупроводниковый триод, транзистор); второй – цифра (порядковый номер разработки); третий – буква, соответствующая разновидности транзистора данного типа. В обозначение модернизированных транзисторов входит буква М (например, МП101А, МП21В).

    Усилительные  свойства биполярных транзисторов 

    Усиление  тока 

    Обычно  зависимость тока коллектора от тока эмиттера выражается через коэффициент  усиления по току, который обозначается буквой а («альфа»). Этот коэффициент  определяется как отношение приращения тока коллектора Iк к воззвавшему его приращению тока эмиттера Iэ, а именно

    За  счёт близкого расположения переходов  и вследствие совершенной технологии производства величина а современных  плоскостных транзисторов обычно находится  в пределах от 0,9 до 0,997.

    Одному  и тому же приращению тока эмиттера будут соответствовать различные  значения вызванного им приращения тока коллектора в зависимости от выбора исходной рабочей точки на характеристике. Это говорит о том, что величина коэффициента а зависит от напряжения на коллекторе и тока эмиттера.