Лабораторная работа 3 (Lr3)
БИПОЛЯРНЫЕ И ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Снятие и анализ входных и выходных характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером и определение по ним его h -параметров; исследование выходных характеристик полевого транзистора в схеме с общим истоком и построение его стоко-затворной характеристики.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ
Транзистор – это полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десяти гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт).
Различают биполярные транзисторы, в которых используются кристаллы n- и p- типа, и полевые (униполярные) транзисторы, изготовленные на кристалле германия или кремния с одним типом проводимости.
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Биполярные транзисторы – это полупроводниковые приборы, выполненные на кристаллах со структурой p-n-p- типа (а) или n-p-n -типа (б) с тремя выводами, связанными с тремя слоями (областями): коллектор (К), база (Б) и эмиттер (Э) (рис. 3.1, а и б). Ток в таком транзисторе определяется движением зарядов двух типов: электронов и дырок. Отсюда его название – биполярный транзистор.
Рис. 3.1
Физические процессы в транзисторах p-n-p- типа и n-p-n- типа одинаковы. Отличие их в том, что токи в базах транзисторов p-n-p- типа переносятся основными носителями зарядов – дырками, а в транзисторах n-p-n -типа – электронами. Каждый из переходов транзистора – эмиттерный (Б-Э) и коллекторный (Б-К) можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:
- режим отсечки – оба p-n -перехода закрыты, при этом через транзистор протекает сравнительно небольшой ток 
, обусловленный неосновными носителями зарядов;
- режим насыщения – оба p-n -перехода открыты;
- активный (усилительный)режим – один из p-n -переходов открыт, а другой закрыт.
В режимах отсечки и насыщения управление транзистором практически отсутствует. В активном режиме транзистор выполняет функцию активного элемента электрических схем усиления сигналов, генерирования колебаний, переключения и т. п.
Рис. 3.2
Подав отрицательный потенциал ЭДС источника 
на коллектор и положительный на эмиттер (рис. 3.1, в) в схеме включения транзистора п-р-п -типа с общим эмиттером (с ОЭ), мы, тем самым, открыли эмиттерный переход Э - Б и закрыли коллекторный Б - К, при этом ток коллектора 
мал, он определяется концентрацией неосновных носителей (электронов в данном случае) в коллекторе и базе.
Если между эмиттером и базой приложить небольшое напряжение (0,3…0,5 В) в прямом направлении p-n -перехода Э - Б, то происходит инжекция дырок из эмиттера в базу, образуя ток эмиттера 
. В базе дырки частично рекомбинируют со свободными электронами, но одновременно от внешнего источника напряжения (ЕБ < ЕК) в базу приходят новые электроны, образуя ток базы 
.
Так как база в транзисторе выполняется в виде тонкого слоя, то только незначительная часть дырок рекомбинирует с электронами базы, а основная их часть достигает коллекторного перехода. Эти дырки захватываются электрическим полем коллекторного перехода, являющегося ускоряющим для дырок. Ток дырок, попавших из эмиттера в коллектор, замыкается через резистор 
и источник напряжения с ЭДС 
образуя ток коллектора 
во внешней цепи.
Токи транзистора в схеме включения с ОЭ (см. рис. 23,1, в), работающего в активном режиме, связаны уравнением
.
Отношение тока коллектора к току эмиттера называют коэффициентом передачи тока
,
откуда ток базы
где IK 0 = 0,1…10 мкА у кремниевых и IK 0 = 10…100 мкА у германиевых транзисторов
Схема включения транзистора с ОЭ является наиболее распространенной вследствие малого тока базы во входной цепи и усиления входного сигнала как по напряжению, так и по току.
Транзистор может работать на постоянном токе, малом переменном сигнале, большом переменном сигнале и в ключевом (импульсном) режиме.
Основные свойства транзистора определяются соотношениями токов и напряжений в различных его цепях и взаимным их влиянием друг на друга. На рис. 3.2 представлены семейства входных 
(а) и выходных 
(б) статических характеристик транзистора в схеме с ОЭ. Они могут быть получены в результате эксперимента или расчёта.
Семейства характеристик, которые связывают напряжения и токи на выходе с токами и напряжениями на входе, называют характеристиками передачи или управляющими характеристиками. В качестве примера на рис. 3.2, в приведена управляющая характеристика по току транзистора (коэффициент передачи тока) при напряжении 
, т. е.
.
Входные и выходные характеристики транзистора обычно приводятся в справочниках (каталогах) транзисторов, которые широко используют для анализа работы транзисторов и для расчета схем при больших сигналах.
В режиме усиления малых сигналов транзистор в схеме с ОЭ часто представляют в виде линейного четырехполюсника, входные и выходные параметры которого связаны следующими уравнениями:
;
где 
(
) - входное динамическое сопротивление транзистора (h 11 Э = 100…1000 Ом); 
(
) - безразмерный коэффициент внутренней обратной связи по напряжению, значение которого лежит в пределах 0,002…0,0002 (при расчётах им часто пренебрегают, т. е. полагают равным нулю); 
() - коэффициент передачи (усиления) тока при постоянном напряжении на коллекторе; его также обозначают 
или 
;
() - выходная проводимость транзистора при постоянном токе базы (h 22 Э = 
См).
Параметры схемы замещения транзистора с ОЭ в h -форме определяют по его входным и выходным характеристикам (см. рис. 23,2).
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, в котором ток стока (С) через полупроводниковый канал п - или р -типа управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором (З) и истоком (И). Полевые транзисторы изготавливают:
Рис. 3.3
· с управляющим затвором типа p-n-перехода для использования в высокочастотных (до 12…18 ГГц) преобразовательных устройствах. Условное их обозначение на схемах приведено на рис. 3.3, а и б;
· с изолированным (слоем диэлектрика) затвором для использования в устройствах, работающих с частотой до 1…2 ГГц. Их изготавливают или со встроенным каналом в виде МДП-структуры (см. их условное обозначение на рис. 3.3, в и г), или с индуцированным каналом в виде МОП-структуры (их условное обозначение на схемах дано на рис. 3.3, д и е).
Схема включения полевого транзистора с затвором типа p-n- перехода и каналом n -типа, его семейство выходных характеристик IС = f (UС), UЗ = = const и стоко-затворная характеристика IC = f (UЗ), IС = const изображены на рис 3.4.
Рис. 3.4
При подключении выходов стока С и истока И к источнику питания Un по каналу n -типа протекает начальный ток IC, так как p-n -переход не перекрывает сечение канала (рис. 3.4, а). При этом электрод, из которого в канал входят носители заряда, называют истоком, а электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком.
Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором. С увеличением обратного напряжения –UЗ уменьшается сечение канала, его сопротивление увеличивается и уменьшается ток стока IC (см. рис. 3,4, в).
Итак, управление током стока IC происходит при подаче обратного напряжения на p-n -переход затвора З. В связи с малостью обратных токов в цепи затвор-исток, мощность, необходимая для управления током стока, оказывается ничтожно малой.
При напряжении –UЗ = -UЗО, называемым напряжением отсечки, сечение канала полностью перекрывается обеднённым носителями заряда барьерным слоем, и ток стока ICО (ток отсечки) определяется неосновными носителями заряда p-n -перехода (см. рис. 3.4, б).
Схематичная структура полевого транзистора с индуцированным n- каналом представлена на рис 3.5. Электрод затвора изолирован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика из двуокиси кремния (SiO2). Поэтому полевой транзистор с такой структурой называют МОП-транзистором (металл-оксид-полупроводник).
Рис. 3.5
Электроды стока и истока располагаются по обе стороны затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом. При напряжении на затворе относительно истока равным нулю и при наличии напряжения на стоке ток стока IC оказывается ничтожно малым. Заметный ток стока появляется только при подаче на затвор напряжения положительной полярности относительно истока, больше так называемого порогового напряжения UЗ. пор.
При этом в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при напряжениях на затворе, бόльших UЗ.пор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсионный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала изменяются с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться ток стока.
В полевом транзисторе со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе ток стока имеет начальное значение IC 0.
Такой транзистор может работать как в режиме обогащения, так в режиме обеднения: при увеличении напряжения на затворе канал обогащается носителями зарядов и ток стока растёт, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.
Важнейшей особенностью полевых транзисторов является высокое входное сопротивление (десятки-сотни мегаом) и малый входной ток. Одним из основных параметров полевых транзисторов является крутизна S = 
стоко-затворной характеристики (см. рис. 3.4, в), выражаемая в мА/В.
ВОЛЬТАМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРОВ
Входные и выходные вольтамперные характеристики транзисторов обычно снимают на постоянном токе (по точкам) или с помощью специальных приборов – характериографов, позволяющих избежать сильного нагрева приборов. Полученные ВАХ используют для расчета цепей смещения и стабилизации режимов работы, расчёта конечных состояний ключевых схем (отсечки насыщения).
Входные характеристики IБ (UБ) при UКЭ = const биполярных транзисторов, включенных по схеме с ОЭ (см. рис. 3.2, а), имеют вид, аналогичный характеристикам диодов: ток базы экспоненциально возрастает с увеличением напряжения база-эмиттер при заданном напряжении на коллекторе. В виду ничтожно малых токов затвора IЗ полевых транзисторов, включенных по схеме с ОИ, их входные ВАХ, как правило, не снимают.
Как отмечалось, выходные характеристики биполярных транзисторов IK (UK) при IБ = const, включенных по схеме с ОЭ (см. рис. 3.2, б), определяют зависимость выходного тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при заданных значениях тока базы, а выходные характеристики полевых транзисторов IC (UC) при UЗ = const, включенных по схеме с ОИ, определяют зависимость тока стока от напряжения между стоком и истоком при фиксированном напряжении затвора.