Транзисторы: Учебно-методическое пособие. Часть 2

М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я РО ССИ Й СК О Й Ф Е Д Е РА Ц И И В О РО Н Е Ж СК И Й ГО СУ Д А РСТ В Е Н Н Ы Й У Н И В Е РСИ Т Е Т

Т РА НЗ И С Т О РЫ Пособиед ля студ ентовспециальности 014100 «М икроэлектроника и полупровод никовы еприборы ». Ч асть2.

В оронеж 2003 г.

2

У тверж д ено научно-м етод ическим советом ф изического ф акультета. Протокол № 6 от24.06.03 г.

Составители: ПетровБ.К ., В оробьевВ .В .

Пособие под готовлено на каф ед ре ф изики полупровод ников и м икроэлектроники ф изического ф акультета В оронеж ского госуд арственного университета.

3

В о второй части пособия к лабораторном у практикум у по основны м курсам «Ф изика полупровод никовы х приборов» и «Т верд отельная электроника и интегральны е схем ы »

специальности 014100

«М икроэлектроника и

полупровод никовы е приборы » д ля студ ентов 4 курса рассм атриваю тся три лабораторны еработы по транзисторны м структурам : биполярны етранзисторы , полевы е транзисторы с управляю щ им p-n переход ом и полевы е транзисторы с изолированны м затвором (М Д П-транзисторы ). Пред ставлены теоретические основы работы д анны х приборов, д аны м етод ики и зад ания по изм ерению статических В А Х снятию

В АХ

транзисторов.

и им пульсны х характеристик биполярны х транзисторов, и

опред елению

м алосигнальны х

парам етров полевы х

4

С О Д Е РЖ А НИ Е 1. Б иполяр ны е тр анзистор ы В вед ение 1.1 Принцип работы биполярного транзистора 1.2 К онструкция планарного транзистора 1.3. В ольт-ам перны ехарактеристики биполярного транзистора 1.4. Ч астотны есвойства биполярны х транзисторов 1.5. Переход ны епроцессы вклю чена биполярном транзисторе 1.6. О писаниелабораторного м акета 1.7. Практическоезад ание 1.8. К онтрольны евопросы Л итература 2. П олевы е тр анзистор ы супр авляю щим p-n пер еходом В вед ение 2.1 Принцип д ействия полевы х транзисторов с управляю щ им p-n переход ом 2.2. В ы ход ная В А Х полевого транзистора суправляю щ им p-n переход ом 2.3. М алосигнальны епарам етры полевы х транзисторовсуправляю щ им p-n переход ом 2.4. Практическая часть 2.5. К онтрольны евопросы Л итература 3. М Д П тр анзистор ы В вед ение 3.1. Принцип д ействия и конструкция М Д П транзистора 3.2. В А Х М Д П транзистора синд уцированны м каналом 3.3. Д иф ф еренциальны е низкочастотны е парам етры полевы х М Д П транзисторов 3.4. Практическая часть 3.5. К онтрольны евопросы Л итература

5 5 5 10 12 14 16 18 19 20 20 21 21 21 25 28 30 31 31 32 32 32 38 43 44 46 46

5

1. Б И П О ЛЯ РНЫ Е Т РА НЗ И С Т О РЫ

ВВЕ Д Е НИ Е Полупровод никовы й триод (транзистор) является од ним из сам ы х распространенны х элем ентов электронны х схем . С развитием технологии изготовления и соверш енствованием конструкций биполярны х транзисторов связан целы й этап развития м икроэлектроники. Появилась возм ож ность изготовления м алогабаритной, над еж ной рад иоэлектронной аппаратуры с вы соким и энергетическим и характеристикам и, а такж е бы строд ействую щ ей вы числительной техники. Н овы е технологические процессы , разработанны е д ля созд ания биполярны х транзисторов, стали основой производ ства интегральны х схем , а изучение ф изики явлений в них привело к созд анию новы х вид овполупровод никовы х приборов. В настоящ ее врем я область прим енения биполярны х транзисторов несколько сузилась, од нако они прод олж аю туспеш но конкурироватьсд ругим и полупровод никовы м и приборам и вусилительны х и клю чевы х устройствах. Н аибольш ее распространение получили биполярны е транзисторы , изготовленны е по планарной технологии, которая позволяетконструировать приборы сразны м и электрическим и парам етрам и на основекрем ния. 1.1. П р инцип р аботы биполяр ного тр анзистор а Схем атическое изображ ение структуры биполярного транзистора привед ено на рис.1. В ид но, что транзистор состоит из д вух p-n-переход ов, вклю ченны х навстречу д руг д ругу. К аж д ы й из p-n-переход ов м ож ет бы ть см ещ ен либо в прям ом , либо в обратном направлении. В зависим ости отэтого различаю тчеты ререж им а работы транзистора: 1) реж им отсечки – оба p-n-переход а см ещ ены в обратном направлении, при этом через транзистор протекаю тм алы етоки; 2) реж им насы щ ения – оба p-n-переход а см ещ ены впрям ом направлении, при этом через транзистор проход ятотносительно больш иетоки; 3) норм альны й активны й реж им – од ин из p-n-переход ов (эм иттерны й) см ещ ен в прям ом направлении, а д ругой (коллекторны й) – вобратном направлении; 4) инверсны й активны й реж им – эм иттерны й переход см ещ ен вобратном направлении, а коллекторны й – впрям ом . В реж им е отсечки и реж им е насы щ ения управление транзистором почти отсутствует. В активном реж им е м ож но управлять током , протекаю щ им через транзистор, и использовать его в качестве активного элем ента электрических схем д ля усиления, переклю чения, генерирования сигналови т.п.

6

О бласть транзистора, располож енную м еж д у p-n-переход ам и, назы ваю т базой. Прим ы каю щ ие к базе области обы чно д елаю тнеод инаковы м и. О д ну из областей изготавливаю ттак, чтобы из нее наиболее эф ф ективно происход ила инж екция носителей в базу, а д ругую – так, чтобы соответствую щ ий p-nпереход наилучш им образом осущ ествлял экстракцию носителей из базы .

p+

n

Э м иттер

База

pК оллектор

а)

n+ Э м иттер

p База

nК оллектор

б) Рис. 1. Схем атическоеизображ ениеструктур биполярны х транзисторов и их условноеизображ ение: а - p-n-p-типа; б - n-p-n-типа.

О бластьтранзистора, основны м назначением которой является инж екция неосновны х носителей в базу, назы ваю т эм иттером , соответствую щ ий p-nпереход – эм иттерны м . О бласть транзистора, основны м назначением которой является экстракция неосновны х носителей из базы , назы вается коллектором , соответствую щ ий p-n-переход – коллекторны м . О сновны е характеристики транзистора опред еляю тся процессам и, происход ящ им и вбазе. Рассм отрим распред еление потоков носителей в n-p-n-транзисторе в активном реж им е(рис. 2). Ч ерез эм иттерны й переход транзистора происход итинж екция носителей заряд а (электронов) в базу. И нж ектированны е носители (ток IЭ n) частично реком бинирую т в объ ем е базы , на ее поверхности и ом ическом контакте с базой (ток IБ.рек), остальны е пересекаю т базу, д оход ят д о коллекторного переход а и вы тягиваю тся его полем в коллектор. К этой составляю щ ей тока коллектора д обавляется ток тепловой генерации в базе, коллекторе и коллекторном p-n- переход е IК 0. В еличина χn=InK/InЭ 4wБ0), что сниж аетпотери на реком бинацию вобъ ем е базы ; 2) площ ад ь коллектора SК д елаю т больш е, чем площ ад ь эм иттера SЭ (SК >3SЭ ) , чтобы собрать весь поток носителей, ид ущ их из эм иттера (по этой причине инверсны й активны й реж им никогд а не используется); 3) д ля ум еньш ения инж екционного тока из базы в эм иттер IЭ p концентрацию прим есей в базе NаБ д елаю тзначительно м еньш ей, чем концентрацию д онороввэм иттереNdЭ ≥(103÷105)NaБ .

8

В результатеполучается, что ток коллектора вактивном реж им еблизок к току эм иттера: Iк=(0,95÷0,99)IЭ , а ток базы значительно м еньш е как тока эм иттера, таки тока коллектора: IБ =IЭ -IК =IК /(20÷100) . Рассм отрим , как происход ит усиление в транзисторе по току, напряж ению и м ощ ности внорм альном активном реж им е. Различаю ттри схем ы вклю чения транзистора: собщ им эм иттером , общ ей базой и общ им коллектором (рис. 3). О бщ им назы ваю тэлектрод , относительно которого изм еряю ти зад аю тнапряж ения. У силительны есвойства транзистора проявляю тся, если всхем есобщ ей базой вкачествевход ной цепи использовать эм иттерную , а вкачествевы ход ной – коллекторную . Д ля схем ы собщ им коллектором вход ной является цепьбазы , а вы ход ной – цепьэм иттера. Н аибольш ееусилениепо м ощ ности получаю твсхем есобщ им эм иттером . Д ругиесхем ы вклю чения использую тся обы чно д ля согласования усилительны х каскад овпо вход ном уи вы ход ном усопротивлению . У силение Е пит

Е пит К

Э

К

Е пит

Б

К Б

Б

Б

Э

Э

Э

Рис. 3. Схем ы вклю чения биполярны х транзисторов: а - собщ ей базой; б - собщ им э м иттером ; в- собщ им коллектором .

по токухарактеризуетстатический коэф ф ициентперед ачи тока всхем есобщ ей базой (О Б) h21Б =IК /IЭ =0,95÷0,99, а всхем есобщ им эм иттером (О Э ) h21Э =IК /IБ ≥20. В схем е с общ им эм иттером вход ной цепью является цепь базы , а вы ход ной – цепь коллектора. Т ак как ток базы значительно м еньш е тока коллектора, то м алы е изм енения тока базы привод ятк больш им изм енениям тока коллектора. Е сли в коллекторную цепь вклю чить резистор соответствую щ ей величины , то м ож но получитьна нем изм енениенапряж ения, близкое к напряж ению источника питания, величина которого составляет обы чно д есятки В ольт. В то ж еврем я во вход ной цепи д ля больш ого изм енения вход ного тока (в несколько раз) д остаточно изм енить напряж ение на эм иттерном p-n-переход ена 25÷50 м В . Т аким образом , изм енениекактока, так и напряж ения ввы ход ной цепи значительно больш е, чем во вход ной.

9

KU =

∆I K R Н > 10. ∆U Э Б

(1)

К оэф ф ициентусиления по м ощ ности на перем енном сигнале в схем е с О Б равен: К оэф ф ициентусиления по напряж ению д ля схем сО Б и О Э равен:

0,5(∆I К ) R Н ∆I K R Н K уp = ≅ = K U > 10, 0,5∆I Э ∆U Б ∆U Б 2

(2)

а всхем есО Э

∆I K R Н 0,5(∆I K ) R Н K уp = = h21Э = h21Э K U >> 10, ∆U Э Б 0,5∆I Б ∆U Э Б 2

(3)

гд е h21Э =∆IK/∆IБ – коэф ф ициент перед ачи (усиления) тока в схем е с О Э на м алом сигнале. В реж им е насы щ ения транзистор наход ится тогд а, когд а напряж ение коллектор-эм иттер UК Э становится м еньш е напряж ения эм иттер-база UЭ Б . Э то происход итпри низком напряж ении питания Eпит