Тепловий струм зумовлений генерацією неосновних носіїв в об'ємах, прилеглих до переходу. З цих об'ємів неосновні носії дифундують у ділянку переходу і виносяться полем в іншу ділян­ку, де вони є основними носіями. У рівноважному стані (на пере­хід не подано напруги) ці потоки компенсуються зустрічними пото­ками інжектованих основних носіїв.

Тепловий струм змінюється із зміною температури, головним чином внаслідок зміни рівноважної концентрації неосновних носіїв у базі р_об і в емітері п_ое. Якщо в ідеалізованому діоді ми вважа­ли перехід нескінченно вузьким і нехтували генерацією та реком­бінацією носіїв заряду в ньому, то в реальних діодах цього зробити не можна. Носії, що генеруються в ділянці переходу, швидко виносяться електричним полем у відповідну ділянку переходу; це і е струм термогенерації I_G . У рівноважному стані діода струм тер­могенерації I_G компенсується таким самим струмом рекомбінації І_R.

Струм рекомбінації зумовлений основними носіями, енергія яких недостатня для інжекції (подолання потенціального бар'єра), а тому вони лише проникають у перехід з емітера і бази. Поблизу точки «відбиття» ці носії мають малу швидкість і встигають рекомбінувати.

Нерідко головним фактором, що впливає на зворотну характе­ристику діода, є струм поверхневого витоку І_В. Він зумовлений насамперед явищем генерації і рекомбінації, а також молекулярни­ми плівками окислів міді, газів, парів води та інших на поверхні напівпровідника. При підвищенні зворотної напруги струм витоку зростає спочатку майже лінійно, а потім більш різко.

Характерною особливістю струму витоку є його часова неста­більність, яку називають «повзучістю». Вона виявляється в зміні зворотного струму протягом деякого часу після стрибкоподібної зміни зворотної напруги, зокрема після ввімкнення. Час наростан­ня або спадання зворотного струму змінюється від кількох секунд до кількох годин. Зворотні характеристики реальних германієвих і кремнієвих діодів показано на рисунку 5.3. При значному збільшенні зворотної напруги струм діода зростає спочатку повільно, а потім дедалі швидше. Якщо не вжити спеціальних заходів, то р-n-перехід буде пробитий.

Розрізняють польовий, лавинний, тепловий і поверхневий про­бої р-п-переходу. Польовий пробій буває двох різновидів: зенерівський і тунельний. Зенерівський пробій полягає в тому, що досить сильне електричне поле в р-п-переході іонізує атоми напівпровідника (валентні електрони з ковалентних зв'язків переходять у зону провідності), Внаслідок цього різко збільшується зво­ротний струм через перехід. Напруга зенерівського пробою залежить від питомого опору напівпровідника. Чим більший його питомий опір, тим більша напруга пробою.

Тунельний пробій пояснюється ту­нельним ефектом, суть якого полягає ось у чому. При досить сильних електрич­них полях у р-п переходах (понад 10⁷ В/см) завдяки хвильовим властивос­тям електрони можуть переходити з ва­лентної зони ділянки р у зону провідності ділянки п і в зворотному напрямі: із зони провідності ділянки п у валентну зону ділянки р без зміни їх енергії, тобто не долаю­чи потенціального бар'єра. Умови для розвитку тунельного ефекту створюються в тонких (менших від 0,01—0,02 мкм) р-п-переходах з високолегованих (N > 10¹⁹ см~³) напівпровідників.

Лавинний пробій у р-п- переходах зумовлюється явищем ударної іонізації. При цьому неосновні носії в ділянці р-п-переходу (які утворюють тепловий струм I_о ) під впливом електричного поля набувають енергії, достатньої для ударної іонізації атомів напівпро­відника. Електрони, які виникли в результаті іонізації, у свою чер­гу розганятимуться полем і утворюватимуть нові електрони та дірки і т. д. При достатньо великій напруженості поля іонізація набуває лавинного характеру (подібно до самостійного розряду в газах), і зворотний струм різко збільшується. Цей вид пробою вла­стивий слабколегованим напівпровідникам, коли ширина р-п-переходу є досить великою. Напруга лавинного пробою збільшується із зростанням питомого опору напівпровідника. Встановлено, що напруга польового (зенерівського, тунельного) пробою менша як 2 В для германієвих і менша як 5 В для кремнієвих переходів.

Лавинний пробій характерний для германієвих переходів при напругах понад 5 В і для кремнієвих — 7 В. При проміжних зна­ченнях напруг обидва види пробою можуть статися одночасно.

Тепловий пробій є наслідком виділення тепла в переході під час проходження зворотного струму. Теплова енергія підвищує темпе­ратуру переходу, що в свою чергу збільшує тепловий струм і по­тужність, розсіювані в переході. Таке взаємозумовлене наростання температури і потужності, розсіюваної в переході, може набути ла­винного характеру і внаслідок цього може статися тепловий пробій.

При тепловому пробої внаслідок теплового збудження розри­ваються зв'язки між атомами кристалічної решітки. Тепловий про­бій буває при значно нижчих напруженостях електричного поля, ніж польовий і лавинний, у тих випадках, коли тепло не відводиться від переходу, який працює в режимі великих струмів. Зворотну вольт-амперну характеристику діода при польовому, лавинному і тепловому пробоях показано на рисунку 7.3.

У кремнієвих напівпровідникових приладах тепловий струм I₀ такий малий, що тепловий пробій практично виключається. На­пруга теплового пробою залежить від значення зворотного струму, опору переходу, умов тепловідведення, температури навколишнього середовища і т. д.

При всіх розглянутих видах пробою необмежене зростання стру­му призводить до руйнування переходу і повного виходу з ладу діо­да. Щоб запобігти пробою переходу, треба під час роботи послідов­но з діодом вмикати струмообмежувальний резистор з опором такої величини, щоб при пікових значеннях напруги струм у колі не перевищував допустимого значення.

Пряма гілка вольт-амперної характеристики реального діода відрізняється від вольт-амперної характеристики ідеалізованого діода через наявність струму рекомбінації в переході, вплив опору r_б і модуляцію базового шару.

При прямому зміщенні переходу знижується потенціальний бар'єр і різко зростає концентрація дірок та електронів у ділянці переходу, а також глибина їх проникнення в перехід, тому ймовірність рекомбінації збільшується, при цьому струм рекомбінації перевищує струм термогенерації. Через струм рекомбінації пряма гілка характеристики реального діода крутіша від ідеальної. Струм рекомбінації особливо відчутний у кремнієвих діодах при зниженій температурі, коли тепловий струм дуже зменшується. На пряму гілку вольт-амперної характеристики впливає опір бази внаслідок спаду напруги на ньому і зменшення напруги, прикладеної до переходу, порівняно з зовнішньою прикладеною напругою.

П
ряма гілка вольт-амперної характеристики для будь-якого реального діода є більш пологою, ніж для ідеалізованого (рисунок 7.4, а). Для германієвих діодів похил вольт-амперної характеристики на початковій ділянці визначається тепловим струмом, у кремнієвих діодах — струмом рекомбінації. Збільшення прямого струму в германієвих діодах починається при менших значеннях прямої напруги, ніж у кремнієвих. Лінійна ділянка характеристи­ки германієвих діодів крутіша, ніж кремнієвих.

Оскільки у кремнієвих діодах тепловий струм I_о значно менший, ніж у германієвих, то початкова ділянка прямої гілки вольт-амперної характеристики у кремнієвих діодах дуже полога. Це пояснюється тим, що заборонена зона кремнію значно ширша, ніж германію.

Із зміною температури змінюється як зворотна, так і пряма гілка вольт-амперної характеристики (рисунок 7.4, б, в), причому зміни зворотного струму помітніші, ніж прямого. Причина цього — сильні температурні зміни концентрації неосновних носіїв, які визначають тепловий струм І₀ і струм термогенерації I_G, основні складові зворотного струму.

Концентрація основних носіїв, яка визначає прямий струм, із зміною температури не змінюється, бо вона визначається в основному концентрацією домішок. З підвищенням температури зво­ротний струм збільшується приблизно у два рази на кожні 10° С у германієвих діодах (рисунок 7.4, б) і приблизно у два з половиною ра­зи в кремнієвих (рисунок 7.4, в). Пряма гілка характеристики з підви­щенням температури зміщується вліво і стає крутішою.

7.3 Хід роботи

— Підключити діод до вимірювального приладу в прямому напрямку, зняти пряму гілку ВАХ; повторити роботу для зворотного підключення; побудувати з отриманих ре­зультатів графіки, апроксимувати експериментальні точки аналітичною кривою.

— Змонтувати схему однопівперіодного випрямляння, підключити до напруги (12В!), спостерігати на осцилографі форми сигналу в різних точках схеми; дослідити вплив згладжувального конденсатора на форму вихідної напруги для різних величин вихідного струму.

— Дослідити форму вихідної напруги для двох інших схем випрямляння, накреслити криві з екрана осцилографа.

— Скласти схему найпростішого стабілізатора напруги, під'єднати до мостової схеми випрямляння, спостерігати на осцилографі форму напруги на вході та виході стабілізатора при зміні вихідного струму.

Зміст звіту

В звіті привести принципіальні схеми випрямлячів, стабілізатора, ВАХ діода, графіки напруг, що спостерігалися.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №8

8.1 Тема: Дослідження перехідних характеристик біполярного транзистора

Мета роботи: ознайомитися з методикою і приладами для зняття характеристик транзистора; дослідити характеристики транзисто­ра в схемі із загальним емітером; опанувати методику розрахун­ку елементів схеми транзисторного ключа.

Обладнання: універсальний прилад для визначення характеристик біполярних транзисторів; комплект транзисторів, резисторів, блоки живлення.

8.2 Теоретичні відомості

Транзистори

Транзистор це тришарова структура з двох р-п-переходів. Основою приладу є пластина монокристала п-германію, яку називають базою. З двох боків у базу вплавлені таблетки індію. На межі поділу індію й германію в процесі вплавлення утворюється шар напівпровідника з дірковою провідністю. Отже, на межі вплавлення виникають електронно-діркові переходи. Перехід, що діє при прямому зміщенні, називається емітерним, а крайній р-шар, який інжектує основні носії в базу,— емітером. Перехід, що діє при зворотному зміщенні, називається колекторним, а крайній р-шар, який збирає інжектовані носії, що пройшли через шар бази,— колектором.

База повинна мати малу товщину W, щоб виконувалась умова W<L, де L — дифузійна хвиля неосновних носіїв (дірок у базі). Якщо ця умова не виконується, то інжектовані носії в процесі переміщення через базу встигають рекомбінувати. Достатньо мала товщина бази (W << L) є умовою взаємодії р-п-переходів у транзи­сторі. Звичайно ступінь легування бази значно нижчий від ступеня легування емітера і колектора. До емітера, бази і колектора припаяні виводи, що утворюють з цими електродами омічний (невипрямний) контакт.

Такий транзистор називають транзистором р-п-р типу. Транзи­стори, в яких базою є р-напівпровідник, а емітером і колектором n-напів-провідники, називають транзисторами п-р-п типу.

У тран­зисторах р-п-р-типу робочими носіями є дірки, а в транзисторах п-р-п типу — електрони. Полярності напруг на електродах тран­зисторів цих типів зворотні.

Умовні позначення транзисторів на електричних схемах згідно з ГОСТ 2.730—73 подано на рисунку 8.1.

Основні властивості транзистора визначаються процесами в базі. Рух інжектованих носіїв у базі дифузійний і дрейфовий. Дифузійний рух зумовлюється зміною концентрації неосновних носіїв у базі в напрямі від емітера до колектора. Дрейфові рухи є наслідком електричного поля в базі. Транзистори без власного поля бази називаються дифузійними, а з власним полем—дрейфовими.

Основні процеси в транзисторі

Розглянемо процеси в дифузій­ному транзисторі із сплавними переходами, будову якого показано на рисунку 8.2.

Д
ля спрощення припустимо, що в цьому транзисторі основні носії заряду рухаються лише вздовж головної осі від емітерного переходу до колекторного. Крім того, візьмемо до уваги, що пло­щі різних паралельних перерізів бази, напрямлених уздовж головної осі, однакові і розміри транзистора в напрямах, перпендику­лярних до головної осі, значно більші від товщини бази.

Я
вища інжекції і нагромадження неосновних носіїв заряду розглянемо на енергетичних діаграмах (рисунок 8.3). Якщо до перехо­дів не прикладена напруга, то між потоками дірок і електронів, які проникають у різні боки від переходів, існує термодинамічна рівновага. Оскільки переходи мають потенціальні бар'єри, то основні носії (дірки емітера і колектора, електрони бази) можуть перейти в суміжний шар лише при досить великій тепловій енер­гії. Неосновні носії електричним полем переходу вільно вики­даються в суміжний шар. Основні носії перебувають у «потен­ціальних ямах», а неосновні — на «потенціальних гребенях».

Якщо в замкненому колекторному переході подати нормальне пряме зміщення, то потенціальний бар'єр емітерного переходу знизиться і інжекція дірок з емітера в базу і електронів з бази в емітер збільшиться. Оскільки концентрація електронів у базі по­рівняно з концентрацією дірок, в емітері незначна, електронною складовою струму можна знехтувати. Інжектовані дірки проходять базу (за винятком тих, які встигли рекомбінувати) і, вільно дрей­фуючи в колекторному переході, входять у ділянку колектора. Електрична нейтральність колектора відновлюється зустрічним потоком електронів через колекторний вивід. Цей потік є основною компонентою (збірною складовою) струму в колі колектора. Цей струм за величиною близький до струму емітера, бо рекомбінація в базі невелика. Струм бази дорівнює різниці струмів емітера й ко­лектора і являє собою потік електронів, що компенсує втрату їх у базі внаслідок рекомбінації з дірками.

Якщо у вихідне коло ввімкнути резистор, то потужність, яка виділятиметься в ньому, буде дуже малою і не підсилюватиметься. Це пояснюється тим, що внаслідок спаду напруги на резисторі створюється позитивне зміщення на колекторі, при якому одночас­но із збиранням дірок, що дійшли від емі­тера, колектор інжектує дірки в базу. В ре­зультаті струм колектора порівняно з стру­мом емітера помітно зменшується.

У нормальному підсилювальному режимі на емітерний перехід подається позитивне, а на колекторний — велике негативне змі­щення, яке значно підвищує потенціальний бар'єр колекторного переходу. Щоб збільши­ти за цих умов вихідну потужність, у коло колектора можна ввімкнути резистор з вели­ким опором, не побоюючись, що це спричи­нить інжекцію дірок з колектора в базу.

Очевидно, що негативне зміщення на колекторному переході буде гарантоване, якщо Е_к + І_кR_к < 0. У такій схемі можна дістати значну вихідну потужність і підсилення потужності, бо І_е ≈ І_к, а напруга на опорі навантаження більша, ніж на емітерному переході.

Позитивний об'ємний заряд інжектованих у базу дірок притягає додатковий компенсуючий негативний об'ємний заряд електронів. Можна сказати, що одночасно з появою в ділянці бази деякої кіль­кості незрівноважених дірок у ній з'являється така сама кількість незрівноважених електронів, і база при цьому, як і раніше, зали­шається електрично нейтральною. Стаціонарний розподіл дірок у базі майже лінійний (рисунок 8.4).