Режим работы транзистора

Параметры холостого хода транзистора  (z-параметры)

Параметры короткого замыкания (y-параметры)

Смешанная система параметров (h-параметры)

Параметры холостого  хода (z-параметры)

Вводя новые обозначения для частных производных, имеющих размерность сопротивлений, и заменяя дифференциалы токов и напряжений комплексными амплитудами малых переменных сигналов( U и I ), получаем:

U1 = Z11 I1 + Z12 I2; (1)

U2 = Z21 I1 + Z22 I2, (2)

где Z11, Z12, Z21, Z22 - характеристические сопротивления транзистора.

Характеристические сопротивления  называют параметрами холостого  хода, так как они определяются при условии холостого хода входа  или выхода по переменному току т.е  при равенстве нулю однго из токов  в уравнениях (1) и (2).

Входное сопротивление транзистора  при холостом ходе на выходе:

Z11 = U1/I1, при I2 = 0

Сопротивление обратной связи (обратной передачи) при холостом ходе на выходе:

Z12 = U1/I2, при I1 = 0

Сопротивление прямой передачи (сопротивление  усиления) при холостом ходе на выходе:

Z21 = U2/I1, при I2 = 0

Выходное сопротивление транзистора  при холостом ходе на входе:

Z22 = U2/I2, при I1 = 0

Зависимость z-параметров от режима работы легко выражается аналитически. Недостатком является трудность измерения параметра Z11, т.е осуществления режима холостого хода по переменному току на

  Параметры короткого замыкания  (y-параметры)

Зависимость токов от напряжения можно  записать так (I1, U1, I2, U2-комплексные амплитуды малых переменных сигналов):

I1 = Y11 U1 + Y12 U2;

I2 = Y21 U1 + Y22 U2,

где Y11, Y12, Y21, Y22 - характеристические проводимости четырёхполюсника, которые определяются при условии короткого замыкания входа или выхода транзистора по переменному току.

Входная проводимость при коротком замыкании выхода:

Y11 = I1/U1, при U2 = 0

Проводимость обратной связи (обратной передачи) при коротком замыкании  входа:

Y12 = I1/U2, при U1 = 0

Проводимость прямой передачи (усиления) при коротком замыкании выхода:

Y21 = I2/U1, при U2 = 0

Выходная проводимость при коротком замыкании входа:

Y22 = I2/U2, при U1 = 0

 

Смешанная система параметров (h-параметры)

Выражения для токов и напряжений можно записать так (I1, U1, I2, U2-комплексные амплитуды малых переменных сигналов):

U1 = h11 I1 + h12 U2;

I2 = h21 I1 + h22 U2,

где h11, h12, h21, h22 - гибридные (смешанные) параметры четырёхполюсника.

В отличие от y- и z-параметров h-параметры имеют различную размерность. Это объясняется тем, что в качестве независимых параметров взяты различные по размерностям величины - входной ток I1 и выходное напряжение U2.

Входное сопротивление:

h11 = U1/I1, при U2 = 0

Коэффициент обратной связи по напряжению:

h12 = U1/U2, при I1 = 0

Коэффициент передачи по току (коэффициент  усиления):

h21 = I2/I1, при U2 = 0

Выходная проводимость:

h22 = I2/U2, при I1 = 0

Достоинством системы h-параметров является лёгкость измерения её параметров.

3.3.Типы транзисторов:

  Биполярный n-р-n-транзистор

n-р-n-транзистор, являющийся основным элементом биполярных ИМС (рис. 2), изготавливают по планарной эпитаксиальной технологии. Все остальные элементы ИМС выполняют в том же технологическом цикле.

 

Эпитаксиальный слой п (коллектор транзистора) принято называть коллекторным слоем (хотя на его основе можно, например, изготовить и резистор): диффузионный слой р (база транзистора) - базовым слоем, диффузи онный слой n+ (эмиттер транзистора) - эмиттерным. Базовый слой - всегда диффузионный, поэтому в интегральных микросхемах используются только дрейфовые транзисторы. Пунктиром на рис. 2 показан путь тока между коллектором К и эмиттером Э (базовый ток на несколько порядков меньше, им пренебрегают). От К ток проходит к Э через большое сопротивление коллекторного слоя в горизонтальном направлении rkk и сопротивление в вертикальном направлении r*kk. Вертикальная составляющая сопротивления коллекторного слоя мала (r*kk << rkk), поэтому общее сопротивление в цепи коллектора определяется величиной rkk. Чтобы уменьшить rkk, в транзистор вводят дополнительный элемент - скрытый сильнолегированный n+ слой. Тогда основная часть тока от коллектора к эмиттеру проходит по низкоомному участку n+, сопротивление коллекторного слоя получается небольшим (уменьшается почти в 20 раз). Рабочий интегральный транзистор п-р-п связан в структуре с «паразитным» транзистором р-п-р (Э', Б' и К' на рис. 2). Последний неизбежно получается, так как структура четырехслойна, и есть еще слой р (подложка). Если паразитный транзистор заперт (на эмиттере Э' - минус, на базе Б' - плюс), то n-р-n-транзистор работает в активном режиме. Но если паразитный транзистор отперт (на эмиттере Э' - плюс, на базе Б' - минус), в его эмиттерной цепи течет ток I, в коллекторной-ток aрпр * I и часть тока ответвляется в подложку, минуя рабочий n-р-n-транзистор. В этом случае последний оказывается в режиме насыщения. Коллекторный ток Ik рабочего p-n-p-транзистора уменьшается на величину тока, уходящего в подложку. Таким образом «паразитный» транзистор, отсасывая часть тока, ухудшает свойства рабочего транзистора. Для того чтобы избежать ухудшения параметров транзистора в режиме переключения, необходимо резко уменьшить ток aрпр' через паразитный транзистор в подложку. К сожалению, ток I уменьшить нельзя, следовательно, нужно уменьшить коэффициент aрпр. Известно, что a ~ 1 - 1/2 * (W / L)^2, где W - толщина базы, а L - диффузионная длина. Чтобы уменьшить а, следует увеличить W или уменьшить L

3.4Технологические  разновидности биполярных транзисторов

Среди многочисленных разновидностей транзисторов наибольшее распространение получили сплавные, сплавно-диффузионные, диффузионно-планарные, мезапланарные и эпитаксиально-планарные транзисторы (рис. 1). Сплавные транзисторы (преимущественно германиевые) изготовляют по сплавной технологии получения p-n-переходов. Транзисторная структура с двумя близко расположенными p-n-переходами показана на рис. 2, а одна из наиболее распространенных конструкций сплавного транзистора - на рис. 3 (где 1 - кристалл Ge; 2 - кристаллодержатель; 3 - электрод эмиттера; 4 - электрод коллектора; 5 - базовое кольцо; 6 - корпус; 7 - основание; 8 - выводы). В сплавных транзисторах трудно сделать очень тонкую базу, поэтому они предназначены только для низких и средних частот, их могут выпускать на большие мощности, до десятков ватт. В мощных транзисторах электронно-дырочные переходы выполняют большой площади, вывод коллектора соединяется с корпусом. Основание корпуса для лучшего охлаждения изготавливают в виде массивной медной пластины, которую монтируют на теплоотводе или на шасси электронной схемы. Недостатки сплавных транзисторов - сравнительно невысокая предельная частота fa 20 МГц, значительный разброс параметров и некоторая нестабильность свойств транзистора во времени. Сплавно-диффуэионные транзисторы изготавливают сочетанием сплавной технологии с диффузионной. В этом случае наплавляемая навеска содержит как донорные (сурьма), так и акцепторные (индий) примеси. Навески размещают на исходной полупроводниковой пластине и прогревают. При сплавлении образуется эмиттерный переход. Однако при высокой температуре одновременно с процессом плавления происходит диффузия примесей из расплава в глубь кристалла. Примеси доноров и акцепторов распределяются по толщине кристалла при этом неравномерно, так как разные примеси диффундируют на разную глубину (например, диффузия сурьмы идет скорее, чем индия). В кристаллов результате образуется диффузионный базовый слой n-типа с неравномерным распределением примесей (получается «встроенное» в базу электрическое поле). Коллектором служит исходная пластинка герма-ния p-типа. Перенос неосновных носителей через базовую область осуществляется в основном дрейфом во «встроенном» электрическом полем транзисторы поэтому называют дрейфовыми. Толщина базы транзисторов .может быть уменьшена до 0,5-1 мкм. Рабочие частоты достигают 500-1000 МГц. Широкий диапазон частот является основным достоинством этой разновидности транзисторов. К недостаткам относятся низкие обратные напряжения на эмиттере из-за сильного легирования эмиттерной области, а также трудности в разработке транзисторов на высокие напряжения и большие мощности. В последние годы при изготовлении дрейфовых транзисторов широко используется метод двойной диффузии. В этом случае базовая и эмиттерная области получаются при диффузии примесей п- и p-типа в исходную пластинку полупроводника. Такие транзисторы изготавливают в виде планарных структур и меза-структур.

4.Программа расчета параметров диода и транзистора

Данная программа написана на языке  программирования Pascal. Суть программы состоит в том, что по вводимым данным программа, с помощью физических формул, рассчитывает параметры диода и транзистора.

 

Основные расчетные  формулы:

  -входное сопротивление

  -коэффициент обратной связи  по напряжению

  -коэффициент передачи по  току

  -выходная проводимость

 

Паспортные  данные биполярного транзистора   МП39:

h21э	IК мах , мА	UКэмах ,В	UКбмах ,В	РКмах ,мВт
16..60	20	-15	-20	150 103

 

Схемы исследования биполярного транзистора:

 

Результаты  полученных измерений:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Семейство входных характеристик  транзистора   Uбэ=f(Iб) при Uкэ=const

Uкэ=0 В	Iб,мА	0,06	0,1	0,2	0,3	0,8
	Uбэ,В	0,1	0,12	0,14	0,16	0,12
Uкэ=5 В	Iб,мА	0,1	0,2	0,4	0,6	0,8	1
	Uбэ,В	0,15	0,18	0,22	0,25	0,27	0,28

 

 

 

 

Семейство выходных характеристик  транзистора Iк=f(Uкэ) при Iб=const

 

Iб=0.2 мА	Uкэ, В	0,2	2	3	4	7	10
	Iк, мА	1	1,6	1,7	1,8	1,9	1,95
Iб=0.4 мА	Uкэ, В	0,2	1	2	4	6	10
	Iк, мА	2,3	4	4,2	4,4	4,6	4,9
Iб=0.56мА	Uкэ, В	0,2	1	2	3	4	6
	Iк, мА	3,2	6,8	7	7,1	7,2	7,6

 

 

 

Семейство прямой передачи по току Iк=f(Iб) при Uкэ=const

 

Uкэ=2В	Iб,мА	0,2	0,4	0,6
	Iк,мА	1,8	4,2	7,2
Uкэ=9В	Iб,мА	0,2	0,4	0,6
	Iк,мА	2,2	5,2	9,2

 

 

h11э= (Uбэ’’’-Uбэ’’)/(Iб’’’-Iб’’) при Uкэ=Uкэ’’

h11э=0,125 Ом

h12э= (Uбэ’’’-Uбэ’)/(Uкэ’’-Uкэ)  при Iб=Iб’’’

h12э=0,012

h22э=(Iк’’-Iк’)/(Uкэ’’-Uкэ’) при Iб=const

h22э=0,1 Cм

h21э=(Iк’’’-Iк’)/(Iб’’’-Iб’’) при Uкэ=const

h21э=17,5

 

 

 

 

 

Текст программы расчета параметров транзистора  и диода.

program parametr; {программа расчета диодов, транзисторов}

uses CRT;        {подключение  модуля CRT}

var ch,ch1:char;   {символьные переменные  для определения нажатой клавиши}

    i:integer;

 

procedure clear;  {процедура очистки  экрана с сохранением заголовка  программы}

begin

gotoXY(1,2);       {установка  позиции курсора}

for i:=1 to 23 do   {цикл зарисовки  содержимого экрана цветом фона}

  write('                                                                                ');

end;

 

procedure tell(xPos,yPos:byte; s:string; color:byte); {процедура, выводящая}

begin                    {надпись s в позиции экрана xPos,yPos цветом color}

 textColor(color);       {установка цвета color}

 gotoXY(xPos,yPos);      {установка позиции курсора}

 writeln(s);             {вывод надписи}

end;

 

procedure fiz_po_h; {расчет физ. парам. транз. по h-параметрам}

var n:byte;

    y,h1,h2,h3,h4,r1,r2,r3,r4,a:real;

begin

clear;                       {вызов процедуры очистки экрана}

tell(5,4,'РАСЧЕТ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ  ТРАНЗИСТОРА ПО h-ПАРАМЕТРАМ:',0);

tell(5,6,'Выберите вариант схемы  включения:',0);

tell(15,7,'[1]...С общим эмиттером',1);

tell(15,8,'[2]...С общей базой',1);

 

tell(15,9,'[3]...С общим коллектором',1);

repeat

  ch1:=readKey;              {ожидание нажатия клавиши}

  if ch1='1' then n:=1;

  if ch1='2' then n:=2;

 

  if ch1='3' then n:=3;

until (ch1='1')or(ch1='2')or(ch1='3');

writeln;

if n=1 then writeln(' Выбрана схема с ОЭ');

if n=2 then writeln(' Выбрана схема с ОБ');

if n=3 then writeln(' Выбрана схема с ОК');

 writeln;

textColor(0);

{ввод данных для расчета}

write('  Введите сопротивление  эмттера Rэ=');readln(r1);

write('  Введите сопротивление  базы Rб=');readln(r2);