Транзисторы КТ301Ж и КП103Ж

Министерство образования и науки РФ

Восточно-Сибирский Государственный 

Технологический Университет

Межотраслевой Региональный институт подготовки кадров

 

 

Кафедра: ЭВС

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 

 

Дисциплина: Электроника

Тема: Транзисторы  КТ301Ж и КП103Ж

 

 

 

 

 

Выполнил: студент 5 курса

Иванов А.А.

Проверил: Каменев А.П.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Улан-Удэ, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

Введение

 

 

Применение полупроводниковых  приборов (включая транзисторы) позволило  разрешить множество задач. Транзисторы  благодаря своим малым габаритам и массе, незначительному потреблению электроэнергии, высокой надежности и долговечности широко применяются в различной аппаратуре.

Срок службы полупроводниковых  триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных ламп. Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами - отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. 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.

В данной работе проанализированы два  транзистора разных типов: биполярный КТ301Ж, полевой КП103Ж. В теоретической части раскрыты принцип и строение транзисторов, их основные параметры и особенности. В расчетной на основе заданных вольт-амперных характеристик (ВАХ) и параметров проведен анализ эквивалентных схем, исследование малосигнальных параметров и частотных свойств.

 

 

1 Теоретическая часть

1.1  Биполярный транзистор КТ301Ж

Устройство транзистора

 

Биполярный транзистор является полупроводниковым  прибором, состоящим из трех областей чередующегося типа электропроводности, которые образуют два p-n перехода, расположенных в непосредственной близости один от другого (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный).

Название прибора «транзистор» составлено из двух английских слов: transfer – переносить, преобразовывать и resistor – сопротивление. В биполярных транзисторах, которые называют просто транзисторами, перенос электрического тока через кристалл полупроводника и усиление сигнала обусловлены движение носителей заряда обеих полярностей – электронов и дырок.

В зависимости от порядка расположения областей различают p-n-p и n-p-n транзисторы. Упрощенные структуры p-n-p и n-p-n транзисторов и их условные графические изображения приведены на рисунке 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1  Устройство транзистора

 

 

Центральную область полупроводниковой  структуры называют базой (base – база, основание). С одной стороны к ней примыкает эмиттерный  p-n переход, а с другой стороны коллекторная область, образующая коллекторный p-n  переход. К внешним областям эмиттера Э, коллектора К и базы Б присоединены металлические электроды (выводы), на которые подается напряжение смещения p-n переходов.

На простейшей схеме различия между  коллектором и эмиттером не видны. В действительности же коллектор  отличается от эмиттера, главное отличие  коллектора — большая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

В настоящее время большинство  биполярных транзисторов, как дискретных, так и входящих в состав интегральных микросхем, изготавливается на основе монокристаллического кремния и  имеет, как правило, структуру n-p-n типа.

 

Схемы включения

 

Биполярный транзистор является активным прибором полупроводниковой электроники, так как он позволяет осуществлять усиление сигнала по мощности.

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении, причем базовый вывод транзистора является общим для входной (эмиттерной) и выходной (коллекторной) цепей. В таком случае говорят, что транзистор включен по схеме с общей базой (или, кратко, транзистор с ОБ). Аналогично транзистор может быть включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Отличие схемы с ОЭ  от схемы с ОК видны  только в динамическом режиме. Сопротивление нагрузки в схеме с ОЭ включается в коллекторную цепь, а в схеме с ОК – в эммитерную. Схемы включения биполярных транзисторов изображены на рисунке 2.

Рисунок 2 Схемы включения биполярных транзисторов

                    а) с ОБ;  б) с ОЭ и ОК.

Принцип действия транзистора

 

Рассмотрим n-p-n транзистор. В n-p-n транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и очень слабо легированной, большая часть электронов, инжектированная из эмиттера, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они - неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы ( ). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора ( )называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α=(0.9 — 0.99), чем больше коэффициент, тем лучше транзистор. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10 − 1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

1.2 Полевой транзистор

Устройство транзистора

 

 Полевой транзистор - это полупроводниковый  прибор, усилительные свойства которого  обусловлены потоком основных  носителей, протекающим через проводящий канал и управляемый электрическим полем. В отличие от биполярных  работа  полевых  транзисторов  основана  на  использовании  основных носителей заряда в полупроводнике. По конструктивному исполнению и технологии изготовления  полевые транзисторы можно разделить на две группы: полевые транзисторы  с управляющим  р- п - переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором. Структура полевого транзистора представлена на рисунке 3.

 

 

Рисунок 3 Структура полевого транзистора

 

 

Полевой  транзистор с управляющим  р-п - переходом - это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р-п - переходом, смещенным в обратном направлении. Электрод, из  которого в канал входят носители заряда, называют истоком; электрод, через который  из  канала уходят носители заряда, - стоком; электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, - затвором. При подключении к истоку отрицательного (для п-канала), а к стоку положительного напряжения в канале возникает электрический ток, создаваемый движением электронов от истока к стоку, т.е. основными носителями заряда. В этом заключается существенное отличие полевого транзистора от биполярного. Движение носителей заряда вдоль электронно-дырочного перехода (а не через переходы, как в биполярном транзисторе) является второй характерной  особенностью полевого транзистора.

Электрическое поле, создаваемое между  затвором и каналом, изменяет плотность  носителей заряда в канале, т.е. величину протекающего тока. Так как управление происходит через обратно смещенный р-п - переход, сопротивление между управляющим электродом и каналом велико, а потребляемая мощность от источника сигнала в цепи затвора ничтожно мала. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебаний, как по мощности, так и по току и напряжению.

Полевой транзистор с изолированным  затвором- это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом  отношении от канала слоем диэлектрика.

    Полевой транзистор с  изолированным затвором  состоит из пластины полупроводника (подложки) с относительно высоким удельным сопротивлением, в которой созданы две области с противоположным типом электропроводности. На эти области нанесены металлические электроды - исток и сток. Поверхность полупроводника  между истоком и стоком покрыта тонким  слоем диэлектрика (обычно слоем оксида кремния). На слой диэлектрика  нанесен металлический  электрод - затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным  затвором часто называют МДП- транзисторами или МОП- транзисторами (металл - оксид- полупроводник).    

   Существуют две разновидности  МДП-транзисторов: с индуцированным и со встроенным каналами (рисунок 4).

 

 

 

 

    Рисунок 4 Структура полевого транзистора с изолированным затвором:

              а) с индуцированным каналом; б) со встроенным каналом.

 

   В МДП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока и, следовательно, заметный ток стока появляються только при определенной полярности  и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока (отрицательного при  р-канале и положительного при п-канале). Это напряжение называют пороговым  (U_ЗИ.пор ). Так как появление и рост проводимости индуцированного канала связаны с обогащением его основными носителями заряда, то считают, что канал работает в режиме обогащения.

   В МДП - транзисторах  со встроенным каналом проводящий  канал, изготавливается технологическим  путем, образуется при напряжении  на затворе равном нулю. Током  стока можно управлять, изменяя  значение и полярность напряжения между затвором и истоком. При некотором положительном напряжении затвор - исток транзистора с р - каналом или отрицательном напряжении транзистора с n -каналом ток в цепи стока прекращается. Это напряжение  называют напряжением отсечки (U_ЗИ.отс ). МДП - транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения канала основными носителями заряда.

 

 

 

 

 

2 Расчетная часть

2.1 Биполярный транзистор КТ301Ж.

2. 1. 1 Особенности транзистора КТ301Ж

 

Кремниевый планарный n-p-n универсальный высокочастотный маломощный. Предназначен для применения в усилительных и генераторных схемах РЭА. Выпускается в метало стеклянном корпусе с гибкими выводами. Масса транзистора не более 0,5 г. Размеры и цоколевка транзистора представлены на рисунке 5. Зарубежный аналог транзистора – 2N843.

 

Рисунок 5 Размеры и цоколевка транзистора

 

 

Электрические параметры

 

Максимальная  частота генерации при Uкб=10 В, Iэ=3 мА – не менее 60 МГц.

Коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером  при Uкб=10 В, Iэ=3 мА – 80-300.

Граничное напряжение при Iэ=10 мА, τи=5мкс - не менее 20 В.

Напряжение насыщения  К-Э при Iк=10 мА, Iб=1 мА – не более 3В.

Обратный ток  коллектора при Т=298 К, Uкб =Uкб_макс  не более 10мкА.

Обратный ток  эмиттера при Uэб=3В – не более 10 мкА.

 

Предельные эксплуатационные данные

 

Постоянное напряжение К-Б и К-Э – 30 В.

Напряжение Э-Б  – 3 В.

Напряжение К-Э, при котором  h_21э сохраняется в пределах установленных норм при Iэ=3 мА - не менее 2В.

Постоянная рассеиваемая мощность при Т=358 К – 58 мВт.

Температура перехода – 393 К.

Температура окружающей среды –  от 233 до 358 К.

2. 1. 2 Исходные данные для расчета

 

Тип транзистора – КТ301Ж. Схема  включения – схема с общим  эмиттером. Величина напряжения питания  Е_П = 5 В. Сопротивление нагрузки R_Н  = 3 кОм. Входные и выходные характеристики представлены на рисунке 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

                              а                                                                 б

                Рисунок 6 Статические характеристики: а) входные б) выходные

 

2. 1. 3 Построение нагрузочной  прямой. Выбор точки покоя

 

Для построения нагрузочной прямой используем уравнение E_п = U_кэ + I_к·R_н. Принимая I_к=0, получаем точку с координатами (5;0). Принимая U_кэ =0, получаем точку с координатами (0;1,67). Соединив эти точки отрезком получаем нагрузочную прямую. Точка пересечения нагрузочной прямой с выходной характеристикой называется «рабочей точкой» или «точкой покоя». Отпускаем перпендикуляры на горизонтальную и вертикальную оси. В результате получаем значения  I_к0=1,06 мА и      U_{кэ 0}=1,95 В. Графическое определение точки покоя представлено на рисунке 7.

        

                   Рисунок 7 Графическое определение точки покоя

 

Таким образом параметры точки  покоя сводятся к следующему:

 

I_{б 0}=0,5 мА,  U_бэ =0,75 В,  I_к0=1,06 мА,  U_{кэ 0}=1,95 В,  I_э0=1,56мА.

2. 1. 4 Определение малосигнальных  параметров

 

Параметры входной цепи h₁₁ и h₁₂ определяем по входным характеристикам транзистора. Параметры h₂₁ и h₂₂ определяем по выходным характеристикам транзистора.

Входное сопротивление  транзистора:

 где ΔUБЭ=0,75-0,53=0,22 – разность напряжений база – эмиттер, ΔIб=0,5-0,2=0,3 – разность токов базы.

Коэффициент передачи по току:

, где ΔIк =1,06-0,26=0,8 – ток коллектора.

 

Выходная проводимость транзистора:

, где ΔUКЭ=1,95-0,35=1,65 – разность напряжений коллектор – эмиттер.

Коэффициент обратной связи  по напряжению: