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:

∙10 , где I_э=I_к0+I_б0=1,56 мА– значение тока эмиттера.

2. 1. 5 Расчет величин  элементов эквивалентной схемы

Физическая малосигнальная эквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиаколетто) представлена на рисунке 8.

 

 

Рисунок 8 Физическая малосигнальная эквивалентная схема

 биполярного транзистора  (схема Джиаколетто)

 

Параметры из справочника

 

Емкость коллекторного перехода С_к не более 10 ∙10^-12  Ф.

Емкость эмиттерного перехода С_э не более 80 ∙ 10^-12 Ф.

Постоянная времени τ_н не более 10 ∙ 10^-9 с.

Модуль коэффициента передачи тока |h₂₁э| не менее 1.5, при = 20 МГц.

Расчетные параметры

Сопротивление эмиттерного перехода эмиттерному току:

= 16 Ом.

     Сопротивление эмиттерного перехода базовому току:

= 43,2 Ом.

Крутизна  характеристики транзистора:

= 0,247 мА/В.  

Выходное сопротивление транзистора (сопротивление внешней утечки между коллектором и эмиттером):

= 10,5 ∙ 10³ Ом.

 

Сопротивление коллекторного перехода:

 

= 112,2 10³ Ом.

 

Объемное сопротивление базы:

 

= 1000 Ом.

2.1.6 Определение граничных  и предельных частот транзистора

 

Предельная частота передачи тока:

= 45,45 ∙ 10⁶ Гц.

 

Граничная частота передачи тока:

= 54 ∙ 10⁶ Гц.

Максимальная частота генерации транзистора:

= 4,6 ∙ 10⁵ Гц.

Предельная частота транзистора  по крутизне:

= 1,6 ∙ 10⁵ Гц.

2.1.7 Определение частотных  зависимостей Y-параметров

 

Для начала рассчитаем значения частот:

 

w_h21Э = 2p¦ _h21Э = 285,4 Мрад/с,

w_S = 2p¦_S  = 1,005 Мрад/с.

Проводимость прямой передачи (крутизна проходной характеристики), которую определяют при короткозамкнутом для переменной составляющей выходе транзистора:

 См.

 

Данные расчетов сведены в таблицу1.

 

Таблица 1

ɷ, Мрад/с	100	150	200	250	300	350	400	450	500	550	600	650	700
│Y21(ɷ) │ мкСм	174,7	137	110,5	91,7	78,1	67,9	59,9	53,6	48,4	44,2	40,6	37,6	34,9

 

Построим график зависимости |Y₂₁(ω)| (рисунок 9). 

 

 

Рисунок 9 График зависимости |Y₂₁(ω)|

 

Входная проводимость, которую определяют при короткозамкнутом для переменной составляющей выходе транзистора:

Данные расчетов сведены в таблицу2.

Таблица 2

|Y11(ω)|, мкСм	150	200	250	300	350	400	450	500	550	600	650	700	750
ω, Мрад/с	859,3	564,7	428,4	354,3	309,7	280,7	260,8	246,6	236,1	228,1	221,9	216,9	212,9

 

Построим график зависимости |Y₁₁(ω)| (рисунок 10). 

 

Рисунок 10 График зависимости |Y₁₁(ω)|

2.2 Полевой транзистор  КП103Ж

2. 2. 1 Особенности транзистора КТ301Ж

 

Транзистор кремневый диффузионно-планарный  полевой с затвором на основе р-n перехода и каналом р – типа. Предназначен для применения во входных каскадах усилителей НЧ и постоянного тока с высоким входным сопротивлением, а также во входных каскадах дифференциальных усилителей НЧ с высоким входным сопротивлением.

Выпускается в металлостеклянном  корпусе с гибкими выводами, а  также в пластмассовом корпусе. Размеры и цоколевка транзистора представлены на рисунке 11. Масса транзистора не более 1,0 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

              Рисунок 11 Размеры и цоколевка транзистора

 

Электрические параметры

 

Коэффициент шума Uси = 5 В, Uзи = 0, f= 1000 Гц;  Rг =1 МОм; Rс 2 к Ом - не более 3 дБ.

Крутизна характеристики при  Uси=10В, Uзи=0, при Т=298К  - 0,5-2,8 мА/В.

Начальный ток стока при  Uси=10 В, Uзи=0  - 0,35-0,38 мА.

Напряжение отсечки при Uси=10В, Iс=10мкА  - 0,5-2,2 В.

Ток утечки затвора не более при Т=298К и Т=218К 20 мкА, при Т=358 К  -                  2 мкА.

Входная емкость при Uси=10 В, Uзи=0  - не более 20 пФ.

Активная составляющая входной  проводимости при Uси=10 В, Uзи=0 – не более 10 мкСм.

Емкость между затвором и истоком  – входная емкость С_зи = С_11и = 20 пФ.

Емкость между стоком и истоком  – выходная емкость С_си = С_22и = 28 пФ.

Емкость между затвором и стоком – проходная емкость С_зс = С_12и = 8 пФ.

 

 

   

Предельные эксплуатационные данные

 

Напряжение сток-исток 10 В.

Сумма напряжений  затвор-исток и сток-исток 15 В.

Постоянная рассеиваемая мощность 12мВт.

Температура окружающей среды -218 К  – 358К.

2. 2. 2 Исходные данные  для расчета

 

Тип транзистора – КП103Ж. Схема  включения – схема с общим  истоком. Величина напряжения питания  Е_П=20В. Сопротивление нагрузки R_Н  = 3 кОм. Статические характеристики транзистора представлены на рисунке 12.

                       а                                                       б

Рисунок 12 Статические характеристики транзистора: а) входные, б) (стоковые) выходные

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

 

Порядок построения нагрузочной прямой и выбора точки покоя аналогичен описанному в пункте 2.1.3. Графическое определение точки покоя представлено на рисунке 13.

 
Рисунок13 Графическое определение точки покоя

 

Таким образом параметры точки  покоя сводятся к следующему:

 

Uзи₀=1 В, Iс₀=2,76 мА, Uси₀=-12 В.

2. 2. 4 Определение малосигнальных  параметров

 

Крутизна характеристики

= 1,8 мА/В, где ΔUзи=1,75-1=0,75В – разность напряжений затвор-исток, ΔIС=2,35-1=1,35 мА – разность токов базы.

 

Внутреннее сопротивление

=  5,9 кОм, где ΔUси=20-12=В – разность напряжений сток-исток.

Статический коэффициент усиления

  =10,67

 

 

 

2. 2. 5 Расчет величин  элементов эквивалентной схемы

Эквивалентная схема полевого транзистора представлена на рисунке 14.

Рисунок 14 Эквивалентная схема полевого транзистора

 

Параметры из справочника

Емкость между затвором и истоком – входная емкость С_зи = С_11и = 20 пФ.

Емкость между стоком и истоком  – выходная емкость С_си = С_22и = 28 пФ.

Емкость между затвором и стоком – проходная емкость С_зс = С_12и = 8 пФ.

Активная составляющая выходной проводимости g_22и = 10 мкСм.

 

Расчетные параметры

Крутизна характеристики

 

S = 1,8 мА/В.

 

Внутреннее сопротивление

 

R_i = 1/g_22И= 100 кОм, где g_22И=10 мкСм – активная составляющая выходной проводимости.

 

Сопротивление канала в рабочей точке

 

r_К = U_СИ0/I_С0 = 4,35 кОм.

 

Среднее сопротивление канала полевого транзистора

 

R_КАН = r_К/4 = 1,09 кОм.

2. 2. 6 Определение граничной  и предельной частот

 

Предельная частота  проводимости прямой передачи

 

¦_S = 1/(2p × R_КАН × С_ЗИ)=73 МГц, где С_ЗИ. – емкость между затвором и истоком – входная емкость.

 

Граничная частота усиления полевого транзистора

 

¦_ГР = S/(2p×С_СИ) =10 МГц, где С_СИ= С_ЗИ+ С_ЗС – емкость между стоком и истоком – выходная емкость.

2.2.7 Определение частотных  зависимостей Y-параметров

 

w_S = 2p¦_S = 458 МГц.

 

Рассчитаем входную проводимость, которую определяют при короткозамкнутом для переменной составляющей выходе транзистора:

 

 

Данные расчетов сведены в таблицу 3.

 

Таблица 3

ω, Мрад/с	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Y11(ω), мСм	5,3	7,5	9,2	10,6	11,8	13	14	15	16	16,7

 

 

Построим график зависимости Y₁₁(ω) (рисунок 15). 

 

Рисунок 15 График зависимости Y₁₁(ω)

 

Рассчитаем проводимость обратной передачи, которую определяют при  короткозамкнутом для переменной составляющей входе транзистора:

 

Данные расчетов сведены в таблицу 4.

Таблица 4

ω, Мрад/с	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Y12(ω), мСм	2,8	4	4,9	5,7	6,3	6,9	7,5	8	8,5	8,9

 

Построим график зависимости Y₁₂(ω) (рисунок 16). 

 

Рисунок 16 График зависимости Y₁₂(ω)

Рассчитаем проводимость прямой передачи, которую определяют при короткозамкнутом для переменной составляющей выходе транзистора:

 

 

 Данные расчетов сведены  в таблицу 5.

 

Таблица 5

ω, Мрад/с	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Y21(ω), мСм	-2,8	-4	-5	-5,7	-6,3	-6,9	-7,5	-8	-8,5	-8,9

 

Построим график зависимости Y21(ω) (рисунок 17).

Рисунок 17  График зависимости Y₂₁(ω)

 

Рассчитаем выходную проводимость, которую определяют при короткозамкнутом для переменной составляющей входе  транзистора:

Данные расчетов сведены в таблицу 6.