Компьютерное моделирование и исследование биполярного транзистора

Министерство просвещения ПМР ГОУ «Тираспольский Техникум Информатики и Права»

Отделение Информационных технологий

Дипломная работа

Тема: Компьютерное моделирование и исследование биполярного транзистора

Исполнитель: Трившенко Мария Викторовна Студент 415группы

Специальность: ВМКС и С

Руководитель: Иванова Юлия Владимировна преподаватель отделения ИТ

г. Тирасполь 2014 г.

Задание на дипломную работу

Студента 415 группы: Трившенко Марии Викторовны

Тема дипломной работы: Компьютерное моделирование и исследование биполярного транзистора

Утверждена приказом № 229 от 10.12. 2013 г.

Срок сдачи работы: 28.05.2014 г.

Перечень вопросов дипломной работы

а) Обзор литературных данных по теме;

б) Провести исследования по данной тематике:

— разработка схемы;

— спроектировать стенд, устройство, узел;

— анализ рабочих характеристик.

в) Привести инженерные расчеты данного разрабатываемого устройства;

г) Задание по охране труда: Меры безопасности при техническом обслуживании электронной техники.

Руководитель Иванова Ю.В.

Задание принял к исполнению Трившенко М.В.

Реферат

В дипломной работе рассмотрено компьютерное моделирование и исследование биполярного транзистора. Целью работы является анализ схемотехнических решений устройств для исследований работы схем включение биполярного транзистора, рассмотрение принципов работы полупроводниковых устройств, а также анализ программ, предназначенных для моделирования и анализа электронных схем.

В программе Electronic Workbench рассмотрено исследование статических вольтамперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором с помощью осциллографа.

Проведен расчет основных параметров биполярных транзисторов для всех схем включение, а также анализ полученных результатов.

В разделе охраны труда были изучены материалы по технике безопасности работы с электронной техникой, общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны, мероприятия по защите от шума и вибрации, требования к освещению помещений и рабочих мест ПЭВМ, методы подавления статической электризации, обеспечение электробезопасности, требования безопасности при работе с компьютерной техникой, требованиям к организации и оборудованию рабочего места, а также противопожарная безопасность.

• Введение
• Глава 1. Техническая часть. Компьютерное моделирование и исследование биполярного транзистора
• 1.1 Аналитический обзор по теме
• 1.1.1 Общие сведения о биполярном транзисторе
• 1.1.2 Режимы работы транзистора
• 1.1.3 Принцип работы биполярного транзистора
• 1.1.4 Основные параметры биполярного транзистора
• 1.1.5 Схемы включения биполярных транзисторов
• 1.1.6 Технология изготовления транзисторов
• 1.1.7 Применение транзисторов
• 1.2 Практическая часть. Компьютерное моделирование и исследование биполярного транзистора
• 1.2.1 Обзор программ для исследования и проектирования элементов электроники
• 1.2.2 Исследование биполярного транзистора с помощью программы EWB
• Раздел 2. Охрана труда. Меры безопасности при техническом обслуживание компьютерной техники
• 2.1 Производственная санитария и гигиена труда
• 2.2 Требования к организации и оборудованию рабочего места техника
• 2.3 Требования пожарной безопасности
• Заключение
• Список литературы

Полупроводниковые приборы (диоды и транзисторы) благодаря малым габаритам и массе, незначительному потреблению электроэнергии, высокой надёжности и долговечности широко применяются в различной радиоэлектронной аппаратуре. В настоящее время почти вся бытовая радиоэлектронная техника, включая телевизоры, приёмники, магнитофоны и др., работает на полупроводниковых приборах и микросхемах. Применение полупроводниковых приборов в электронных вычислительных машинах позволило решить проблему достижения высоких эксплуатационных параметров ЭВМ при обеспечении требуемой надёжности. Для конструирования надёжных схем на транзисторах, то есть для правильного выбора типа транзистора, грамотного расчёта схем, выбора оптимального теплового и электрического режимов, необходимо располагать подробными сведениями, характеризующими эксплуатационные свойства транзисторов.

Данная работа является актуальной, так как транзисторы можно применять схемах усиления сигнала. А также, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Целью работы является анализ схемотехнических решений устройств для исследований работы схем включение биполярного транзистора, рассмотрение принципов работы полупроводниковых устройств, а также анализ программ предназначенных для моделирования и анализа электронных схем.

Для реализации поставленных целей нужно решить следующие задачи: рассмотреть литературных данных по теме диплома, провести исследования по данной тематике (разработать схемы, спроектировать устройство, проанализировать рабочие характеристики устройства), привести инженерные расчеты данного разрабатываемого устройства.

Предметом исследования является моделирование и исследование биполярного транзистора. Объектом исследования является изучение полупроводниковых приборов, имеющих в своей структуре два взаимодействующих p-n-перехода.

Использованы следующие методы сбора материала: анализ литературы; интерпретация данных; отбор необходимого материала; разработка схемы; проектирование устройства.

Важна также грамотная организация охраны труда на предприятии, а именно: необходима служба охраны труда, необходимо проведение обучения работников, должны быть предусмотрены мероприятия пожарной безопасности, обеспечение работников соответствующими средствами индивидуальной защиты, а также проводить аттестацию рабочих мест.

Дипломная работа состоит из двух частей. В технической части рассматривается моделирование и исследование биполярного транзистора. В части дипломной работы, связанной с охраной труда исследуется безопасность работы с электронной техникой.

Глава 1. Техническая часть. Компьютерное моделирование и исследование биполярного транзистора

1.1 Аналитический обзор по теме

1.1.1 Общие сведения о биполярном транзисторе

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий в своей структуре два взаимодействующих p-n-перехода и три внешних вывода, и предназначенный, в частности, для усиления электрических сигналов. Термин «биполярный» подчеркивает тот факт, что принцип работы прибора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд, — дырок и электронов. В дальнейшем для краткости будем его называть просто — транзистором.

Рис. 1. Структура транзистора, изготовленного по диффузионной технологии Структура транзистора, изготовленного по диффузионной технологии, приведена на рис. 1. Как видно из рисунка, транзистор имеет три области полупроводника, называемые его электродами, причем две крайние области имеют одинаковый тип проводимости, а средняя область — противоположный. Структура транзистора, приведенная на рис. 1, называется n-p-n-структурой. Электроды транзистора имеют внешние выводы, с помощью которых транзистор включается в электрическую схему. Одна из крайних областей транзистора, имеющая наименьшие размеры, называется эмиттером (Э). Она предназначена для создания сильного потока основных носителей заряда (в данном случае электронов), пронизывающего всю структуру прибора. Поэтому эмиттер характеризуется очень высокой степенью легирования (N_DЭ = 10¹⁹ — 10²⁰ см^-3). Другая крайняя область транзистора, называемая коллектором (К), предназначена для собирания потока носителей, эмиттируемых эмиттером. Поэтому коллектор имеет наибольшие размеры среди областей транзистора. Легируется коллектор значительно слабее эмиттера. Средняя область транзистора называется базой (Б). Она предназначена для управления потоком носителей, движущихся из эмиттера в коллектор. Для уменьшения потерь электронов на рекомбинацию с дырками в базе ее ширина WБ делается очень маленькой (W_Б << L_n), а степень легирования — очень низкой — на 3…4 порядка ниже, чем у эмиттера (N_АБ << N_DЭ). Между электродами транзистора образуются p-n-переходы. Переход, разделяющий эмиттер и базу, называется эмиттерным переходом (ЭП), а переход, разделяющий базу и коллектор, — коллекторным переходом (КП). С учетом резкой асимметрии эмиттерного перехода (N_DЭ >> N_АБ) он характеризуется односторонней инжекцией: поток электронов, инжектируемых из эмиттера в базу, значительно превосходит встречный поток дырок, инжектируемых из базы в эмиттер.

1.1.2 Режимы работы транзистора

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором эмиттерный переход находится в открытом состоянии, а коллекторный — в закрытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах. Помимо активного, выделяют инверсный режим, при котором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный — открыт, режим насыщения, при котором оба перехода открыты, и режим отсечки, при котором оба перехода закрыты.

Рис. 2. Условные обозначения n-p-nи p-n-p-транзисторов Наряду с транзисторами n-p-nструктуры, существуют транзисторы с симметричной ей p-n-p-структурой, в которых используется поток дырок. Условные обозначения n-p-nи p-n-p-транзисторов, используемые в электрических схемах, приведены на рис. 2. Стрелка на выводе эмиттера показывает направление эмиттерного тока в активном режиме. Кружок, обозначающий корпус дискретного транзистора, в изображении бескорпусных транзисторов, входящих в состав интегральных микросхем, не используется. Принцип работы n-p-nи p-n-p-транзисторов одинаков, а полярности напряжений между их электродами и направления токов в цепях электродов противоположны. В современной электронике наибольшее распространение получили транзисторы n-p-n-структуры, которые, благодаря более высоким значениям подвижности и коэффициента диффузии электронов по сравнению с дырками (m_n > m_p; D_n > D_p), обладают большим усилением и меньшей инерционностью, чем транзисторы p-n-pструктуры. Поэтому ниже рассматриваются именно n-p-nтранзисторы.

1.1.3 Принцип работы биполярного транзистора

Рассмотрим в первом приближении физические процессы, протекающие в транзисторе в активном режиме, и постараемся оценить, каким образом эти процессы позволяют усиливать электрические сигналы.

Рис. 3. Принцип работы биполярного транзистора Для простоты анализа будем использовать плоскую одномерную модель транзистора, представленную на рис. 3. Эта модель предполагает, что p-nпереходы транзистора являются плоскими, и все физические величины в структуре, в частности, концентрации носителей заряда, зависят только от одной продольной координаты x, что соответствует бесконечным поперечным размерам структуры. С учетом того, что в реальной структуре транзистора ширина базы значительно меньше поперечных размеров переходов, плоская одномерная модель достаточно хорошо отражает процессы, протекающие в транзисторе. Рассмотрим вначале статическую ситуацию, при которой на переходы транзистора от внешних источников питания подаются постоянные напряжения u_ЭБ и u_КБ — см. рис. 4. Заметим, что приведенный на рисунке транзистор включен по схеме с общей базой. Напряжения u_ЭБ < 0 и u_КБ > 0 обеспечивают открытое состояние эмиттерного перехода и закрытое состояние коллекторного перехода, что соответствует активному режиму работы транзистора. Через открытый эмиттерный переход протекают основные носители заряда. Из-за резкой асимметрии эмиттерного перехода инжекцию через него можно считать односторонней, то есть достаточно рассматривать только поток электронов, инжектируемых из эмиттера в базу (рис. 4). Этот поток очень сильно зависит от напряжения на эмиттерном переходе u_ЭБ, экспоненциально возрастая с увеличением ч u_ЭБч. Инжектированные в базу электроны оказываются в ней избыточными (неравновесными) неосновными носителями заряда. Вследствие диффузии они движутся через базу к коллекторному переходу, частично рекомбинируя с основными носителями — дырками.

Рис. 4. Схема простейшего усилительного каскада на транзисторе, включенном по схеме ОБ Достигнувшие коллекторного перехода электроны экстрагируются полем закрытого коллекторного перехода в коллектор. В связи с тем, что в коллекторном переходе отсутствует потенциальный барьер для электронов, движущихся из базы в коллектор, этот поток в первом приближении не зависит от напряжения на коллекторном переходе u_КБ. Таким образом, в активном режиме всю структуру транзистора от эмиттера до коллектора пронизывает сквозной поток электронов, создающий во внешних цепях эмиттера и коллектора токи i_Э и i_К, направленные навстречу движению электронов.

Важно подчеркнуть, что этот поток электронов и, соответственно, ток коллектора i_К, являющийся выходным током транзистора, очень эффективно управляются входным напряжением u_ЭБ и не зависят от выходного напряжения u_КБ. Эффективное управление выходным током с помощью входного напряжения составляет основу принципа работы биполярного транзистора и позволяет использовать транзистор для усиления электрических сигналов.

Схема простейшего усилительного каскада на транзисторе, включенном по схеме ОБ, приведена на рис. 4. По сравнению со схемой, приведенной на рис. 4, в эмиттерную цепь введен источник переменного напряжения u_ЭБ-, а в коллекторную цепь включен нагрузочный резистор R_К. Переменное напряжение u_ЭБ- наряду с напряжением, подаваемым от источника питания, воздействует на сквозной поток электронов, движущихся из эмиттера в коллектор. В результате этого воздействия коллекторный ток приобретает переменную составляющую i_К-, которая благодаря очень высокой эффективности управления может быть значительной даже при очень маленькой величине u_ЭБ-. При протекании тока коллектора через нагрузочный резистор на нем выделяется напряжение, также имеющее переменную составляющую

u_КБ- = i_К— R_К.

Это выходное переменное напряжение при достаточно большом сопротивлении RК может значительно превосходить величину входного переменного напряжения u_ЭБ- (u_КБ- >> u_ЭБ-). Таким образом, транзистор, включенный по схеме ОБ, усиливает электрические сигналы по напряжению. Что касается усиления по току, то рассмотренная схема его не обеспечивает, поскольку входной и выходной токи примерно равны друг другу (i_Э >> i_К).

1.1.4 Основные параметры биполярного транзистора

Коэффициент усиления по току — соотношение тока коллектора I_С к току базы I_B. Обозначается в, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

в — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были «соседями по конвейеру», в может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление — сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается R_in (R_вх). Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант — это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

R_вх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен К? (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен Г? (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности. биполярный транзистор полупроводниковый Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 К?, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант — это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление R_out = 0 (R_вых = 0)).

Частотная характеристика — зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах. На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

1.1.5 Схемы включения биполярных транзисторов

Схема включения транзистора с общим эмиттером

Между базой и эмиттером транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, подсоединяют источник сигнала, а к коллектору — нагрузку. К эмиттеру транзистора подключают полюсы одинаковых знаков источников питания. Входным током каскада выступает ток базы транзистора, а выходным током — ток коллектора. Это показано на рис. 5, на примере включения в электрическую цепь биполярного p-n-p транзистора.

Рис. 5. Включение в электрическую цепь биполярного p-n-p транзистора На практике обходятся одним источником питания, а не двумя. Направление протекания тока по выводам транзистора дано на рис. 6. Включение n-p-n транзистора совершенно аналогично включению p-n-p транзистора, однако в данном случае придётся поменять полярность обоих источников питания.

Рис. 6. Включение в электрическую цепь биполярного n-p-n транзистора Коэффициент усиления каскада равен отношению тока коллектора к току базы и обычно может достигать от десятков до нескольких сотен. Транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером, теоретически может дать максимальное усиление сигнала по мощности, относительно других вариантов включения транзистора. Входное сопротивление рассматриваемого каскада, равное отношению напряжения база-эмиттер к току базы, лежит в пределах от сотен до тысяч ом. Это меньше, чем у каскада с транзистором, подсоединённым по схеме с общим коллектором. Выходной сигнал каскада с общим эмиттером обладает фазовым сдвигом в 180° относительно входного сигнала. Флюктуации температуры оказывают значительное влияние на режим работы транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, и поэтому следует применять специальные цепи температурной стабилизации. В связи с тем, что сопротивление коллекторного перехода транзистора в рассмотренном каскаде выше, чем в каскаде с общей базой, то необходимо больше времени на рекомбинацию носителей заряда, а, следовательно, каскад с общим эмиттером обладает худшим частотным свойством.

Схема включения транзистора с общим коллектором К эмиттеру транзистора, включённого по схеме с общим коллектором, подсоединяют нагрузку, на базу подают входной сигнал. Входным током каскада является ток базы транзистора, а выходным током — ток эмиттера. Это отражено на рис. 7, на котором изображена схема включения биполярного p-n-p транзистора.

Рис. 7. Схема включения биполярного p-n-p транзистора С нагрузочного резистора, включённого последовательно с выводом эмиттера, снимают выходной сигнал. Вход каскада обладает высоким сопротивлением, обычно от десятых долей мегаома до нескольких мегаом из-за того, что коллекторный переход транзистора заперт. А выходное сопротивление каскада — напротив, мало, что позволяет использовать такие каскады для согласования предшествующего каскада с нагрузкой. Каскад с транзистором, включённым по схеме с общим коллектором, не усиливает напряжение, но усиливает ток (обычно в 10 … 100 раз). Фаза входного напряжения сигнала, подаваемого на каскад, совпадает с фазой выходного напряжения, т. е. отсутствует его инверсия. Именно из-за сохранения фазы входного и выходного сигнала каскад с общим коллектором носит другое название — эмиттерного повторителя. Температурные и частотные свойства эмиттерного повторителя хуже, чем у каскада, в котором транзистор подключён по схеме с общей базой.

Схема включения транзистора с общей базой В каскаде, собранном по схеме с общей базой, напряжение входного сигнала подают между эмиттером и базой транзистора, а выходное напряжение снимают с выводов коллектор-база. Включение транзистора p-n-p структуры по схеме с общей базой приведено на рис. 8.

Рис. 8. Включение транзистора p-n-p структуры по схеме с общей базой В данном случае эмиттерный переход компонента открыт и велика его проводимость. Входное сопротивление каскада невелико и обычно лежит в пределах от единиц до сотни ом, что относят к недостатку описываемого включения транзистора. Кроме того, для функционирования каскада с транзистором, включённым по схеме с общей базой, необходимо два отдельных источника питания, а коэффициент усиления каскада по току меньше единицы. Коэффициент усиления каскада по напряжению часто достигает от десятков до нескольких сотен раз.

К достоинствам нужно отнести возможность функционирования каскада на существенно более высокой частоте по сравнению с двумя другими вариантами включения транзистора, и слабое влияние на работу каскада флюктуаций температуры. Именно поэтому каскады с транзисторами, включёнными по схеме с общей базой, часто используют для усиления высокочастотных сигналов.

Биполярные фототранзисторы Фототранзистором называют транзистор, чувствительный к облучающему его световому потоку. Обычно дискретный фототранзистор по конструкции похож на дискретный транзистор, с тем отличием, что в герметичном корпусе фототранзистора есть окно, например, из стекла или прозрачной специальной пластмассы, через которое излучение попадает на область базы фототранзистора. Включение фототранзистора в электрическую цепь таково, что к эмиттеру подключают положительный полюс внешнего источника питания, к коллектору подсоединяют нагрузочный резистор, к которому в свою очередь подключают отрицательный полюс источника питания. При облучении области базы происходит генерация носителей зарядов. Наибольшая концентрация основных носителей заряда будет в базе, что приведёт к открытию фототранзистора, а неосновные носители заряда будут мигрировать в коллекторный переход. Следовательно, облучение фототранзистора приводит к увеличению тока его коллектора. Чем больше будет освещённость области базы, тем существенней станет ток коллектора фототранзистора. Таким образом, фототранзистором можно управлять и как обычным биполярным транзистором, варьируя током базы, и как светочувствительным прибором. К важным параметрам фототранзистора относят темновой ток, ток при освещении и интегральную чувствительность. Темновой ток — это ток коллектора при отсутствии облучения. Ток при освещении — ток коллектора при наличии облучения. Интегральная чувствительность — это отношение силы тока коллектора у подключённого фототранзистора к величине светового потока.

Фототранзисторы применяют в оптронах, устройствах автоматики и телеуправления, в приборах уличного освещения и пр.

1.1.6 Технология изготовления транзисторов

Эпитаксиально-планарная технология Полупроводниковые ИМС на биполярных транзисторах наиболее часто изготовляют по планарной и планарно-эпитаксиальной технологиям, основанным на следующих технологических процессах создания транзисторных структур: окислении поверхности полупроводниковых подложек; литографии; эпитаксиальном наращивании полупроводниковых слоев; локальном введении примесных атомов.

Особенностью планарно-эпитаксиальной технологии является то, что коллекторные области структур создают эпитаксиальным наращиванием слоя полупроводникового материала, главным образом кремния n-типа, на подложке р-типа, а базовые и эмиттерные — введением легирующих примесных атомов в эпитаксиальный слой. При этом эмиттерные области формируют введением примесных атомов максимально возможной концентрации. Это обеспечивает создание транзисторных структур, обладающих высоким коэффициентом усиления по току. Формируют элементы и соединения между ними только на одной стороне подложки (рабочей поверхности).

Примесные атомы вводят в полупроводниковые подложки ионным легированием и диффузией. Причем, как правило, сначала ионным легированием производят загонку атомов примеси, а затем диффузией их разгонку, в процессе которой формируются слои, обладающие заранее заданными электрофизическими свойствами.

Технологические процессы изготовления полупроводниковых биполярных ИМС классифицируют по способам формирования транзисторных структур и изоляции элементов. Изолируют элементы ИМС в основном включением р-п-перехода в обратном направлении, формированием локальных полупроводниковых областей, полностью разделенных слоем диэлектрика, или комбинируя эти способы. Как уже отмечалось, технологические процессы окисления, диффузии, фотолитографии и напыления при изготовлении ИМС на биполярных транзисторах проводятся так же, как при изготовлении дискретных планарных биполярных транзисторов. Однако при производстве ИМС на исходных подложках одновременно формируют различные типы активных и пассивных элементов, которые должны быть электрически изолированы, поэтому технологический маршрут изготовления их сложнее.

Кроме того, при изготовлении биполярных ИМС для повышения быстродействия транзисторов в их коллекторных областях введением примесных атомов в исходную подложку непосредственно перед эпитаксиальным наращиванием монокристаллического полупроводникового слоя формируют скрытые высоколегированные слои, что также усложняет технологию. Качество и процент выхода годных ИМС в значительной степени зависят от совершенства изоляции их элементов.

Диффузионносплавная технология С помощью диффузионных методов на германии и кремнии получают транзисторы со структурами р-п-р и п-р-п. При двусторонней диффузии на двух поверхностях пластины полупроводника вводятся примеси и тем самым создаются области эмиттера и коллектора с проводимостью, противоположной проводимости исходной пластины (базовой области). По своим характеристикам такие транзисторы близки к сплавным, т. е. имеют большие рабочие токи, но малую частоту fhaie. При двойной односторонней диффузии только через одну из поверхностей пластины проводится сначала диффузия примеси для создания базовой области (перехода коллектор — база), а затем диффузия примеси другого типа. При этом получается трехслойная транзисторная структура, где исходная пластина является телом коллектора. Транзисторы с двусторонней диффузией (с диффузионными эмиттером и коллектором) по сравнению с транзисторами с двойной односторонней диффузией (с диффузионной базой) имеют меньший спад усиления, более высокую устойчивость ко второму пробою

1.1.7 Применение транзисторов

Вне зависимости от типа транзистора, принцип применения его един:

Источник питания питает электрической энергией нагрузку, которой может быть громкоговоритель, реле, лампа накаливания, вход другого, более мощного транзистора, электронной лампы и т. п. Именно источник питания даёт нужную мощность для «раскачки» нагрузки.

Транзистор же используется для ограничения силы тока, поступающего в нагрузку, и включается в разрыв между источником питания и нагрузкой. То есть транзистор представляет собой некий вариант полупроводникового резистора, сопротивление которого можно очень быстро изменять.

Выходное сопротивление транзистора меняется в зависимости от напряжения на управляющем электроде. Важно то, что это напряжение, а также сила тока, потребляемая входной цепью транзистора, гораздо меньше напряжения и силы тока в выходной цепи.

Надо заметить, что это положение не всегда верно: так в схеме с общим коллектором (ОК) ток на выходе в в раз больше, чем на входе, напряжение же на выходе несколько ниже входного; в схеме с общей базой увеличивается напряжение на выходе по сравнению с входом, но выходной ток меньше входного. Таким образом, в схеме ОК происходит усиление только по току, а в схеме ОБ — только по напряжению. За счёт контролируемого управления источником питания достигается усиление сигнала либо по току, либо по напряжению либо по мощности (схемы с общим эмиттером — ОЭ).

Если мощности входного сигнала недостаточно для «раскачки» входной цепи применяемого транзистора, или конкретный транзистор не даёт нужного усиления, применяют каскадное включение транзисторов, когда более чувствительный и менее мощный транзистор управляет энергией источника питания на входе более мощного транзистора. Также подключение выхода одного транзистора ко входу другого может использоваться в генераторных схемах типа мультивибратора. В этом случае применяются одинаковые по мощности транзисторы.

Транзистор применяется в:

— Усилительных схемах. Работает, как правило, в усилительном режиме. Существуют экспериментальные разработки полностью цифровых усилителей, на основе ЦАП, состоящих из мощных транзисторов. Транзисторы в таких усилителях работают в ключевом режиме.

— Генераторах сигналов. В зависимости от типа генератора транзистор может использоваться либо в ключевом (генерация прямоугольных сигналов), либо в усилительном режиме (генерация сигналов произвольной формы).

— Электронных ключах. Транзисторы работают в ключевом режиме. Ключевые схемы можно условно назвать усилителями (регенераторами) цифровых сигналов. Иногда электронные ключи применяют и для управления силой тока в аналоговой нагрузке. Это делается, когда нагрузка обладает достаточно большой инерционностью, а напряжение и сила тока в ней регулируются не амплитудой, а шириной импульсов. На подобном принципе основаны бытовые диммеры для ламп накаливания и нагревательных приборов, а также импульсные источники питания.

— Транзисторы применяются в качестве активных (усилительных) элементов в усилительных и переключательных каскадах.

Реле и тиристоры имеют больший коэффициент усиления мощности, чем транзисторы, но работают только в ключевом (переключательном) режиме.

Вся современная цифровая техника построена, в основном, на полевых МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторах (МОПТ), как более экономичных, по сравнению с БТ, элементах. Иногда их называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)-транзисторы. Международный термин — MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора и т. п. Размеры современных МОПТ составляют от 90 до 8 нм. В настоящее время на одном современном кристалле площадью 1−2 смІ могут разместиться несколько (пока единицы) миллиардов МОПТ. На протяжении 60 лет происходит уменьшение размеров (миниатюризация) МОПТ и увеличение их количества на одном чипе (степень интеграции), в ближайшие годы ожидается дальнейшее увеличение степени интеграции транзисторов на чипе. Уменьшение размеров МОПТ приводит также к повышению быстродействия процессоров, снижению энергопотребления и тепловыделения.

В настоящее время микропроцессоры Intel собираются на трёхмерных транзисторах (3d транзисторы) именуемых Tri-Gate. Эта революционная технология позволила существенно улучшить существующие характеристики процессоров. Отметим, что переход к 3D-транзисторам при технологическом процессе 22 нм позволил повысить производительность процессоров на 30% (по оценкам Intel) и снизить энергопотребление. Примечательно, что затраты на производство возрастут всего на 2−3%, то есть в магазинах новые процессоры не будут значительно дороже старых. Суть технологии в том, что теперь сквозь затвор транзистора проходит особый High-K диэлектрик, который снижает токи утечки.

1.2 Практическая часть. Компьютерное моделирование и исследование биполярного транзистора

1.2.1 Обзор программ для исследования и проектирования элементов электроники

Система схемотехнического моделирования Electronics Workbench предназначена для моделирования и анализа электрических схем.

Electronics Workbench может проводить анализ схем на постоянном и переменном токах. При анализе на постоянном токе определяется рабочая точка схемы в установившемся режиме работы. Результаты этого анализа не отражаются на приборах, они используются для дальнейшего анализа схемы. Анализ на переменном токе использует результаты анализа на постоянном токе для получения линеаризованных моделей нелинейных компонентов. Анализ схем в режиме АС может проводиться как во временной, так и в частотной областях.

В Electronics Workbench можно исследовать переходные процессы при воздействии на схемы входных сигналов различной формы. Программа также позволяет производить анализ цифро-аналоговых и цифровых схем большой степени сложности. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко распространенных электронных компонентов. Есть возможность подключения и создания новых библиотек компонентов.

Широкий набор приборов позволяет производить измерения различных величин, задавать входные воздействия, строить графики. Все приборы изображаются в виде, максимально приближенном к реальному, поэтому работать с ними просто и удобно.

Результаты моделирования можно вывести на принтер или импортировать в текстовый или графический редактор для их дальнейшей обработки.

Программа Electronics Workbench совместима с программой P-SPICE, т. е. предоставляет возможность экспорта и импорта схем и результатов измерений в различные ее версии.

Electronics Workbench позволяет разместить схему таким образом, чтобы были четко видны все соединения элементов и одновременно вся схема целиком.

Программа использует стандартный интерфейс Windows, что значительно облегчает ее использование.

В библиотеки компонентов программы входят пассивные элементы, транзисторы, управляемые источники, управляемые ключи, гибридные элементы, индикаторы, логические элементы, триггерные устройства, цифровые и аналоговые элементы, специальные комбинационные и последовательные схемы. Активные элементы могут быть представлены моделями как идеальных, так и реальных элементов. Возможно также создание своих моделей элементов и добавление их в библиотеки элементов.

В программе используется большой набор приборов для проведения измерений: амперметр, вольтметр, осциллограф, мультиметр, Боде-плоттер (графопостроитель частотных характеристик схем), функциональный генератор, генератор слов, логический анализатор и логический преобразователь.

Electronics Workbench позволяет строить схемы различной степени сложности при помощи следующих операций:

? выбор элементов и приборов из библиотек;

? перемещение элементов и схем в любое место рабочего поля;

? поворот элементов и групп элементов на углы, кратные 90°;

? копирование, вставка или удаление элементов, групп элементов, фрагментов схем и целых схем;

? изменение цвета проводников;

? выделение цветом контуров схем для более удобного восприятия;

? одновременное подключение нескольких измерительных приборов и наблюдение их показаний на экране монитора;

? присваивание элементу условного обозначения;

? изменение параметров элементов в широком диапазоне.

Все операции производятся при помощи мыши и клавиатуры. Управление только с клавиатуры невозможно.

Путем настройки приборов можно:

? изменять школы приборов в зависимости от диапазона измерений;

? задавать режим работы прибора;

? задавать вид входных воздействий на схему (постоянные и гармонические токи и напряжения, треугольные и прямоугольные импульсы).

Графические возможности программы позволяют:

? одновременно наблюдать несколько кривых на графике;

? отображать кривые на графиках различными цветами;

? измерять координаты точек на графике;

? импортировать данные в графический редактор, что позволяет произвести необходимые преобразования рисунка и вывод его на принтер.

Electronics Workbench позволяет использовать результаты, полученные в программах P-SPICE, PCB, а также передавать результаты на Electronics Workbench в эти программы. Можно вставить схему или ее фрагмент в текстовый редактор и напечатать в нем пояснения или замечания по работе схемы.

1.2.2 Исследование биполярного транзистора с помощью программы EWB

Вольт — амперные характеристики (ВАХ) транзисторов в любой необходимой системе координат можно снимать по точкам, измеряя соответствующие постоянные напряжения и типы эмиттера, коллектора и базы. Однако, такой метод, несмотря на сравнительно малую погрешность изменений (5−10) %, является весьма трудоемким. Кроме того, длительное нахождение транзистора под током неизбежно приводит к изменению его параметров в процессе измерения.

Указанные недостатки можно устранять, применив для снятия статических характеристик транзисторов осциллографический метод, погрешность которого составляет (15−20) %, что вполне допустимо на практике.

Поскольку вольт — амперные характеристики транзисторов определяются тремя параметрами, для получения изображения характеристики на экране осциллографа один из параметров должен быть зафиксирован. Тогда, подавая на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины напряжения, пропорциональные двум другим параметрам, плавно изменяющимся по определенному закону со временем, можно получить вольт — амперную характеристику транзистора, соответствующую фиксированному значению первого параметра. Чаще всего в качестве независимого переменного параметра используют однополупериодное синусоидальное напряжение.

Схема с ОБ обладает низким коэффициентом передачи тока. Из-за этого ее применяют редко, в основном в высокочастотных устройствах, где по усилению напряжения она предпочтительнее других. Схема с ОК обладает коэффициентом усиления по напряжению меньше единицы, поэтому применяется для усиления тока. Основной схемой включения биполярного транзистора является схема с ОЭ.

Работа транзистора в электрической цепи определяется его входными и выходными статическими вольт-амперными характеристиками (ВАХ). Входной статической ВАХ транзистора является зависимость входного тока от входного напряжения при постоянстве выходного напряжения. Выходной статической ВАХ транзистора является зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянстве входного тока. Статические ВАХ снимают в режиме постоянных токов и напряжений. Характеристики транзистора зависят от схемы его включения и содержат информацию о свойствах транзистора во всех режимах работы при больших и малых сигналах. По ним можно определить ряд параметров, не приводимых в справочной литературе, а также рассчитать цепи смещения, стабилизации режима, оценить работу транзистора в широком диапазоне импульсных и постоянных токов, мощностей и напряжений. Так как вид характеристики (зависимость одного параметра от другого) зависит еще и от третьего параметра, то на плоскости одна характеристика описывается рядом кривых, совокупность которых называют семейством.

Исследование статических вольтамперных характеристик (вах) транзистора, включенного по схеме с оэ (с помощью осциллографа)

Семейство входных ВАХ транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, устанавливает зависимость тока базы от напряжения U_БЭ при U_КЭ=const (рис. 9), а семейство выходных ВАХ устанавливает зависимость тока коллектора от напряжения U_КЭ при I_Б = const (рис. 10).

Рис. 9. Входные характеристики транзистора в схеме ОЭ Выходные характеристики транзистора в схеме ОЭ определяют зависимость коллекторного тока I_K = f (U_кэ) при I_б = const.

Рис. 10. Выходные характеристики транзистора в схеме ОЭ Выходные характеристики в схеме с общим эмиттером (рис.10) существенно отличаются от таковых в схеме с общей базой. Это связано с тем, что напряжение между коллектором и эмиттером — это не напряжение на коллекторном переходе, а сумма напряжений на двух переходах. Поэтому, если коллекторное напряжение равно нулю, то это означает, что к коллекторному переходу приложено напряжение, равное напряжению на эмиттерном переходе с обратным знаком. То есть транзистор оказывается в режиме насыщения. Ток коллектора при этом резко возрастает с ростом коллекторного напряжения до значений, равных значению напряжения на базе. После этого характеристики переходят на участок насыщения, а транзистор — в активный режим. Ток коллектора, как и для схемы с общей базой, начинает мало зависеть от коллекторного напряжения. Так же как и для схемы с общей базой, при подаче на базу обратного напряжения транзистор переходит в режим отсечки, которому соответствует нижняя кривая семейства. Однако максимальное значение тока коллектора при этом достигает величины h_21эI_к0 и оказывается значительно больше, чем в схеме с общей базой. Входные характеристики для этой схемы отличаются меньшим значением входных токов и характером влияния на них коллекторного напряжения. С ростом коллекторного напряжения увеличивается ширина коллекторного p-n-перехода, уменьшается ширина базы и снижается вероятность рекомбинации носителей, то есть снижается входной ток. Это также происходит до напряжения, равного входному, в дальнейшем с ростом коллекторного напряжения вид характеристики не изменяется. В справочнике также приводятся только две входные характеристики.

При инверсном включении транзистора характеристики соответствуют таким же характеристикам для обычного включения (активный режим). Вследствие технологических особенностей значения токов при этом оказываются несколько ниже.

Расчет h-параметров для схемы включения с общим эмиттером

?I_б=const=0,2 мА Величины А-параметров можно определить по статистическим входным и выходным характеристикам задавая приращение одному из параметров. Параметры h₁₁ и h₁₂ определяются по входным характеристикам. Параметры h₂₁ и h₂₂ определяются по семейству выходных характеристик.

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному току.

(1)

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая часть выходного сигнала транзистора поступает на его вход.

(2)

Коэффициент усиления по току показывает во сколько раз изменение тока 1_к больше фиксированного изменения тока I_б.

(3)

Выходная проводимость характеризует внутреннее выходное сопротивление транзистора.

(4)

Исследование статических вольтамперных характеристик (вах) транзистора, включенного по схеме с об (с помощью осциллографа)

Входная ВАХ — I_э=F (U_эб)|_Uкб=const I_б=F (U_бэ)|_Uкэ=const. Собрана на схеме 11. Осциллограф поставлен в режиме В/А.

Рис. 11.Входные характеристики транзистора в схеме с ОЭ В схеме с ОЭ вывод эмиттера является общим для входной и выходной цепей транзистора, поэтому входным током является I_б, выходным — I_K. Напряжение питания приложено между эмиттером и коллектором. Входные характеристики для схем с ОЭ связывают ток и напряжение базы при постоянном напряжении U_кэ, т. е I_б =f (U_бэ) при U_кэ =const .

Семейство выходных ВАХ — I_к=F (U_кб)|_Iэ=const.

Рис. 12. Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ В схеме с общей базой выходные характеристики представляют собой практически горизонтальные линии. Даже при нулевом напряжении на коллекторном переходе контактной разности потенциалов достаточно для экстракции всех неосновных носителей из базовой области и дальнейшее увеличение напряжения на коллекторном переходе не приводит к росту коллекторного тока. При этом уже с нулевого напряжения транзистор работает в активном режиме. Если изменить полярность напряжения на эмиттере, то ток эмиттера станет равным нулю и характеристика будет соответствовать нижней кривой семейства. Транзистор в этом случае будет находиться в режиме отсечки. Ток коллектора при этом будет достигать значения Iк 0. Входные характеристики транзистора являются обычными характеристиками p-n-перехода, включенного в прямом направлении. При возрастании напряжения на коллекторе они немного смещаются в сторону больших токов. Это явление связано с изменением ширины базы при изменении напряжения на коллекторном переходе. Начиная с коллекторного напряжения 1 В (после перехода в активный режим), вид характеристики уже не зависит от коллекторного напряжения. Поэтому в справочниках обычно приводят входные характеристики только для 0 В и для 5 В.

Расчет h-параметров для схемы включения с общей базой

(5)

(6)

(7)

(8)

Исследование статических вольтамперных характеристик (вах) транзистора, включенного по схеме с ок (с помощью осциллографа)

Видно, что каскад по схеме с ОК, практически не усиливает по напряжению. Для того чтобы увидеть выходной сигнал пришлось увеличить чувствительность канала В осциллографа до 10 милливольт на деление. Амплитуда входного сигнала, практически равна амплитуде выходного сигнала. Обычно, каскад с ОК используется в электрических схемах, в качестве согласующего, так как имеет высокое входное сопротивление (не шунтирует входной сигнал) и низкое выходное сопротивление. Часто используется в усилителях мощности НЧ, где нагрузку (акустическую систему) можно включить непосредственно в цепь эмиттера.

Рис. 13 Выходные характеристики транзистора в схеме ОК

Расчет h-параметров для схемы включения с общим коллектором

(9)

(10)

(11)

(12)

Таблица 1. Важнейшие параметры основных схем включения транзисторов

Анализ полученных результатов.

Таблица 2. Сводная таблица полученных результатов

Исходя из выше сказанного, можно сделать вывод, что входное сопротивление h₁₁ схемы включения транзистора должно быть максимальным, этим исключается шунтирующее действие каскада на предыдущий узел. По полученным входным сопротивлениям для различных схем включения делаем вывод, что наибольшими значениями обладает схема ОЭ и ОК. Однако схема ОК обеспечивает максимальную отрицательную обратную связь. Наименьшим входным сопротивлением h₁₁=5.35 Ом обладает схема с ОБ, что затрудняет ее использование с высокоомными выходными источниками. Данная схема применяется в основном совместно со схемой ОК (каскадные схемы включения).

Коэффициент обратной связи h₁₂ определяет коэффициент усиление каскада по напряжению. Наибольшим коэффициент усиления по напряжению, обладает схема ОЭ и ОБ (обратная связь минимальна). Схема с ОК имеет максимальную обратную отрицательную связь поэтому данная схема включения обладает минимальным усилением по напряжению.

Коэффициент усиления по току h₂₁. Наименьшим усилением по току обладает каскад ОБ, наибольшим — каскад с ОК, следовательно схему с ОК целесообразно включать на каскады имеющие низкое входное сопротивление (например, генератор тока).

Выходное сопротивление 1/h₂₂. Наибольшим выходным сопротивлением обладает схема с ОБ, что затрудняет ее использование в схемах имеющих низкое входное сопротивление.

Раздел 2. Охрана труда. Меры безопасности при техническом обслуживании компьютерной техники

2.1 Производственная санитария и гигиена труда

Техника безопасности тесно связана с другим разделом охраны труда — производственной санитарией. При проведении мероприятий по технике безопасности учитываются требования по созданию системы организационных и санитарно-гигиенических средств, предотвращающих или уменьшающих воздействие вредных производственных факторов на работающих.