ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра радиотехники

Методические указания

к лабораторным работам №1-4 по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств»

для студентов специальности 210302 «Радиотехника» очной, заочной и очно-заочной форм обучения

Воронеж 2011

Составители: канд. техн. наук Е.И. Воробьева,

студенты А.М. Юшин, И.И. Попов

УДК 621.396.6

Методические указания к лабораторным работам №1-4 по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств»

для студентов специальности 210302 «Радиотехника» очной, заочной и очно-заочной форм обучения / ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост.: Е.И. Воробьева, А.М. Юшин, И.И. Попов. Воронеж, 2011. 48 с.

В методических указаниях изложены домашние, лабораторные задания и пояснения по их выполнению для лабораторных работ «Исследование диодов, биполярных и полевых транзисторов», «Исследование каскада предварительного усиления на биполярном транзисторе», «Исследование каскада предварительного усиления на полевом транзисторе», «Исследование эмиттерного повторителя» по курсу «Схемотехника электронных аналоговых устройств». В результате выполнения работ студенты получают практические навыки расчета и моделирования основных каскадов схем усилителя.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD и содержатся в файле «Воробьева 1-4.doc».

Табл. 4. Ил. 22. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент канд. техн. наук, доц. М.И. Бочаров

Ответственный за выпуск зав. кафедрой канд. техн. наук, доц. Б.В. Матвеев

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Лабораторная работа №1 Исследование диодов, биполярных и полевых транзисторов

1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАБОТЕ

Цель работы: Приобрести навыки в экспериментальном исследовании полупроводниковых диодов, биполярных и полевых транзисторов, закрепить знание физических процессов, происходящих в них.

1. Теоретический материал

1.1.1 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выво­дами, в котором используется то или иное свойство выпрямляю­щего перехода. В качестве выпрямляющего электрического пере­хода используется электронно-дырочный (р-п) переход, разделяю­щий р-и n-области кристалла полупроводника (рис. 1).

К р- и n-областям кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система заключается в металличе­ский, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый кор­пус.

Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая бо­лее высокую концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей концентрацией, — базой.

Рис.1. Схема включения полупроводникового диода и пространственное распределение объемных зарядов p-n перехода при отсутствии внешне­го напряжения

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода описывается вы­ражением

где Uд—напряжение на р-n переходе; φ_t =KТ/q — тепловой по­тенциал, равный контактной разности потенциалов φ_t на границе р-п-перехода при отсутствии внешнего напряжения ; К — постоянная Больцмана; Т — абсолютная темпе­ратура; q — заряд электрона.

При отрицательных напряжениях порядка 0,1 ...0,2В экспонен­циальной составляющей, по сравнению с единицей, можно прене­брегать, при положительных напряжениях, превышаю­щих 0,1 В, можно пренебрегать единицей, поэтому ВАХ, описываемая, этими выражениями, будет иметь вид, приведенный на рис. 2.

Рис.2. Статические вольт-амперные характеристики идеального p-n перехода (а) и реального (б)

По мере возрастания положительного напряжения на р-n-переходе прямой ток диода резко возрастает. Поэтому незначительное изменение прямого напряжения приводит к значительному изменения тока, что затрудняет задание требуемого значения прямого тока с помощью напряжения

Следует отметить, что приведенная ВАХ (см. рис. .2 а) является идеальной ВАХ р-n перехода. Она не учитывает рекомбиционно-генерационных процессов, происходящих в объеме и на поверхности р-n-перехода, считая его бесконечно тонким и длинным.

Реальный р-n-переход не является бесконечно тонким и поэтому при обратном напряжении происходит генерация пар электрон — дырка, образующая ток генерации I_ген. Причем с увеличением обратного напряжения растет толщина р-n-перехода, а, следовательно, и количество генерируемых пар. Вот почему с возрастанием обратного напряжения одновременно врастает и обратный ток (рис. 2.,б).

Протяженность реального р-п-перехода также не бесконечна. Поверхность полупроводникового кристалла характеризуется нарушениями кристаллической решетки и различными загряз нениями, что обусловливает рекомбинационно-генерационные процессы на поверхности р-п-перехода и приводит к появлению дополнительного тока — тока утечки I_ут. Таким образом, обратный ток реального диода

Ток I_ут. также зависит и от типа применяемого полупроводникового материала.

Вольтамперная характеристика реального диода имеет вид, приведенный на рис. 2,6 (сплошная линия). Из нее следует, что при определенном значении обратного напряжения U_обр = U_проб на­чинается лавинообразный процесс нарастания тока I_обр , соответ­ствующий электрическому пробою р-n-перехода (отрезок АВ на рис. 2.6). Если в этот момент ток не ограничить, то электриче­ский пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки В). Такой процесс нарастания тока I_обр характерен для кремниевых диодов. В германиевых диодах при увеличении обратного напря­жения тепловой пробой р-n-перехода наступает практически одно­временно с началом лавинообразного процесса нарастания то­ка I_обр. Электрический пробой обратим, т. е. после уменьшения напряжения U_обр работа диода соответствует пологому участку об­ратной ветви ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разру­шает р-n-переход.

Тепловой пробой обусловлен ростом числа носителей в р-n-переходе. При некотором значении пробивного напряжения (Uпроб) мощность, выделяющаяся в диоде, не успевает от­водиться от перехода, что ведет к увеличению его температуры и, следовательно, обратного тока и дальнейшему повышению темпе­ратуры. Возникает положительная обратная связь и переход вследствие перегрева разрушается. Не трудно видеть, что напря­жение теплового пробоя сильно зависит от тока I_обр и условий охлаждения прибора.

1.1.2 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Биполярный транзистор — полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими выпрямляющими электрическими переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства ко­торого обусловлены явлениями инжекции и экстракции не основных носителей заряда. Роль выпрямляющего электрического перехода (как и в диоде) выполняет р-n-переход. В биполярном транзисторе используются одновременно два типа носителей зарядов — элек­троны и дырки (отсюда и название — биполярный). Переходы транзистора образованы тремя областями с чередующимися ти­пами проводимости. В зависимости от порядка чередования этих областей различают транзисторы р-n-р- и n-р-n-типа. В микро­электронике главную роль играют транзисторы n-р-n-типа. На рис. 3 показаны условные графические обозначения биполяр­ного транзистора.

Работа биполярного транзистора основана на взаимодействии двух р-n-переходов; это обеспечивается тем, что толщина B сред­ней области транзистора (базы) выбирается меньше длины свободного пробега L (диффузионной длины) носителей заряда в этой области.

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на при­мере транзистора n-р-n-типа, для которого концентрация основ­ных носителей в n-области существенно выше, чем в р-области. Для данной структуры (рис. 3,а) левую n-область, которая в нашем примере будет инжектировать электроны в соседнюю р-область, называют эмит­тером, правую n-область, которая в дальнейшем должна экстрактировать находящиеся в соседней р-области электроны, называют коллектором, а среднюю область — базой. Соответственно примыкающий.

Рис. 3. Схема распределения токов в транзисторе n-р-n-типа (а) и реальная структура биполярного транзистора (б)

к эмиттеру р-n-переход называют эмиттерным, а примыкающий к коллектору — коллекторным. Металлические выводы, привариваемые или припаиваемые к полупроводниковым областям, называют соответственно эмиттерным, коллекторным и базовым выводами.

Приложим к эмиттерному переходу прямое U, а к коллекторному — обратное U напряжения. В результате через эмиттерный переход в область базы будут инжектировать электроны (инжекцией дырок из области базы в эмиттерную область пренебрегаем), образуя эмиттерный ток транзистора I_э; Поток электронов, обеспечивающий ток I_э через переход показан на рис.3.а широкой заштрихованной стрелкой. Часть инжектированных в область базы электронов ре комбинируют с основными для этой области носителями заряда — дырками, образуя ток базы I_ъ (см. рис. 3,а). Другая часть инжектированных электронов, которая достигает коллекторного перехода, с помощью электрического поля, создаваемого напряжением, подвергается экстрации (экстрактируется) во вторую n-область транзистора — коллектор, образуя через переход коллекторный ток I_к'. Уменьшение потока электронов через коллектоорный переход (а, следовательно, и коллекторного тока) по сравнению с потоком дырок через эмиттерный переход можно учесть следующим соотношением:

=0,95... 0,99 — коэффициент передачи тока эмиттера.

Через запертый коллекторный переход будет создаваться об­ратный ток /кб о, образованный потоком из п- в р-область не основных для коллекторной области носителей заряда — дырок р_п> который совместно с током Iк' образует выходной ток транзи­стора

и ток в базовом выводе

С учетом приведенных равенств I_к примет вид

Учитывая, что I_э>>I_кб можно на практике использовать соотно­шение

Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соот­ветствии с первым законом Кирхгофа представляет собой базовый ток

Один из наиболее распространенных на практике вариантов реальной структуры биполярного транзистора приведен на рис 3, б. Как видно из рисунка, каждый из переходов имеет донную и боковые части. Рабочая (активная) область транзистора расположена под донной частью эмиттерного перехода (на рис 3, б эта область не заштрихована). Остальные (заштрихованные области структуры являются пассивными), т. е. в известной мере паразитными. Их наличие неизбежно и объясняется особенностями технологического процесса изготовления структуры биполярного транзистора в полупроводниковой пластине. Пассивные участки можно в первом приближении моделировать в эквивалентной схеме транзистора резисторами, подключенными к рабочим слоям базы и коллектора.

Основные свойства транзистора определяются процессами в базе. Если концентрация примесей по всему объему базового слоя одинакова, т. е. база однородна, то движение носителей заряда в ней при отсутствии приложенного к транзистору внешнего напряжения носит чисто диффузионный характер. Если же база неоднородна, то за счет образовавшегося в ней внутреннего электрического поля движение носителей будет комбинированным: диффузия сочетается с дрейфом носителей заряда в этом поле.

Транзисторы с однородной базой называются диффузионными ,с неоднородной — дрейфовыми. Последние обладают лучшими частотными свойствами и получили наибольшее распространение.

Этот управляемый нелинейный элемент применяться для усиления напряжения.

Режимы работы.

Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора.

Нормальный или активный режим —на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный — обратное. Имен­но этот режим работы транзистора, как можно видеть из рис. 3, а, соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера. К тому же он обеспечивает минимальные искаже­ния усиливаемого сигнала.

Инверсный режим — к коллекторному переходу подведено пря­мое напряжение, а к эмиттерному — обратное. Исходя из реаль­ной структуры биполярного транзистора (см. рис. 3,6), инверс­ный режим работы приводит к значительному уменьшению коэф­фициента передачи тока эмиттера по сравнению с работой транзистора в нормальном режиме (если учитывать при этом, кроме реальной структуры, также более слабое легирование кол­лекторного слоя по сравнению с эмиттерным при изготовлении транзисторных структур) и поэтому на практике применяется крайне редко.

Двойной инжекции или насыщения — оба перехода (эмиттер­ный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Вы­ходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.

Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные на­пряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыка­ния цепей передачи сигналов.

Основным режимом работы биполярного транзистора в анало­говых электронных устройствах является нормальный режим. Ре­жимы насыщения и отсечки обычно применяются совместно для осуществления коммутации как силовых, так и информационных цепей.

Схемы включения и основные параметры. Биполярный транзи­стор как усилительное устройство может быть представлен в виде четырехполюсника. В зависимости от того, какой из трех выводов транзистора является общим для входа и выхода четырехпо­люсника, различают схему включения транзистора с общей ба­зой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК)-Схемы, приведенные на рис. 4, а, б, представляют собой схему включения транзистора с ОЭ и используются наиболее часто.

Полярность подключаемого внешнего источника зависит от типа транзистора (для р-п-р — рис. 4, а, для п-р-п — рис. 4,б).

В случае включения транзистора в схему с ОЭ входным током является ток базы, а выходным — ток коллектора. В схеме с ОБ выходным током является ток коллектора, а входным – ток эмиттера. _ _

Рис. 4. Схемы включения транзистора с общим эмиттером (а,б) и общим коллектором (в,г)

Каждой схеме включения транзистора соответствуют свои статические характеристики, представляющие собой функциональную зависимость токов через транзистор от приложенного напряже­ния. Из-за нелинейного характера указанных зависимостей их представляют в графической форме.

Транзистор как четырехполюсник характеризуется входной и выходной статическими ВАХ, показывающими соответственно за­висимость входного тока от входного напряжения (при постоян­ном значении выходного напряжения транзистора) и выходного тока от выходного напряжения (при постоянном входном токе транзистора). Статические входные и выходные ВАХ биполярного транзистора n-р-n-типа для схем включения с ОЭ и ОБ приведены на р.ис. 5. Очевидно, что они имеют явно выраженный нелиней­ный характер. При этом входные ВАХ (рис. 5, а, в) подобны прямой ветви ВАХ диода, а выходные (рис. 5, б, г) характери­зуются вначале резким возрастанием выходного тока I_к при воз­растании выходного напряжения U_кэ, а затем, по мере дальней­шего роста напряжения, незначительным его увеличением. Пере­ход значений выходного тока на пологий участок соответствует границе области режима насыщения транзистора, когда оба пере­хода открыты (U_бэ >0 и U_кб >0). При этом на выходных харак­теристиках транзистора, включенного с ОБ, явно видны области двух режимов его работы: нормального режима, соответствующего обратному напряжению на коллекторном переходе (I квадрант) и режима двойной инжекции, соответствующего прямому смеще­нию коллекторного перехода (II квадрант).

При включении транзистора в схему с ОЭ выходные характе­ристики полностью располагаются в 1-м квадранте. В то же время изменение положительного значения входного тока' начинается не от нулевого значения входного напряжения, как в случае схемы с ОБ, а при некотором его положительном значении из-за падения напряжения на эмиттерном переходе от тока I_э при U_кэ <>0.

На выходной характеристике транзистора можно выделить три области, отвечающие различным режимам работы транзистора: насыщения (заштрихованная область левее линии ОА — режим двойной инжекции); отсечки (заштрихованная область ниже ли­нии ОБ ', соответствующая закрытому состоянию транзистора, ког­да U_бэ <0 и U_кэ<0; активной незаштрихованная область между линиями О А и ОБ), соответствующая активному состоянию транзистора, когда U_бэ >0 и U_кэ <0 — нормальный режим работы транзистора. Статические характеристики используются для расчета нелинейных цепей, содержащих транзисторы.

Рис. 5. Входные (а, в) и выходные (б, г) статические характеристики транзистора n-р-n-типа, включенного с ОЭ и ОБ

1.1.3 Полевые транзисторы

Полевой транзистор полупроводниковый прибор усилительные свойства которого, обусловлены потоком основных носителей протекающим через проводящий канал, и управляемым электрическим полем.

Полевой транзистор в отличие от биполярного иногда называют униполярным, так как его работа основана на использовании не только ровных носителей заряда - либо электронов либо дырок. Поэтому в полевых транзисторах отсутствуют изменения (накопления и рассасывания) объемного заряда не основных носителей, оказывающие заметное влияние на быстродействие биполярных транзисторов. Основным способом движения носителей заряда, образующих ток полевого транзистора, является дрейф в электрическом поле. Проводящий слой, в котором создается рабочий ток полевого транзистора, называют каналом.

Полевой транзистор — полупроводниковый усилительный прибор которым управляет не ток (как биполярным транзистором), а напряжение (электрическое поле, отсюда и название — полевой), осуществляющее изменение площади поперечного сечения проводящего канала, в результате изменяется выходной ток транзистора. Управление же электрическим полем предполагает отсутствие статического входного тока, что позволяет уменьшить мощность требуемую для управления транзистором.

Металлический электрод, создающий эффект поля, называют затвором (3), два других электрода — истоком (И) и стоком (С). Исток и сток в принципе обратимы. Истоком служит тот из них, из которого при соответствующей полярности напряжения между истоком и стоком в канал поступают основные носители заряда, сток — тот, через который эти носители уходят из канала.

В зависимости от того, какой из выводов является общим для входа и выхода, различают три схемы включения полевого транзистора с общим истоком (ОИ), с общим затвором (ОЗ) и общим стоком (ОС). Наибольшее распространение на практике нашла схема с ОИ.

Принцип работы полевого транзистора.

В полевом транзисторе с объёмным каналом площадь поперечного сечения канала меняется счет изменения площади обедненного слоя обратно включённого р-n-перехода. На рис. 6 показан полевой транзистор с управляющим р-n-переходом, включенный по схеме с ОИ. При её анализе все напряжения будем рассматривать с учетом ихр-n переход (затвор)—(исток) подается обратное напряжение U_ио При его уменьшении глубина а обедненного слоя (заштрихованная область на рис. 6 — область объемного заряда)

Рис.6. Полевой транзистор с управляющим р-n-переходом

возрастает, а токопроводящее сечение Ь канала сужается. При этом увеличивается сопротивление канала, а следовательно, сни­жается выходной ток транзистора. Поскольку напряжение U_зи прикладывается к р-n переходу в обратном направлении, ток I₃ ничтожно мал и практически не зависит от управляющего напряжения. .

Для полевых транзисторов входная характеристика (зависи­мость Iз от Uзи при фиксированном значении (Iси) не имеет практического применения и при расчетах используют только пе­редаточные и выходные ВАХ. На рис. 7 приведены выходные и передаточные характеристики полевого транзистора с управ­ляющим р-n-переходом для схемы включения с ОИ. Эти харак­теристики, подобно характеристикам биполярного транзистора, имеют нелинейный характер, а, следовательно, полевой транзистор

Рис. 7. Статические вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом (схема ОИ): а — выходные; б — передаточные

как и биполярный, является управляемым нелинейным элементом цепи. Однако при сравнении их выходных характеристик очевидны существенные различия.

Отличительные особенности полевого транзистора. Из прин­ципа действия полевого транзистора вытекают две основные его особенности: в установившемся режиме работы входной ток полевого транзистора стремится к нулю инерционность левого транзистора в отличие от биполярного обусловлена только процессами пере заряда его входной и выходной емкостей. Казалось бы, что отсутствие процессов изменения объемного заряда не основных носителей дает преимущество полевому тран­зистору в быстродействии перед биполярным транзистором. Однако следует отметить, что конструкция полевого транзистора предполагает получение больших значений его входных и выходных емкостей. Последнее с увеличением частоты входного сигнала приводит к фактическому падению коэффициента усиления каскада на полевом транзисторе. Действительно, по постоянному току коэффициент усиления полевых транзисторов стремится к бесконечности (входной ток стремится к нулю). При увеличении частоты входного сигнала входной ток полевого транзистора, определяется его входной емкостью, растет, что эквивалентно снижению значения коэффициента усиления. Поэтому принято считать, что общем случае по быстродействию, усилению и частотным свойствам полевой транзистор, как правило, не имеет преимуществ перед биполярным транзистором.

2. ДОМАШНИЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ

2.1. Изучить теоритический материал.

2.2 Задание для выполнения лабораторной работы

2.2.1 Снять ВАХ диода

Схема для снятия прямой ветви ВАХ диода представлена на рис. 8

Рис. 8. Схема для снятия прямой ветви ВАХ диода

Схема для снятия обратной ветви ВАХ диода представлена на рис. 9:

Рис. 9. Схема для снятия обратной ветви ВАХ диода

2.2.2 Запустите программу Electronics Workbench и откройте из неё файл: ВАХ vd.ewb.

2.2.3 Установите значение тока на источнике равным 1 mA. Запустите процесс симуляции путем нажатия выключателя в правом верхнем углу. Снимите показания с вольтметра. Полученные данные занести в табл. 1:

Таблица 1.

I(mA)
U(В)

2.2.4 Повторите измерения для различных положительных, отрицательных значений токов, прямой и обратной ветви ВАХ. Данные занесите в таблицу и представьте соответствующий график.

2.2.5 Откройте файл: ВАХ БТ.ewb.

2.2.6 Для снятия входных характеристик установите значение выходного напряжения U_КБ=5В. Изменяем ток I_э в пределах от 0,1мА до 50мА, зафиксировать значения входного напряжения U_ЭБ. Данные занести в таблицу 2.

Таблица 2

UКБ1=5В	Iэ
	UЭБ
UКБ2=10В	IЭ
	UЭБ
UКБ3=15В	IЭ
	UЭБ

2.2.7. Повторить измерения для значений выходного напряжения U_КБ 10В и 15В и данные занести в таблицу 2.

2.2.8. Представьте на одном графике каждую из 3-х ВАХ.

2.2.9 Для снятия выходных характеристик установите значение

I_э =1mA, а U_кб = 5В. Запустите процесс симуляции путем нажатия выключателя в правом верхнем углу. Снимите показания с амперметра I_к .

2.2.10 Снимите показания с амперметра I_к для значений U_кб 15 и 20В. Данные занесите в таблицу 3.

Таблица 3

Iэ1=1	UКБ
	IК
IЭ2=3	UКБ
	IК
IЭ3=5	UКБ
	IК

2.2.11 Повторите шаги 8 и 9 для I_э =10mA и для I_э =100mA. Представьте на одном графике каждую из 3-х ВАХ.

2.2.12 Откройте файл ВАХ ПТ с p-n.ewb

2.2.13 Установите значение U_зи(U_g)= 0В. Запустите процесс симуляции путем нажатия выключателя в правом верхнем углу. Снимите показания с амперметра I_с(I_d).

2.2.14 Изменяя значения напряжения U_СИ в пределах 1-20В, снять показания амперметра, показывающего значение I_с для значений U_си 1 и 1.7В. Данные занесите в таблицу 4.

Таблица 4

UЗИ=0	UСИ
	IС
UЗИ=1	UСИ
	IС
UЗИ=1.7	UСИ
	IС

2.2.15 Представьте на одном графике каждую из 3-х ВАХ.

3.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

3.1 Цель работы

3.2 Схемы ислледуемых диодов, транзисторов

3.3 Расчеты в соответствии с вариантом домашнего задания

3.4 Результаты измерений,представленные в виде таблиц и графиков

3.5 Вывод по работе