МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ (послед) (Восстановлен)

т.е. в сотни раз ниже, чем обычные. Их используют в качестве источников опорного напряжения. Прецизионные стабилитроны представляют собой три р-n перехода, два из которых включены в прямом направлении, а третий работает в режиме лавинного пробоя. Напряжение стабилизации в них определяется суммой трех напряжений

Vст Vпор1 Vпор2 Vст3

где Vпор1 и Vпор2 - пороговые напряжения р-n переходов, включенных в прямом направлении, а Vст3 - напряжение стабилизации определяемого третьим р-n переходом, работающего в режиме лавинного пробоя.

Малое значение ст в прецизионных стабилитронах обусловлен тем, что прямо включенные кремниевые р-n переходы имеют отрицательное значение температурного коэффициента порогового напряжения, а лавинный пробой – положительное значение, что приводит к взаимной компенсации изменения напряжения стабилизации с изменением температуры. Отметим, что у прецизионных стабилитронов ток в прямом направлении практически отсутствует, так как в них первый и второй переходы при этом включены в обратном направлении.

Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации разнополярных напряжений и представляющие собой два встречно включѐнных p–n–перехода. Двуханодные стабилитроны имеют симметричную вольтамперную характеристику.

Для стабилизации малых напряжений используется прямая ветвь ВАХ-ки диода. Такие приборы называются стабисторами и они изготавливаются из высоколегированных полупроводников. Выпускаются стабисторы с одним, двумя и тремя р-n переходами, включенных последовательно и имеющих соответственно Vст 0,7В, 1,4В и 2,1В.

Полупроводниковые диоды, исследуемые в работе

В работе исследуются диоды различных типов: германиевые, кремниевые, плоскостные, точечные, стабилитроны, стабисторы. Основные паспортные данные предложенных для исследования диодов (по заданию преподавателя) студенты находят в справочной литературе.

Схемы исследований

На рис.1.4.а. и 1.4.б. приведены схемы для снятия вольтамперной характеристики диода. Необходимость использования двух схем для снятия прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики вызвана тем, что, во-первых, напряжение на диоде при прямом включении значительно меньше, чем при обратном, и, во-вторых, прямые токи значительно больше чем при обратном. Поэтому используются разные источники питания «Еп1» и «Еп2» и последовательность включения измерительных приборов для снятия прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики.

11

Пределы измерения приборов следует выбирать с учетом паспортных данных диода. При исследовании прямой ветви вольт– амперной характеристики диода нужно использовать источник питания Еп1

резистор в 100 Ом.

На рис. 1.5. приведена схема однополупериодного выпрямителя,

на аноде диода U D (t) и на нагрузке U R (t) студенты наблюдают с помощью осциллографа.

Задание к работе в лаборатории

1.Изучить особенности конструктивного выполнения и паспортные данные полупроводниковых диодов различных типов, представленных для исследования.

2.Собрать схему для снятия вольтамперной характеристики диода при прямом включении (рис.1.4.а.).

3.Снять вольтамперные характеристики диодов, предложенных преподавателем, при прямом включении. Не превышать предельно допустимые токи в прямом направлении.

4.Собрать схему для снятия вольтамперной характеристики диодов при обратном включении (рис. 1.4.б.). ВНИМАНИЕ! При снятии обратной вольтамперной характеристики стабилитронов амперметр и вольтметр переключить как на рисунке 1.4.а и во избежание порчи миллиамперметра установить максимальный предел его измерения.

5.Снять вольтамперные характеристики диодов при обратном включении диода. Не превышать предельно допустимые обратные напряжения.

12

6.Собрать схему однополупериодного выпрямителя на основе плоскостного диода (рис.1.5.). В качестве диода использовать выпрямительный диод.

7.Подать на вход выпрямителя с выхода генератора гармонических колебаний сигнал амплитудой (2…3)В и частотой 1кГц. Включить осциллограф и зарисовать осциллограммы при постоянной амплитуде входного сигнала:

а) подводимого выпрямителю переменного напряжения U (t) ;

б) напряжения на диоде U D (t) ; в) напряжения на нагрузке U R (t) .

8. Измерения пункта 7 повторить на частотах 100кГц и 1МГц. При этом особо обратить внимание на изменения формы сигналов на нагрузке U R (t) с ростом частоты.

Указания к составлению отчета

1.Привести схемы исследования, паспортные данные исследуемых приборов и таблицы результатов измерений.

2.Построить вольтамперные характеристики исследуемых выпрямительных диодов, используя различный масштаб для прямого и обратного включения.

3.Определить по графику пороговые напряжения и рассчитать прямое и обратное сопротивления диодов в заданных рабочих точках.

4.Построить вольтамперную характеристику исследуемого стабилитрона. Отметить участок стабилизации напряжения, определить напряжение стабилизации и дифференциальное сопротивление на участке стабилизации.

5.Привести в масштабе осциллограммы подводимого напряжения, напряжения на диоде и на нагрузке, полученные при исследовании выпрямителя.

6.Сделать выводы по проделанной работе: сравнить экспериментально определенные параметры с паспортными; провести анализ осциллограмм, снятых на разных частотах.

Контрольные вопросы:

1.Что такое собственная и примесная проводимости полупроводников?

2.Объяснить образование электронно-дырочного перехода.

3.Что такое контактная разность потенциалов? Чем определяется толщина р-n перехода?

4.Нарисовать энергетическую диаграмму р-n перехода при включении его в прямом и обратном направлениях?

5.Привести классификацию и пояснить систему обозначений полупроводниковых диодов.

6.Рассказать о конструкциях выпрямительных и высокочастотных

13

диодов.

7.Сравнить теоретическую и реальную вольтамперную характеристики диода.

8.Сравнить вольтамперные характеристики кремниевого и германиевого диодов.

9.Нарисовать и объяснить характеристику стабилитрона. Показать на ней рабочий участок.

10.Рассказать о барьерной и диффузионной емкостей р-n перехода.

11.Рассказать о типах, конструкции и принципах работы СВЧ диодов.

ЛИТЕРАТУРА

1.Н. М. Гарифуллин. Электроника: Учебное пособие. – Уфа, РИЦ БашГУ, 2012. -163с.

2.Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Учебное пособие для вузов. Под ред. Н. Д. Федорова. – М.: Радио и связь,1998.-

560с.

3.И. П. Степаненко. Основы микроэлектроники. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. - 488с.

4.В. А. Прянишников. Электроника. – СПб.: Корона-принт, 2004. –

416с.

5.В. А. Гуртов. Твердотельная электроника. – ПетрГУ, Петрозаводск,

2004. -312с.

6.В. С. Валенко. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств. – М.: Издательский дом «Додэка-

ХХI», 2001. -368с.

7.Н. М. Гарифуллин. Физические основы электроники: учебное пособие. – Уфа, РИЦ БашГУ, 2005. -141с.

8.Электроника: Справочная книга. Под редакцией Ю. А. Быстрова. – СПб,: Энергоатомиздат.,1996. -544с.

14

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Исследование статических характеристик биполярного транзистора в схеме с ОБ

Цель работы: Ознакомиться с устройством и принципом действия биполярного транзистора. Изучить его вольтамперные характеристики в схеме включения с общей базой (ОБ) и по статическим вольтамперным характеристикам определить h-параметры транзистора.

Подготовка к работе.

Изучить следующие вопросы курса:

1.Устройство и принцип действия биполярного транзистора.

2.Распределение потенциала и физические процессы в транзисторе в схеме с ОБ.

3.Уравнения токов в транзисторе для схем включения с ОБ.

4.Статические характеристики транзистора в схемах включения с ОБ.

5.Предельные режимы работы биполярного транзистора. Рабочая область выходных характеристик.

Краткая теория

Биполярный транзистор – электропреобразовательный прибор,

– тепловой ток эмиттерного перехода, протекающий при замыкании выводов коллектора и базы (VК=0); IКБ0 – тепловой ток коллекторного перехода, протекающий при замыкании вывода эмиттера и

15

базы (VЭ=0). (Использование напряжений на переходах позволяет описывать n-p-n и p-n-p транзисторы одинаковыми формулами).

Напряжения на переходах считаются положительными, если они приложены в прямом направлении и отрицательными, если приложены в обратном направлении. Например, для n-p-n транзистора при прямом смещении:

VЭ = VБЭ = –VЭБ

VК = –VБК = VКБ.

2. Взаимодействие близкорасположенных переходов приводит к тому, что ток I1 с коэффициентом N 0,97–0,999 передаѐтся в коллекторный переход. Таким образом, основная часть тока I1 протекает через цепь коллектора I 2 N I1 и только малая часть (1 N )I1 – через цепь

базы. Аналогично, ток I2 с коэффициентом I передаѐтся в цепь эмиттера. В этих выражениях N и I - соответственно нормальный и инверсный

коэффициенты передачи тока.

Модель транзистора п–р–п типа, построенная в соответствии с изложенным выше положениями (классическая модель Эберса–Молла), приведена на рис.2.2.

Рис. 2.2. Модель транзистора по Эберсу-Молла.

В соответствии с выбранным положительным направлениями токов можно записать уравнения Эберса–Молла, соответствующие схеме на рис. 2.2., в виде:

в которых токи I1 и I2 рассчитываются по формулам 2.1. и 2.2. Система уравнений 2.3 представляют собой первое правило Кирхгофа для узловых точек а и б модели транзистора (рис.2.2).

Для характеристики работы транзисторов широко используются его

16

статические характеристики. Статическими характеристиками транзистора называют связи между токами электродов и напряжениями, представленными в графической форме. В общем случае реальный биполярный транзистор описывается как любой трехэлектродный прибор четырьмя семействами статических вольтамперных характеристик. К ним относятся:

- входные характеристики IВХ f (VВХ ) при VВЫХ = const;

- выходные характеристики IВЫХ f (VВЫХ ) при IВХ const;

- характеристики прямой передачи тока IВЫХ f (IВХ ) при VВЫХ = const

и

- характеристики обратной связи по напряжению VВХ f (VВЫХ ) при

IВХ = const;

На практике, в основном, пользуются входными и выходными вольтамперными характеристиками, так как две другие семейства характеристик можно построить на их основе.

Семейство входных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимость IЭ f (VЭБ ) при фиксированных значениях параметра VКБ -

напряжения на коллекторном переходе. Выходные вольтамперные характеристики транзистора описываются зависимостями IК f (VКБ ) , снятые при постоянных значениях входного тока IЭ . Соответствующие вольтамперные характеристики приведены на рис. 2.3.

VКБ<0

Рис.2.3. Входные а) и выходные б) вольтамперные характеристики биполярного транзистора п-р-п типа в схеме с ОБ..

При VКБ 0 входная вольтамперная характеристика совпадает с характеристикой прямосмещенного р-п-перехода (рис.2,3 а). С ростом обратного напряжения на коллекторном переходе VКБ (VКБ > 0 для п-р-п транзистора) вследствие уменьшения ширины базовой области транзистора за счет эффекта Эрли происходит смещение характеристики вверх: IЭ растет при выбранном значении VЭБ . Рассмотренные входные

17

характеристики транзистора соответствуют активному режиму работу транзистора.

Если на коллекторный переход приложено прямое напряжение (VКБ < 0 для п-р-п транзистора), то транзистор находится в режиме насыщения и возникает двухсторонняя инжекция электронов в область базы – характеристика смещается влево в область меньших токов эмиттера (см.рис.6.1, а). В точке А за счет уменьшения напряжения VЭБ ток эмиттера

уменьшается до нуля. Затем левее точки А преобладает инжекция через коллекторный переход и IЭ становится отрицательным.

Выходные вольтамперные характеристики транзистора описываются зависимостями IК f (VКБ ) , снятые при постоянных значениях входного тока IЭ . Заштрихованная область на рисунке 2.3 б, лежащей между кривой при IЭ = 0 и осью напряжений определяет режим отсечки транзистора.

Если IЭ > 0 то при VКБ > 0 транзистор п-р-п типа находится в

нормально активном режиме и ток коллектора в активном режиме практически не зависит от напряжения на коллекторе и растет пропорционально току эмиттера. В реальных транзисторах за счет эффекта Эрли, как известно, растет коэффициент передачи тока эмиттера, что вызовет некоторый рост тока I К .

При IЭ > 0 и VКБ < 0 п-р-п транзистор переходит в режим насыщения

– возникает двухсторонняя инжекция. Против тока IЭ , текущий из

эмиттера в коллектор, из коллекторного перехода потечет инжекционный ток, что приведѐт к уменьшению тока коллектора, и при некотором VKБ ток

I К = 0. Чем больше заданный ток IЭ , тем большее прямое напряжение VKБ потребуется для получения I К = 0.

С ростом напряжения VКБ в активном режиме возможен лавинный пробой коллекторного перехода, что приводит к значительному росту коллекторного тока (штриховые линии на рис.2.3, б). Пробой характеризуется напряжением пробоя VКБпроб, значение которого

уменьшается с ростом тока эмиттера.

Транзистор как четырехполюсник при работе с сигналами малой амплитуды характеризуются дифференциальными h-параметрами, для определения которых широко применяется графические методы с использованием входных и выходных статических вольтамперных характеристик транзистора.

Рассмотрим h-параметры для случая включения транзистора по схеме с ОБ. Уравнения четырехполюсника в системе h- параметров в этой схеме можно записать в виде:

На основе (2.5) для определения h- параметров имеем:

18

Переходя от малых амплитуд переменных токов и напряжений в (2.6) к конечным приращениям, получим:

Таким образом, определяя приращения токов и напряжений около заданной точки на соответствующих характеристиках транзистора на основе (2,7) можно рассчитать h-параметры: h11, h12– по семейству входных, а h21 и h22 – по семейству выходных характеристик. Здесь h11 - дифференциальное входное сопротивление, h12 – дифференциальный коэффициент обратной передачи по напряжению, h21 – дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера, h22– дифференциальная выходная проводимость транзистора. Методика расчета h-параметров в схеме с ОБ аналогичен расчету в схеме с ОЭ (см. лаб. работу №3).

Задание к работе в лаборатории

1.Пользуясь справочником

-указать назначение и структуру транзистора, предложенного преподавателем для исследования;

-привести типовые значения параметров транзистора, особо

2.В рабочей тетради привести типовые входные и выходные характеристики транзистора для схемы включения ОБ, обратить внимание на особенности характеристик.

3.Собрать схему для снятия характеристик транзистора при включении его по схеме ОБ, изображенной на рис. 2.4.а или 2.4.б. в зависимости от структуры транзистора. ВНИМАНИЕ! Общие точки вольтметров соединять согласно схеме.

2.Снять и построить 2 входных характеристик транзистора IЭ = f(VЭБ) при VКБ = 0 и 10В. Первую характеристику снимать до напряжения, при котором IЭ=0,9IКМАХ, вторую до значения, при которой выполняется

условие PК V КБ I К РКмах .

3. Снять и построить выходные характеристики транзистора IК=f(VКБ) для IЭ= 2, 5 и 10мА. При снятии характеристик не превышать максимально допустимые параметры.

19

Рис.2.4.а. Схема включения p–n–p транзистора в схеме с ОБ для снятия статических характеристик

Рис.2.4.б. Схема включения n–p–n транзистора в схеме с

ОБ для снятия статических характеристик

4. Рассчитать h-параметры транзистора в схеме с ОБ в активной области по снятым вольтамперным характеристикам.

Отчет должен содержать:

1.Тип исследуемого транзистора и его назначение.

2.Справочные значения параметров транзистора. Привести рисунок транзистора с указанием выводов.

3.Схему исследования и таблицы результатов измерений.

4.Графики входных и выходных характеристик, построенные на основании результатов измерений. На графиках указать активную область

иобласть насыщения.

5.Расчетные значения h-параметров в схеме с ОБ в активной области.

6.Выводы по работе с анализом полученных вольтамперных характеристик и h-параметров.

Контрольные вопросы:

1.Рассказать об устройстве плоскостного транзистора.

2.Принцип действия биполярного бездрейфового транзистора.

3.Начертить потенциальную диаграмму р-n-р и n-р-n транзисторов.

4.Из каких компонентов состоят токи через эмиттерный и коллекторный переходы?

5.Из каких компонентов состоит ток базы биполярного транзистора.?

20