Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
56
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого»
Институт электронных и информационных систем
_______________________________________________________________
Кафедра физики твердого тела и микроэлектроники
Электроника и
микроэлектроника
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Новгород
2011
Электроника и микроэлектроника: Лабораторный практикум / Сост. Г. В. Гудков, Телина И. С.; НовГУ им. Ярослава Мудрого. - Новгород, 2011. - 56 с.
Лабораторный практикум включает 5 лабораторных работ, содержащих как теоретическую часть, так и методические рекомендации по их выполнению.
Новгородский государственный
университет, 2011
Гудков Г. В., Телина И. С., составление, 2011
Содержание
Вводные указания......................................................................................................4
1 Выпрямительный диод 5
2 Варикап 11
3 Cтабилитрон 17
4 Биполярный транзистор 22
5 Полевой транзистор 39
Приложение А. Пример оформления отчета о лабораторной работе ............... 53
Вводные указания
Цель преподавания дисциплины “Электроника и микроэлектроника” состоит в ознакомлении студентов с элементно-узловой базой современной радиотехники, радиофизики и электроники, преимущественно с полупроводниковыми приборами в их интегральном и дискретном исполнении.
В соответствии с учебными планами подготовки студентов по направлению 210300 “Радиотехника” изучаемая дисциплина входит в блок общепрофессиональных дисциплин и преподается на четвертом семестре. Преподавание базируется в основном на завершающемся в этот период обучении по общим дисциплинам “Физика”, “Высшая математика” и “Основы теории цепей”, а также на знании дисциплины “Радиоматериалы и компоненты”.
Приобретаемые знания в свою очередь составляют базу для общепрофессиональных дисциплин.
Электроника это область науки и техники, охватывающая исследования, разработку и применение электронных приборов. Микроэлектроника это раздел электроники, охватывающий исследования, разработку и применение качественно новых электронных приборов интегральных микросхем. Физические законы, лежащие в основе принципов создания дискретных и интегральных приборов, одинаковы, поэтому их изучение в лабораторных условиях ведется совместно. При этом особенности изучаемых приборов оцениваются во введениях к каждой лабораторной работе.
1.1 Теоретические сведения
Принцип работы выпрямительных диодов основан на использовании односторонней проводимости (вентильных свойств) электрического перехода для преобразования переменного тока в однополярный пульсирующий.
Выпрямительные диоды широко применяют в цепях управления коммутации РЭА, источниках питания, ограничителях выбросов напряжений. Наибольшее использование в РЭА нашли кремниевые, германиевые диоды, диоды с барьером Шотки, а в аппаратуре специального назначения и измерительной аппаратуре, работающей в условиях высокой температуры окружающей среды, — селеновые и титановые выпрямители. В высоковольтных источниках питания часто применяют выпрямительные столбы и блоки. Выпрямительные столбы представляют собой последовательное соединение выпрямительных диодов, объединенных в одном корпусе или расположенных на одной конструкционной несущей. Выпрямительные блоки являются конструктивно завершенными устройствами, содержащими соединенные определенным образом (например, по мостовой схеме) выпрямительные диоды.
1.1.1 Вольт-амперная характеристика
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) кремниевого и германиевого диодов для различных температур окружающей среды приведены на рис. 1.1,а и б соответственно. В области малых токов характеристики имеют экспоненциальный вид (в соответствии с ВАХ p-n-перехода). при больших токах сказывается падение напряжения на сопротивлении базы, поэтому характеристики приближаются к линейному виду. Сравнение ВАХ показывает, что при одинаковом токе прямое падение напряжения Uпр в германиевых диодах меньше в 1,5 – 2 раза, чем в кремниевых, и соответственно меньше выделяемая в диоде мощность. Это объясняется разницей в ширине запрещенной зоны Ge (0,66 эВ) и Si (1,12 эВ). У диода из материала с большей шириной запрещенной зоны будет больше высота потенциального барьера p-n-перехода, следовательно, для обеспечения одинакового прямого тока к кремниевому диоду необходимо приложить большее напряжение.
При увеличении температуры диода уменьшается высота потенциального барьера и изменяется распределение носителей заряда по энергиям (электроны, занимают более высокие энергетические уровни в зоне проводимости, дырки – более низкие уровни в валентной зоне). Из-за этих двух причин падение напряжения на диоде при неизменном прямом токе уменьшается с ростом температуры. Влияние температуры на прямую ветвь ВАХ оценивается температурным коэффициентом прямого падения напряжения на диоде αU=дUпр/дТ при постоянном прямом токе. Для кремниевых и германиевых диодов он находится в пределах 1,2 – 3 мВ/град. При фиксированных малых прямых токах через диод (около 1 – 2 мА) прямое падение напряжения на р-n-переходе, а следовательно, и на диоде уменьшается. При больших прямых токах следует учесть изменение прямого напряжения из-за температурной зависимости сопротивления базы диода. Уменьшение подвижности свободных носителей с ростом температуры может вызвать увеличение сопротивления базы диода и привести к возрастанию Uпр, например в германиевых диодах (рис. 1.1, б).
Кремниевые диоды по сравнению с германиевыми имеют меньшие обратные токи Iобр при одинаковых обратном напряжении Uoбр и размерах электрического перехода, а также наибольшие обратные напряжения электрического пробоя, достигающие в некоторых типах диодов 1000 – 1500 В.
Ток Iобр кремниевого диода определяется в основном током генерации носителей в переходе и током утечки, удваивается при увеличении температуры на 8 –12 ⁰С, а Iобр германиевого диода – тепловым током (током насыщения) I0, который удваивается при изменении температуры на 8 – 10⁰С. Различия в природе обратного тока приводят к тому, что наклон обратной ветви ВАХ германиевого диода более слабый, чем кремниевого. Значительное увеличение тока утечки с ростом температуры в кремниевом диоде приводит к различию обратных токов германиевых и кремниевых диодов при одинаковых параметрах структуры переходов всего лишь на 1,5 – 2 порядка, в то время как токи I0, обусловленные разной шириной запрещенной зоны германия и кремния, должны были бы отличаться на 6 порядков.
Рис. 1.1 – Вольтамперные характеристики кремниевого (а) и германиевого (б) диодов
Электрический пробой в кремниевых и германиевых диодах обычно лавинный. Но в германиевых диодах он сразу же переходит в тепловой. Поэтому германиевые диоды чрезвычайно чувствительны даже к кратковременным импульсным перегрузкам. С увеличением температуры пробивное напряжение Uпроб в кремниевых диодах растет, а в германиевых – уменьшается. При высокой температуре тепловая генерация носителей в германии вызывает сильное увеличение обратного тока Iобр и выпрямительные свойства диода резко ухудшаются. Температурный диапазон работы кремниевых диодов – минус 60 ÷ +125 ⁰С, германиевых – минус 60 ÷ +85 ⁰С.
1.1.2 Параметры
К основным статическим параметрам относятся прямое падение напряжения Uпр при заданном прямом токе Iпр, постоянный обратный ток Iобр при заданном обратном напряжении Uобр.
К основным динамическим параметрам относятся Iвп.ср – среднее за период значение выпрямленного тока; Uпр.ср – среднее значение прямого падения напряжения при заданном среднем значении прямого тока; Iобр.ср – среднее значение обратного тока или среднее за период значение тока в обратном направлении при заданном значении обратного напряжения; Uобр.ср – среднее за период значение обратного напряжения; fгр – граничная частота, на которой выпрямленный ток диода уменьшается до установленного уровня. Частота fгр зависит от площади перехода и времени жизни носителей.
К параметрам электрического режима относятся дифференциальное сопротивление диода rдиф, емкость диода СД, включающая емкости электрического перехода и корпуса, если последний существует.
В рабочем состоянии через диод протекает ток, и в его электрическом переходе выделяется мощность, температура перехода Тпер повышается. Выделяемая в переходе теплота рассеивается в окружающую среду за счет теплопроводности полупроводникового материала перехода, корпуса прибора и переходных теплопроводящих слоев между корпусом прибора и кристаллом. Отводимая от электрического перехода мощность прямо пропорциональна разности температур перехода и окружающей среды То.
В установившемся режиме подводимая к переходу Рподв и отводимая от него Ротв мощности должны быть равны и не превышать максимально допустимой мощности Рмакс, рассеиваемой диодом, т.е. Рподв = Ротв = Р0 ≤ Рмакс. B противном случае, когда рассеиваемая диодом мощность Р0 превышает Рмакс, тепловой режим прибора неустойчив и в его электрическом переходе возникает тепловой пробой. Качество теплоотвода в диоде характеризуется параметром эксплуатационного режима – тепловым сопротивлением RТ = (Тпер – T0)/P0, под которым подразумевается отношение разности температур электрического перехода и корпуса диода к мощности, рассеиваемой на диоде в установившемся режиме. Тепловое сопротивление характеризует необходимый перепад температур перехода и корпуса для отвода в окружающую среду 1 Вт мощности, выделяемой в электрическом переходе диода. Уменьшение RТ позволяет при заданном значении Р0 увеличить рабочую температуру перехода или при известном перепаде температур Тпер – T0 повысить прямые и обратные токи и напряжения диода.
Под предельно допустимыми эксплуатационными режимами работы диодов подразумеваются такие режимы, которые обеспечивают с заданной надежностью работу приборов в течение оговоренного техническими условиями срока службы. Параметрами эксплуатационных режимами являются Iпр.макс и Uобр.макс – максимальные значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения; Рмакс – максимальная допустимая мощность, рассеиваемая диодом; Тмин и Тмакс – минимальная и максимальная температуры окружающей среды для работы диода.
Выпрямительные диоды делят на низкочастотные, или силовые, используемые в основном в выпрямителях источников питания, и маломощные высокочастотные. Силовые диоды работают на частотах до fгр = 50 кГц. По силе выпрямленного тока различают диоды малой (Iпр < 300 мА), средней (Iпр < 10 А) и большой (Iпр > 10 А) мощности. Высокочастотные диоды предназначены для преобразования радиосигналов на частотах в несколько десятков и сотен мегагерц.
1.2 Цель работы
Научиться определять статические и дифференциальные параметры выпрямительных диодов.
1.3 Задачи
Для достижения поставленной цели Вам необходимо выполнить следующие задачи:
ознакомиться со справочными данными испытуемых диодов;
провести измерения статических вольтамперных характеристик (ВАХ) диодов при прямом и обратном включении при комнатной и повышенной температурах;
построить статические ВАХ испытуемых диодов при различных температурах;
рассчитать статические и дифференциальные параметры диодов.
1.4 Порядок и методы решения задач
1.4.1 Из справочника /1/ выпишите кратко основные электрические и эксплуатационные параметры испытуемых диодов, зарисуйте эскиз внешнего вида с обозначением выводов, начертите условное графическое обозначение выпрямительного диода /5/, расшифруйте маркировку.
1.4.2 С помощью измерительного блока, передняя панель которого с элементами управления и контроля режимов диодов показана на рисунке 1.2, проведите измерение статических ВАХ диодов /2, раздел 2.3; 3, раздел 3, 19/.
Измерение статических ВАХ диодов с помощью лабораторного макета производится по точкам методом вольтметра амперметра.
Принципиальная электрическая схема измерительного блока приведена на рисунке 1.3.
При измерении статических ВАХ диодов в прямом направлении необходимо задавать токи через диоды и измерять соответствующие им напряжения на диодах.
При обратном включении задавайте напряжения на диодах и измеряйте соответствующие им значения токов.
Увеличение напряжения на диоде производите до достижения максимальных показаний вольтметра или амперметра на самом грубом пределе измерения.
Указанные измерения проводите при комнатной и повышенной ( 40С) температурах. Термостат, в котором находятся испытуемые диоды, помещен внутрь измерительного блока. Включение и регулировка интенсивности нагрева термостата производится ключом, расположенным на передней панели измерительного блока. Измерение температуры в термостате производится автоматически с помощью электронного термометра, датчиком температуры которого служит биполярный транзистор (см. рисунок 1.2 и 1.3).
1.4.3 Используя результаты полученных измерений, постройте семейства статических ВАХ для двух температур отдельно для германиевого и кремниевого диодов /2, раздел 2.3; 3, разделы 3.2 и 3.19/.
1.4.4 По статическим ВАХ диодов определите их статические параметры /3, раздел 3.19; 4/ и укажите их на рисунках:
– постоянное прямое напряжение диода Uпр при Iпр = Iпр макс;
– постоянный обратный ток диода Iобр при Uобр = Uобр макс.
Рассчитайте:
– прямое сопротивление диода по постоянному току rпр при Iпр = Iпр макс;
– обратное сопротивление диода по постоянному току rобр при Uобр = Uобр макс.
1.4.5 Рассчитайте дифференциальные параметры диодов /2, раздел 2.3; 3, раздел 3.1; 4/:
Рисунок 1.2 – Лицевая панель измерителя вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов
Рисунок 1.3 – Принципиальная электрическая схема измерения вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов
– дифференциальное сопротивление диода rдиф при Iпр = 0,1 А;
– температурный коэффициент прямого напряжения αU при Iпр.= 0,1 А.
1.4.6 Изобразите простейшую эквивалентную схему диода, укажите природу входящих в схему элементов и их влияние на работу диода /2, раздел 2.4/.
Отчет о выполненной работе должен содержать информацию об исследуемых диодах (п. 1.3.1), результаты измерений (в виде таблиц), графики статических ВАХ отдельно для каждого диода, расчеты параметров с поясняющими надписями. Графики прямой и обратной ветви ВАХ выполняются в одних координатных осях, но в разном масштабе. Графики, соответствующие комнатной и повышенной температуре (для одного и того же диода), следует размещать в одних координатных осях. Для успешной защиты вы должны уметь пояснить ход и температурную зависимость статических ВАХ диодов из кремния и германия, знать их статические и дифференциальные параметры, уметь их определять.
Литература
1 Аксенов А. И. Отечественные полупроводниковые приборы. Транзисторы биполярные. Диоды. Варикапы. Стабилитроны и стабисторы. Тиристоры. Оптоэлектронные приборы. Аналоги отечественных и зарубежных приборов: Справ. изд. – 6-е изд., доп. и испр. – М.: Солон-Пресс, 2008.–589 с.: ил.
2 Шишкин Г. Г. Электроника: Учеб. для вузов / Г. Г. Шишкин, А. Г. Шишкин. – М. : Дрофа, 2009. – 703 с. : ил.
3 Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы: Учебник. - 3-е изд., переработ. и доп. - М.: Высш. шк., 1981. - 431 с.
4 ГОСТ 25529-82. Диоды полупроводниковые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров.
5 ГОСТ 2.730-73. Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые.
2.1 Теоретические сведения
2.1.1 Принцип работы и вольт-фарадная характеристика
Варикап предназначен для использования в качестве электрически управляемой емкости. Принцип работы варикапа основан на использовании зависимости емкости электрического перехода от напряжения. Электрический переход варикапов имеет сложную структуру типа р-n-n+, р-i-n, МДП и др.
Рисунок 2.1 – Распределение концентрации примеси (а) и вольт-фарадные характеристики (б) для сплавных(1), диффузионных (2) и планарно-эпитаксиальных (3) варикапов
Варикапы применяют в устройствах управления частотой колебательного контура, в параметрических схемах усиления, деления и умножения частоты, в схемах частотной модуляции, управляемых фазовращателях и др. В этих устройствах предпочтение отдается варикапам на основе барьерной емкости р-n-перехода. Чаще всего желательно, чтобы емкость варикапа менялась в значительных пределах. Для этого выполняются два условия – p-n переход варикапа делается толстым (что повышает максимально допустимое рабочее напряжение) и резким (что делает наибольшим влияние напряжения на емкость). Поэтому варикапы выполняются на основе резких невырожденных p-n переходов.
При подаче на варикапы прямого напряжения к барьерной емкости p-n перехода добавляется так называемая диффузионная емкость. Однако в этом случае малое сопротивление p-n перехода шунтирует обе емкости и это катастрофически снижает добротность варикапа. Поэтому прямое включение варикапа не используется.
Как правило, варикапы изготавливаются либо в виде дискретных изделий, либо сборки из четырех приборов.
Исходным материалом для варикапов является кремний, а в последнее время – арсенид галлия. В сплавных варикапах электрический переход резкий, распределение примесей вдоль перехода по координате х, отсчитываемой от его металлургической границы, приблизительно равномерное для р+ и n-области, в диффузионных – плавное (линии 1 и 2 на рис. 2.1, а). Этим распределениям соответствуют зависимости Св = f(U) – вольт-фарадные характеристики (ВФХ) варикапа (кривые 1 и 2 на рис. 2.1, б). Эти ВФХ аппроксимируются выражением
, (2.1)
где φ0 – высота потенциального барьера p-n-перехода; т — коэффициент нелинейности ВФХ (т=0,5 для сплавных и т=0,3 для диффузионных); Св0 – емкость варикапа при внешнем напряжении Uобр= 0.
Для получения более резкой зависимости Св = f (Uобр) в эпитаксиальных варикапах используются переходы со структурой р+-n-n+ и обратным градиентом распределения примесей в базе (кривые 3 на рис. 2.1, а и б).
2.1.2 Параметры
Электрическими параметрами варикапа являются:
– Сн – номинальная емкость, т.е. емкость между выводами варикапа при номинальном напряжении смещения;
– Смакс – максимальная емкость – емкость варикапа при заданном минимальном напряжении смещения;
– Смин – минимальная емкость – емкость варикапа при заданном максимальном напряжении смещения;
– Кс = Cмакс/Смин – коэффициент перекрытия по емкости;
– ТК C=dC/(CнdT) – температурный коэффициент емкости – относительное изменение емкости варикапа при изменении температуры окружающей среды на 1 К в рабочем интервале температур при заданном напряжении смещения;
– Qв – номинальная добротность варикапа – отношение реактивного сопротивления варикапа к полному сопротивлению потерь при номинальном напряжении смещения на заданной частоте;
– ТК Qв=dQв/(QвdT) – температурный коэффициент добротности – относительное изменение Qв при изменении температуры окружающей среды на 1 К в заданном интервале температур.
К параметрам эксплуатационных режимов относятся:
– Pв.макс – максимальная допустимая мощность – максимальное значение мощности, рассеиваемой на варикапе, при которой обеспечивается заданная надежность при его длительной работе;
– Uобр.макс – максимально допустимое напряжение – максимальное мгновенное значение переменного напряжения на варикапе;
– RТ – общее тепловое сопротивление.
В справочных данных указывают: fмакc – fмин – частотный диапазон работы варикапа, определяемый граничными частотами, на которых добротность варикапа Qв = 1. При этом граничные частоты варикапа
fмакс=1/(2πCбарrs); fмин=1/(2πСбарRy), (2.2)
где rs=rЭ+rБ – сопротивление потерь в эмиттерной и базовой областях варикапа; Rу – сопротивление утечки перехода варикапа.
Параметры варикапов в сборке имеют очень близкие значения.
2.1.3 Эквивалентная схема
Малосигнальная эквивалентная схема варикапа приведена на рис. 2.2,а. В схеме Lв – элементы индуктивности выводов прибора (порядка нескольких микрогенри); конденсатор Скорп 1,5 пФ учитывает емкость корпуса; резистор rs=rЭ+rБ моделирует омическое сопротивление базы rБ с сопротивлением омического контакта и сопротивленце эмиттерной области rЭ с аналогичным контактом; резисторы rдиф, Ry учитывают дифференциальное сопротивление и сопротивление утечки перехода; конденсатор Спер (Сбар) – эквивалент емкости перехода (барьерной емкости). На, частотах до нескольких десятков мегагерц параметрами схемы Lв и Cкорп можно пренебречь ввиду их малости и ограничиться упрощенной схемой (на рисунке обведена штриховой линией). Сопротивление перехода при обратном напряжении на варикапе определяется сопротивлением утечки Ry. Типовое значение Rу > 1 МОм.
Рисунок 2.2 – Малосигнальная эквивалентная схема варикапа
Последовательное сопротивление rs определяет добротность варикапа Qв на высоких частотах. Добротность можно рассчитать из его упрощенной эквивалентной схемы при условии что Ry rs. На высоких частотах добротность
. (2.3)
Для повышения добротности необходимо уменьшать сопротивление базы, что достигается введением в структуру варикапа n+- области, снижать сопротивление омического контакта путем увеличения концентрации примеси в n+- области базы и подбором металла омических контактов.
На низких частотах, для которых ωCбарrs 1 эквивалентная схема варикапа представляет параллельное соединение Ry и Сбар (рис. 2.2, б). Добротность варикапа при этом Qв.н.ч. ωСбарRу. С повышением частоты ω добротность возрастает. На высоких частотах ωCбарrs 1 и добротность варикапа Qв.в.ч. = 1/(ωСбарrs). С ростом частоты добротность падает. Эквивалентная схема варикапа для этого случая изображается последовательным соединением rs и Сбар (рис. 2.2, в). Таким образом, зависимость добротности варикапа Q от частоты (рис. 2.3) имеет максимум в диапазоне 10 – 30 МГц.
На высоких частотах добротность варикапа по (2.3) обратно пропорциональна сопротивлению rs. Для снижения rs целесообразно уменьшать толщину n-области базы. Но чтобы обеспечить эффективное изменение Сбар от приложенного обратного напряжении, концентрация примесей в тонкой n-области структуры варикапа должна быть по возможности минимальной. Нижний предел концентрации примесей в базе ограничен снижением напряжения пробоя, уменьшением диапазона изменения Cбар максимальным значением rs. Структура p+-n-n+-типа позволяет осуществить рациональный, выбор концентрации и распределения примесей в базе с учетом диапазона изменения емкости Cбар и значения сопротивления rs при высокой добротности варикапа. Составная n-n+-база обеспечивает глубокое проникновение электрического поля p+-n -перехода в базу, резкое изменение толщины перехода при обратном напряжении, высокое значение пробивного напряжения (из-за увеличения толщины перехода при возрастании Uобр) и добротности варикапа, так как наличие n+-области базы с высокой концентрацией примесей снижает сопротивление rs.
Рисунок 2.3 – Зависимость добротности варикапа от частоты
Добротность варикапа уменьшается с повышением температуры, так как при этом возрастает сопротивление rs. С увеличением обратного смещения емкость Сбар и сопротивление rs, уменьшаются, а добротность соответственно растет. Уменьшение rs, в последнем случае объясняется расширением перехода и уменьшением толщины базы w в n-области структуры варикапа.
2.2 Цель работы
Научиться определять характеристики и параметры варикапов, а также параметры его эквивалентной схемы.
2.3 Задачи
Для достижения поставленной цели вам необходимо решить следующие задачи:
– ознакомиться со справочными данными используемого варикапа;
– провести измерения емкости и добротности варикапа при различных напряжениях и частотах;
– построить вольтфарадную характеристику варикапа и зависимость его добротности от частоты;
– рассчитать параметры варикапа и параметры его эквивалентной схемы.
2.4 Порядок работы и методы решения задач
2.4.1 Из справочника /1/ выпишите кратко основные электрические параметры исследуемого варикапа, начертите его условное графическое обозначение /5/, эскиз внешнего вида. Расшифруйте маркировку.
2.4.2 С помощью установки, состав которой приведен на рисунке 2.1, проведите измерения емкости и добротности варикапа.
Измерение емкости и добротности варикапа производится с помощью промышленного прибора Q-метра Е9-4 методом включения в резонансный контур. Принципиальная схема измерения емкости этим методом показана на рисунке 2.2.
Перед подключением варикапа к клеммам Q-метра, проведите операции “установка нуля” и “калибровка”, согласно инструкции по эксплуатации прибора.
Выбрав необходимую частоту измерения и установив ее ручками “Частота”, подключите к клеммам Q-метра соответствующую этой частоте катушку индуктивности контура Lk (рисунок 2.2). Изменяя емкость контура Ck, настройте его в резонанс по максимуму показаний вольтметра, отградуированного в единицах Q. Произведите отсчет емкости С1 и добротности Q1 контура Lk, Ck.
К клеммам Q-метра подключите варикап, задайте ему необходимый режим по напряжению с помощью внешнего источника питания УИП-2 и, вновь меняя емкость контура Ck, добейтесь резонанса в цепи контура с варикапом. Произведите отсчет емкости контура С2 и добротности цепи Q2.
Не меняя частоты измерения, отсчет С2 и Q2 произведите при напряжениях на варикапе Uобр = 10; 20; 30; 40 и 50 В, добиваясь каждый раз резонанса в цепи контура с варикапом.
Указанные измерения емкости и добротности “чистого” контура и контура с варикапом произведите при частотах f = 0,2; 0,3; 0,6; 2; 5; 10; 20 МГц, меняя при этом частоту внутреннего генератора и катушки индуктивности Lk.
Все манипуляции по подключению и отключению катушек индуктивности и варикапа на Q-метре производите только при отсутствии напряжения на его клеммах от источника УИП-2!
При всех измерениях уровень напряжения внутреннего генератора поддерживайте таким, чтобы стрелка измерительного прибора “Уровень” была на соответствующей риске.
2.4.3 Произведите расчет емкости варикапа при различных измеренных значениях напряжений и частот как разность значений емкости Ck “чистого” контура с варикапом. Постройте вольт-фарадную характеристику варикапа для одной из частот.
Расчет добротности варикапа произведите по формуле
Рисунок 2.5 – Принципиальная электрическая схема для определения емкости и добротности варикапа
.
Постройте зависимость добротности варикапа от частоты /2, раздел 3.5; 3, раздел 3.31/ при одном из постоянных напряжений.
2.4.4 На основании данных, полученных при измерениях емкости и добротности варикапа, рассчитайте:
– коэффициент перекрытия по емкости Кс;
– параметры эквивалентной схемы варикапа – сопротивление p-n-перехода Rу и сопротивление базовой области rs /2, раздел 3.5; 3, раздел 3.31/.
Изобразите эквивалентную схему варикапа, поясните природу входящих в нее элементов.
Отчет о работе должен содержать результаты изучения, измерений и вычислений по всем пунктам задания.
Для успешной защиты выполненной работы вы должны уметь пояснить ход вольт-фарадной характеристики варикапа, зависимость его добротности от частоты, уметь определять его параметры.
Литература
1 Аксенов А. И. Отечественные полупроводниковые приборы. Транзисторы биполярные. Диоды. Варикапы. Стабилитроны и стабисторы. Тиристоры. Оптоэлектронные приборы. Аналоги отечественных и зарубежных приборов: Справ. изд. – 6-е изд., доп. и испр. – М.: Солон-Пресс, 2008.–589 с.: ил.
2 Шишкин Г. Г. Электроника: Учеб. для вузов / Г. Г. Шишкин, А. Г. Шишкин. – М. : Дрофа, 2009. – 703 с. : ил.
3 Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учеб. пособие. – 8-е изд., испр. – СПб.: Лань, 2006. – 480 с.: ил.
5 ГОСТ 2.730-73. Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые.
3 Стабилитрон
3.1 Теоретические сведения
3.1.1 Назначение и принцип действия
Стабилитрон предназначен для стабилизации напряжения в схемах; на их вольт-амперной характеристике (ВАХ) имеется участок с высокой крутизной, где напряжение на диоде слабо зависит от тока через диод (рис. 3.1). В радиоэлектронной аппаратуре применяют стабилитроны общего назначения, прецизионные, двуханодные и стабисторы.
Рисунок 3.1 – Вольт-амперная характеристика стабилитрона
Стабилитроны общего назначения используются в схемах: стабилизаторов источников питания, ограничителей, фиксаторов уровня напряжения и др. Прецизионные стабилитроны применяют в качестве источника опорного напряжения с высокой точностью стабилизации и термокомпенсации уровня напряжения, двуханодные – в схемах стабилизаторов, ограничителей напряжения разной полярности, в том числе в схемах двухстороннего ограничения напряжения, в качестве опорного элемента с термокомпенсированным напряжением и т.п. Стабисторы предназначены для стабилизации малых значений напряжений, а также используются как термокомпенсирующие элементы для поддержания заданного уровня напряжения в схеме при изменении температуры окружающей среды.
Выпускаемые промышленностью стабилитроны являются сплавными, диффузионно-сплавными, планарными, диффузионными, эпитаксиальными диодами. Исходным материалом для них выбран кремний n-типа, обеспечивающий малые обратные токи Iобр, широкий рабочий диапазон температур, высокую крутизну ВАХ в области напряжения стабилизации Uст. Напряжению стабилизации соответствует уровень напряжения на диоде, который остается практически постоянным при изменении тока через диод в широких пределах.
Принцип действия основан для большинства стабилитронов, за исключением стабисторов, на использовании электрического пробоя в р-n-переходе. При относительно малой концентрации примесей в базе диода наблюдается лавинный механизм пробоя в его электрическом переходе (высоковольтные стабилитроны с напряжением стабилизации Uст > 67 В), а при высокой концентрации примесей возникает туннельный пробой (низковольтные стабилитроны с Uст < 67 В). Для кремниевого диода характерно постоянство напряжения не только в области электрического пробоя его перехода, но и на прямой ветви ВАХ (рис. 3.1), что используется в стабисторе.
Рисунок 3.2 – зависимость температурного коэффициента напряжения стабилизации от напряжения стабилизации
3.1.2 Параметры
Параметрами стабилитронов являются:
Uст.ном – номинальное значение напряжения стабилизации;
Iст. ном – номинальный ток стабилизации, т. е, значение тока стабилизации, при котором определяются значения параметров стабилитрона, в том числе Uст.ном ;
Iст.мин – минимальный ток стабилизации, т. е. значение тока на участке пробоя ВАХ стабилитрона, меньше которого увеличивается дифференциальное сопротивление перехода, пробой становится неустойчивым и резко возрастают микроплазменные шумы прибора;
Iст.макс – максимально допустимый ток стабилизации, т. е. наибольшее определяемое из максимально допустимой рассеиваемой мощности Рмакс, значение тока стабилизации, при котором обеспечивается гарантированная надежность прибора при длительной его работе;
rст= дU/дI – дифференциальное сопротивление при заданном токе стабилизации;
Rст = дUст/дIcт – статическое сопротивление при заданном токе стабилизации;
Кд = Rст/rст – критерий качества стабилитрона;
Сд – емкость стабилитрона или емкость между выводами стабилитрона при заданном напряжении;
αUст=дUст/(UстдТ) – средний температурный коэффициент напряжения стабилизации (где Uст изменение напряжения стабилизации, дT – абсолютное изменение температуры окружающей среды);
∆Uст – температурный уход значений напряжения стабилизации или разность значений напряжений стабилизации, измеренная при нормальном токе стабилизации и двух температурах окружающей среды;
Uпр – постоянное прямое падение напряжения при заданном прямом токе;
Тмин – Тмакс – рабочий диапазон температур.
параметрами, по которым классифицируются прецизионные стабилитроны, являются Ucт, rст, αUст или ∆Uст.
При номинальном токе коэффициент αUст = Uст/(UстТ), где Т – разность двух температур окружающей среды или корпуса прибора, которым соответствует изменение ∆Uст. Температурный коэффициент напряжения стабилизации у стабилитронов с лавинным пробоем – положителен, а у стабилитронов с туннельным проблем – отрицателен. Зависимость αUст от напряжения стабилизации для кремниевых стабилитронов приведена на рис. 3.2.
3.2 Цель работы
Научиться определять статические и дифференциальные параметры стабилитрона.
3.3 Задачи
Для достижения поставленной цели вам необходимо решить следующие задачи:
– ознакомиться со справочными данными испытуемых стабилитронов;
– провести измерения и построить статические вольт-амперные характеристики стабилитронов при различных температурах;
– рассчитать дифференциальные параметры стабилитронов.
3.4 Порядок работы и методы решения задач
3.3.1. Из справочника /1/ выпишите кратко основные электрические параметры исследуемых стабилитронов, начертите их условное графическое обозначение /5/, эскиз внешнего вида. Расшифруйте маркировку.
3.3.2. С помощью лабораторного макета, передняя панель которого с элементами управления и контроля режимов стабилитрона показана на рисунке 3.3, проведите измерения статических вольт-амперных характеристик стабилитронов и стабистора /2, раздел 11-9; 3, раздел 3.3; 4, раздел 3.25/.
Измерение статических ВАХ с помощью лабораторного макета производится по точкам, методом вольтметра-амперметра. Принципиальная электрическая схема блока задания режимов стабилитронов показана на рисунке 3.4.
При измерении статических ВАХ стабилитрона необходимо задавать различные значения тока при его обратном смещении и измерять соответствующие им напряжения на стабилитроне. Ток стабилитрона меняйте от нуля до минус 30 мА.
Измерения статических ВАХ стабилитронов полностью повторите при температуре 60С.
Используя результаты полученных измерений, постройте статические ВАХ отдельно для каждого стабилитрона. Графики, соответствующие разным температурам, должны быть расположены на одном рисунке. Для большей наглядности рекомендуется использовать укрупненный масштаб, смещая начало координат по оси напряжений влево.
3.3.3. По статическим ВАХ определите статические параметры стабилитронов и укажите их на графиках /2, раздел 3.4; 3, раздел 3.25/:
– напряжение стабилизации Uст при Iст. ном (значение Iст. ном для каждого из стабилитронов взять из справочника /1/;
– минимальный ток стабилизации Iст.мин.
3.3.4. На основе построенных статических ВАХ рассчитайте дифференциальные параметры стабилитронов /2, раздел 3.4; 3, раздел 3.25/ методом графического дифференцирования:
– дифференциальное сопротивление rст;
С целью сравнения качества приборов дифференциальные параметры стабилитронов рассчитайте при одном и том же значении тока стабилизации, например, 10 мА.
Отчет о работе должен содержать результаты изучения, измерений и вычислений по всем пунктам задания.
Для успешной защиты выполненной работы вы должны уметь объяснить ход и температурную зависимость статических ВАХ стабилитронов, уметь определять статические и дифференциальные параметры этих приборов, уметь оценить качество стабилитронов различных типов.
Рисунок 3.3 – Лицевая панель измерителя статических характеристик стабилитронов
Рисунок 3.4 – Принципиальная электрическая схема измерителя статических характеристик стабилитронов
Литература
1 Аксенов А. И. Отечественные полупроводниковые приборы. Транзисторы биполярные. Диоды. Варикапы. Стабилитроны и стабисторы. Тиристоры. Оптоэлектронные приборы. Аналоги отечественных и зарубежных приборов: Справ. изд. – 6-е изд., доп. и испр. – М.: Солон-Пресс, 2008.–589 с.: ил.
2 Шишкин Г. Г. Электроника: Учеб. для вузов / Г. Г. Шишкин, А. Г. Шишкин. – М. : Дрофа, 2009. – 703 с. : ил.
3 Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учеб. пособие. – 8-е изд., испр. – СПб.: Лань, 2006. – 480 с.: ил.
4 ГОСТ 25529-82. Диоды полупроводниковые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров.
5 ГОСТ 2.730-73. Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые.
4 Биполярный транзистор
4.1 Теоретическая часть
4.1.1 Устройство и принцип действия
Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности электрических сигналов и имеющий три или более выводов. По принципу действия транзисторы разделяют на два основных класса – биполярные и полевые (униполярные). В биполярных транзисторах физические процессы определяются движением носителей заряда обоих знаков – основных и неосновных, что отражено в их названии.
Биполярный транзистор, далее называемый просто транзистором, содержит три полупроводниковые области с чередующимися типами проводимости (n-p-n или p-n-p), которые называются соответственно эмиттером, базой и коллектором; эти области разделены двумя взаимодействующими между собой p-n переходами – эмиттерным и коллекторным. Взаимодействие между переходами обеспечивается благодаря тому, что расстояние между ними (толщина базы) много меньше диффузионной длины неосновных носителей в базе. К полупроводниковым областям созданы омические контакта и внешние выводы. Структура и условное графическое обозначение транзистора приведены на рисунке 4.1: (а) – n-p-n, (б) – p-n-p.
Эмиттер База Коллектор Эмиттер База Коллектор
IЭ IК IЭ IК
n p n p n p
IБ IБ
а) б)
Рисунок 4.1 – Структура и условное графическое обозначение биполярного транзистора
Принцип действия транзисторов обоих типов проводимости одинаков, поэтому будем рассматривать только транзистор типа n-p-n; для транзистора типа p-n-p отличие состоит только в том, что полярность рабочих напряжений и направления токов противоположны.
Принцип действия транзистора можно рассмотреть на примере простейшей одномерной модели, представленной на рисунке 4.2, а. В этой модели p-n-переходы считаются плоскими, а носители движутся только в одном направлении – вдоль оси x, перпендикулярной переходам. Штриховкой показаны обедненные слои p-n переходов; расстояние между ними дает физическую толщину базы WБ, а расстояние между металлургическими границами – технологическую толщину базы WБ0.
Lоб Э WБ Lоб К
Эмиттер База Коллектор
n+ p n
x
Lоб Э WБ0 Lоб К а)
qδφ
qφ0Э qφ0К
Eф
Lоб К б)
q(φ0Э - UЭБ) 1 2
3
Eф Э
1эВ Eф Б q(φ0К + |UКБ|)
Lоб Э WБ Eф К
0,5 мкм
в)
Рисунок 4.2 – Одномерная модель транзистора (а) и энергетические диаграммы в состоянии равновесия (б) и в активном режиме (в).
Энергетическая диаграмма для одномерной модели в состоянии равновесия (при нулевых напряжениях на переходах) показана на рисунке 4.2, б. Она является совмещением энергетических диаграмм p-n-переходов. Равновесная система характеризуется единым уровнем Ферми ЕФ. На границе эмиттера и базы образуется энергетический барьер высотой qφ0Э, а на границе базы с коллектором – барьер высотой qφ0К. Небольшое искривление границ энергетических зон в базе (разность энергий на границах базы qδφ ~ 0,1 эВ) обусловлено внутренним электрическим полем в базе, возникающим вследствие неравномерного распределения акцепторов; их концентрация у границы базы с эмиттерным переходом значительно выше концентрации у границы с коллекторным переходом. Такое распределение примесей характерно для большинства транзисторов.
В активном режиме, являющимся основным для усилительных схем, на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Энергетическая диаграмма в активном режиме приведена на рисунке 4.2, в. Потенциальный барьер эмиттерного перехода уменьшается на значение прямого напряжения UЭБ, что приводит к инжекции электронов из эмиттера в базу. Основное назначение эмиттера – обеспечить максимально возможную при данном прямом токе одностороннюю инжекцию электронов в базу. Для этого концентрация доноров в эмиттере NgЭ на границе с переходом должна быть значительно больше концентрации акцепторов в базе: NgЭ>>NaБ.
Электроны, инжектируемые в базу, движутся к коллекторному переходу. Это движение является совокупностью диффузии и дрейфа. Диффузионное движение обусловлено повышением вследствие инжекции концентрации электронов в базе около эмиттерного перехода, тогда как около коллекторного перехода она мала из-за экстракции полем этого перехода. Диффузия присуща всем типам транзисторов. Дрейфовое движение вызывается внутренним электрическим полем в базе. Транзисторы с неоднородно легированной базой, в которой существенно дрейфовое движение, называют дрейфовыми. Менее распространены бездрейфовые транзисторы с однородно легированной базой, в которой нет внутреннего электрического поля.
Часть электронов, инжектированных в базу, не доходит до коллекторного перехода вследствие рекомбинации. Однако их число невелико, так как толщина базы мала по сравнению с диффузионной длиной электронов.
Электроны, достигающие коллекторного перехода, втягиваются в него электрическим полем и перебрасываются в коллектор. Таким образом, в активном режиме коллектор собирает инжектированные в базу электроны.
В активном режиме токи коллектора и эмиттера почти одинаковы, а их разность равна току базы. Коллекторный ток практически не зависит от напряжения на коллекторном переходе, поскольку при любом обратном напряжении все электроны, достигающие в базе коллекторного перехода, попадают в его ускоряющее поле и уносятся в коллектор. По этой причине дифференциальное сопротивление коллекторного перехода rК = dUКБ/dIК очень велико, что характерно для p-n- переходов, включенных в обратном направлении. В цепь коллектора можно включить нагрузочный резистор с достаточно большим сопротивлением Rн без существенного уменьшения коллекторного тока. В то же время дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (rЭ = dUЭБ/dIЭ), включенного в прямом направлении, очень мало (rЭ << rК). При увеличении эмиттерного (входного) тока на ΔIЭ коллекторный ток возрастает приблизительно на то же значение (ΔIК ~ ΔIЭ). Изменение мощности ΔPвх = ΔIЭΔUЭБ = ΔIЭ2 rЭ, потребляемой в цепи эмиттера, может быть много меньше изменения мошности ΔPвых = ΔIКΔUКБ = ΔIК2 Rн ~ ΔIЭ2 Rн, выделяемой в нагрузке. Говорят, что электрическая схема, содержащая транзистор, источник питания и нагрузочный резистор Rн > rЭ, способна “усиливать” мощность электрического сигнала (ΔPвых > ΔPвх), причем коэффициент усиления по мощности ΔPвых /ΔPвх = Rн / rЭ.
4.1.2 Схемы включения
В схеме с общей базой (ОБ), представленной на рисунке 4.3, а, напряжения на эмиттере UЭБ и коллекторе UКБ отсчитываются относительно базы – общего электрода для входной (эмиттерной) и выходной (коллекторной) цепей.
Эта схема обладает усилением по мощности и напряжению (ΔUКБ > ΔUЭБ), но не обеспечивает усиления тока (ΔIК ~ ΔIЭ) и характеризуется малым входным сопротивлением (равным сопротивлению эмиттерного перехода при прямом напряжении).
Наиболее широко применяется схема с общим эмиттером (ОЭ), представленная на рисунке 4.3, б, в которой напряжения на базе UБЭ и коллекторе UКЭ отсчитываются относительно эмиттерного электрода, общего для входной (базовой) и выходной (коллекторной) цепей. Так как IБ = IЭ – IК << IК, то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔIК >> ΔIБ) и напряжения (ΔUКЭ > ΔUБЭ). Кроме того, ее входное сопротивление ΔUБЭ/ΔIБ = (ΔUБЭ/ΔIЭ)( ΔIЭ/ΔIБ) много больше входного сопротивления схемы ОБ.
В схеме с общим коллектором (ОК), представленной на рисунке 4.3, в, напряжения на базе UБК и эмиттере UЭК отсчитываются относительно коллектора – общего электрода для входной (базовой) и выходной (эмиттерной) цепей. Так как IБ << IЭ, то эта схема обеспечивает усиление тока (ΔIЭ >> ΔIБ), приблизительно такое же, как и схема ОЭ. В отличие от схем ОБ и ОЭ схема ОК не обеспечивает усиления напряжения и поэтому ее часто называют эмиттерным повторителем. К достоинствам следует отнести высокое входное сопротивление, возрастающее при увеличении сопротивления нагрузочного резистора в цепи эмиттера.
IЭ IК IК IЭ
IБ IБ
– + + + _ –
UЭБ UКБ UКЭ UЭК
+ IБ – UБЭ IЭ – UБК IК +
– +
в) а) б)
Рисунок 4.3 – Схемы включения транзистора
4.1.3 Токи в транзисторе
В активном режиме полный ток эмиттера IЭ = IЭn + IЭp + IЭрек состоит из тока IЭn электронов, инжектированных из эмиттера в базу, тока IЭp дырок, инжектированных из базы в эмиттер, и тока IЭрек рекомбинации носителей в эмиттерном переходе. В этой сумме только первый ток является полезным, поскольку он влияет на ток коллектора, два остальных тока являются вредными, и их стремятся уменьшить. С этой целью эмиттер легируют значительно сильнее, чем базу, тогда концентрация электронов в эмиттере будет значительно больше концентрации дырок в базе и IЭn>> IЭp.
Движение электронов, инжектированных в базу, сопровождается рекомбинацией части электронов, поэтому ток IКn электронов, подходящих к коллекторному переходу, меньше тока IЭn на величину IБрек, называемую током рекомбинации в базе, который необходимо уменьшать. IБрек будет тем меньше, чем меньше толщина базы по отношению к диффузионной длине электронов Ln в базе.
Если напряжение на коллекторном переходе значительно меньше напряжения лавинного пробоя и ударная ионизация отсутствует, то полный ток коллектора IК = IКn + IКБ0, где IКБ0 – обратный ток коллектора в схеме с ОБ, не зависящий от тока эмиттера. Как и для одиночного p-n- перехода, обратный ток IКБ0 состоит из токов термогенерации, теплового и утечки. Ток IКБ0 может быть измерен при заданном обратном напряжении на коллекторном переходе и отключенном эмиттере (IЭ = 0).
Ток IКn – управляемый, т. е. зависит от тока эмиттера и может быть представлен как IКn = αIЭ, где α – статический коэффициент передачи тока эмиттера в схеме ОБ. Поскольку IКn < IЭn < IЭ, то α < 1. Таким образом, в активном режиме
IК = IКn + IКБ0 = αIЭ + IКБ0, (1)
откуда
α = (IК - IКБ0)/ IЭ. (2)
Обычно рабочие токи коллектора IК значительно превышают величину IКБ0, тогда можно записать
α = IКn / IЭ = γЭ χБ, (3)
где
γЭ = IЭn / IЭ = IЭn / (IЭn + IЭp + IЭрек) (4)
– коэффициент инжекции эмиттера;
χБ = IКn / IЭn (5)
– коэффициент переноса.
Коэффициент инжекции γЭ показывает, какую часть составляет полезный ток инжекции электронов из эмиттера в базу в полном токе эмиттера. Коэффициент переноса χБ показывает, какая часть электронов, инжектируемых из эмиттера в базу, достигает коллекторного перехода; значение χБ тем ближе к единице, чем меньше электронов рекомбинирует в базе при их движении к коллектору. На коэффициент переноса помимо значений толщины базы и диффузионной длины неосновных носителей существенное влияние оказывает площадь коллекторного перехода. Это объясняется особенностями диффузионного движения носителей заряда. Диффузия происходит как в сторону коллектора, так и в направлении вывода базы и поверхности кристалла, что сопровождается дополнительной рекомбинацией и уменьшением коэффициента переноса. Для уменьшения рассеивания неосновных носителей площадь коллекторного перехода делают значительно больше площади эмиттерного перехода.
Значение коэффициента α зависит от тока эмиттера и напряжения UКБ. В области малых токов эмиттера коэффициент инжекции значительно меньше единицы, поскольку диффузионные токи эмиттерного перехода значительно меньше рекомбинационных. При увеличении тока эмиттера диффузионные токи возрастают быстрее рекомбинационных, поэтому коэффициенты инжекции и переноса увеличиваются, что приводит к росту α. Область больших токов соответствует высокому уровню инжекции, при котором проявляется несколько физических эффектов, приводящих к уменьшению α. Одним из таких эффектов является уменьшение удельного сопротивления базы, вызванное увеличением концентрации инжектированных в базу носителей. Это сопровождается уменьшением коэффициента инжекции и α.
Зависимость α от напряжения UКБ определяется изменением (модуляцией) толщины базы и лавинным умножением носителей зарядов в запирающем слое коллекторного p-n-перехода; то и другое приводит к росту α при увеличении напряжения UКБ.
Из соотношения IБ = IЭ – IК и выражения (1) получаем
IБ = (1 – α)IЭ – IКБ0.
При некотором очень малом токе эмиттера, равном IКБ0 / (1 - α), ток базы равен нулю. Однако рабочие токи эмиттера значительно превышают IКБ0 / (1 - α), и тогда
IБ = (1 – α)IЭ = IЭ – IКn = IЭp + IЭрек + IБрек. (6)
Для схемы ОЭ в активном режиме из (1) и условия IЭ = IК + IБ получаем
IК = βIБ + (1+β) IКБ0 = βIБ + IКЭ0, (7)
где
β = α / (1 – α) = (IК – IКБ0) / (IБ + IКБ0) (8)
– статический коэффициент передачи тока базы.
ГОСТ 20003-74 вводит термин «статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора» с обозначением h21Э как «отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении коллектор-эмиттер и токе эмиттера в схеме с общим эмиттером». Фактически h21Э = β. По аналогии можно ввести обозначение h21Б = α.
В то время как α < 1, значения β могут быть очень большими, напрмер α = 0,99 соответствует β = 100.
Учитывая соотношение между коэффициентами α и β (8), можно сделать вывод о том, что β также зависит от тока эмиттера и напряжения на коллекторном переходе, причем эта зависимость более сильная, чем у α.
Ток IКЭ0 = (1+β) IКБ0 представляет собой неуправляемую (т. е. не зависящую от тока базы) составляющую коллекторного тока и называется обратным током коллектора в схеме с ОЭ. Таким образом, в схеме с ОЭ неуправляемый ток коллектора в β + 1 раз больше, чем в схеме с ОБ. Причина заключается в том, что ток IКБ0 является одной из составляющих базового (входного) тока, усиливаемого транзистором при его включении с ОЭ. Большое значение тока IКЭ0 является существенным недостатком схемы с ОЭ.
4.1.4 Статические вольт-амперные характеристики (ВАХ)
Статическими ВАХ называют графики, выражающие функциональную связь между токами и напряжениями транзистора. В зависимости от того, какие напряжения и токи принимаются за независимые переменные, возможны различные системы функциональной связи и соответствующие им семейства статических характеристик. Среди этих семейств характеристик наибольшее распространение получили статические характеристики, относящиеся к системе, в которой в качестве независимых переменных приняты входной ток и выходное напряжение:
Uвх = f (Iвх, Uвых);
Iвых = f (Iвх, Uвых).
В статическом режиме эти зависимости выражаются четырьмя семействами характеристик:
– входными:
Uвх = f (Iвх) при Uвых = const;
– выходными:
Iвых = f (Uвых) при Iвх = const;
– обратной связи:
Uвх = f (Uвых) при Iвх = const;
– прямой передачи:
Iвых = f (Iвх) при Uвых = const.
Вид характеристик зависит от способа включения транзистора. Для однозначного установления зависимости между токами и напряжениями транзистора достаточно иметь два семейства характеристик. Наибольшее применение получили входные и выходные характеристики. Характеристики обратной связи и прямой передачи применяются редко и могут быть получены из входных и выходных характеристик путем перестроения.
4.1.4.1 Входные характеристики
–UЭБ UКБ = 0
10 В
UКБ
0 IЭ
Рисунок 4.4 – Семейство входных характеристик транзистора, включенного с ОБ
Входными характеристиками транзистора, включенного с ОБ, называют семейство характеристик, выражающих зависимость UЭБ = f (IЭ) при постоянных значениях напряжения UКБ, которое является параметром семейства входных характеристик. Типичное семейство входных характеристик для маломощного n-p-n транзистора показано на рисунке 4.4. Отрицательные значения напряжения UЭБ соответствуют прямому включению эмиттерного перехода. Характеристика для UКБ = 0 практически совпадает с ВАХ p-n-перехода. В активном режиме (UЭБ < 0, UКБ > 0) при увеличении UКБ происходит смещение входной характеристики в область меньших напряжений (вниз). Это обусловлено уменьшением толщины базы за счет расширения области пространственного заряда при увеличении обратного напряжения на коллекторном переходе (эффект Эрли). Если поддерживать постоянным ток IЭ, то градиент концентрации электронов в базе должен оставаться неизменным, т. е. должна уменьшаться концентрация электронов на границе эмиттерного перехода nБЭ (рисунок 4.5,а). Это может происходить только за счет уменьшения напряжения UЭБ.
В режиме насыщения (UЭБ < 0, UКБ < 0) происходит инжекция электронов в базу не только из змиттера, но и из коллектора. Концентрация электронов на границе коллекторного перехода nБК будет возрастать с увеличением прямого напряжения UКБ. Для сохранения постоянного значения тока IЭ необходимо поддерживать постоянство градиента концентрации электронов в
nP IЭ = const
U'КБ > UКБ
U'ЭБ< UЭБ
nБЭ
UКБ > 0
n'БЭ
U'КБ Коллектор
nP0
w'Б x
wБ
Рисунок 4.5, а – Распределение электронов в базе транзистора при различных напряжениях коллектор – база и постоянном токе эмиттера (активный режим)
nP IЭ = const
n'БЭ |U'КБ| > |UКБ|
U'ЭБ > UЭБ
nБЭ U'КБ
UКБ < 0 Коллектор
nP0
wБ x
w'Б
Рисунок 4.5, б – распределение электронов в базе транзистора при различных напряжениях коллектор – база и постоянном токе эмиттера (режим насыщения)
базе (рисунок 4.5, б). Это обеспечивается одновременным ростом концентрации электронов на границе эмиттерного перехода nБЭ за счет увеличения напряжения UЭБ. Таким образом, при увеличении прямого напряжения на коллекторном переходе и постоянном токе IЭ входная характеристика смещается в область больших напряжений (вверх).
UБЭ
UКЭ 10 В
UКЭ = 0
0 IБ
Рисунок 4.6 – Входные характеристики транзистора, включенного с ОЭ
В схеме с ОЭ входные характеристики (рисунок 4.6) – это зависимости UБЭ = f (IБ) с параметром UКЭ. При UКЭ = 0 оба p-n-перехода транзистора оказываются включенными в прямом направлении, т. е. транзистор работает в режиме насыщения. Электроны инжектируются из эмиттера и коллектора в базу, где часть их рекомбинирует с дырками. В цепи базы протекает ток, определяемый рекомбинацией, а также инжекцией дырок из базы в эмиттер и коллектор. Входная характеристика представляет собой ВАХ двух параллельно включенных p-n-переходов. При увеличении напряжения UКЭ транзистор переходит в активный режим (при UКЭ > UБЭ), т. е. коллекторный переход включается в обратном направлении и в цепи базы проходит ток
IБ = IБрек – IКБ0 = (1 – α) IЭ – IКБ0.
При UБЭ = 0 ток эмиттера равен нулю и в цепи базы протекает ток IБ = – IКБ0. Увеличение напряжения UБЭ сопровождается ростом рекомбинационной составляющей тока базы (1 – α) IЭ и при некотором значении UБЭ ток базы становится равным нулю. Дальнейшее увеличение напряжения UБЭ сопровождается ростом тока базы. При одинаковых значениях UБЭ ток базы в активном режиме будет меньше, чем в режиме насыщения. Это обусловлено тем, что прекращается инжекция дырок из базы в коллектор и уменьшается ток рекомбинации из-за снижения заряда электронов в базе. Входная характеристика для активного режима пройдет дальше от оси токов.
При больших обратных напряжениях на эмиттерном переходе наблюдается пробой. Механизм пробоя эмиттерного перехода является туннельным вследствие высокой концентрации примесей. Напряжение пробоя снижается при увеличении концентрации примесей и уменьшении радиуса кривизны эмиттерного перехода; типичные значения составляют 5 – 8 В.
4.1.4.2 Выходные характеристики
Выходными характеристиками транзистора, включенного с ОБ, называют семейство характеристик, выражающих зависимость IК = f (UКБ) при использовании в качестве параметра тока IЭ. Семейство выходных характеристик n-p-n транзистора показано на рисунке 4.7. Область характеристик при UКБ > 0 соответствует активному режиму, где ток коллектора равен IК = αIЭ + IКБ0. Так как α мало отличается от 1, а ток IКБ0 очень мал по сравнению с рабочими значениями IК, то можно считать, что ток коллектора практически равен току эмиттера. Поскольку значение α зависит от IЭ и UКБ, выходные характеристики располагаются неэквидистантно (на различном расстоянии друг от друга) при одинаковых изменениях тока эмиттера.
IК Активный режим
IЭ
4 мА
Режим
насыщения 3 мА
2 мА
1 мА
IЭ = 0
0 Режим отсечки UКБ
Рисунок 4.7 – Семейство выходных характеристик транзистора, включенного с ОБ
Область характеристик при UКБ < 0 и IЭ > 0 относится к режиму насыщения, где с ростом прямого напряжения коллекторного перехода экспоненциально возрастает его ток инжекции. Инжектируемые из коллектора электроны движутся навстречу экстрагируемым из базы, в результате полный ток коллектора уменьшается и даже может изменить направление.
Границей между активным режимом и режимом отсечки является характеристика, снятая при IЭ = 0. Она представляет собой обратную ветвь ВАХ коллекторного p-n-перехода. При увеличении положительного напряжения на коллекторе его ток быстро достигает значения IКБ0. Дальнейший рост положительного напряжения UКБ до определенного значения сопровождается незначительным увеличением тока IК, причиной чего является рост токов генерации и утечки в коллекторном p-n-переходе. При достижении напряжением UКБ некоторого значения коэффициент лавинного умножения становится больше единицы, что сопровождается резким возрастанием тока IК и пробоем коллекторного перехода. Напряжение пробоя коллекторного перехода при IЭ = 0 называют пробивным напряжением коллектор-база и обозначают UКБ0проб. С увеличением токов эмиттера и коллектора напряжение пробоя уменьшается, и лавинный пробой может перейти в тепловой.
Для схемы с ОЭ семейство выходных характеристик n-p-n транзистора приведено на рисунке 4.8; здесь параметром является ток базы. Пологий участок характеристик, где UКЭ > UБЭ (UБЭ = 0,5 ÷ 0,6 В при 25°С), соответствует активному режиму. На этом участке ток коллектора согласно выражению (7) и зависимости β (UКЭ) заметно увеличивается с ростом напряжения UКЭ вследствие повышения β. Таким образом, дифференциальное выходное сопротивление в активном режиме для схемы с ОЭ значительно ниже, чем для схемы с ОБ. Поскольку β зависит от тока эмиттера, а значит и от тока базы, то характеристики неэквидистантны, т. е. при одинаковом изменении тока базы характеристики располагаются на разных расстояниях друг от друга.
Крутые участки характеристик при малых напряжениях UКЭ соответствуют режиму насыщения. При повышении напряжения UКЭ прямое смещение и ток инжекции коллекторного перехода уменьшаются, а коллекторный ток увеличивается. Напряжение коллектор-эмиттер в режиме насыщения при заданных токах коллектора и базы называют напряжением насыщения UКЭнас.
Активный режим
IК IБ
3 мА
Режим
насыщения 2 мА
1 мА
IБ = 0
IБ = –IКБ0
0 Режим отсечки UКЭ0 проб UКЭ
Рисунок 4.8 – Семейство выходных характеристик транзистора, включенного с ОЭ
При больших напряжениях UКЭ наблюдается резкое увеличение тока, обусловленное пробоем. В схеме с ОЭ напряжение пробоя UКЭ0проб значительно ниже, чем в схеме с ОБ. Понижение напряжения лавинного пробоя в схеме с ОЭ объясняют проявлением внутренней положительной обратной связи. Пары носителей заряда, образующиеся в коллекторном переходе при ударной ионизации, разделяются полем этого перехода: электроны переносятся в коллектор, а дырки – в базу. Так как ток базы поддерживается постоянным, то дырки накапливаются в базе и повышают ее потенциал, т. е. прямое напряжение на эмиттерном переходе. Возрастает инжекция электронов в базу из эмиттера. Большая часть электронов проходит через базу в коллекторный переход. Там они в свою очередь вызывают ударную ионизацию, в результате чего увеличивается число дырок, попадающих в базу. Так возникает положительная обратная связь, приводящая к резкому увеличению коллекторного тока. Формула для определения пробивного напряжения коллектор-эмиттер при IБ = 0 имеет вид
UКЭ0проб = UКБ0проб , (9)
где m – коэффициент, зависящий от материала, из которого изготовлен транзистор.
4.1.5 Транзистор как линейный четырехполюсник. Система h-параметров
Транзистор можно рассматривать как четырехполюсник (рисунок 4.9), связь между токами и напряжениями в котором представляется двумя, в общем случае нелинейными функциями. В качестве независимых переменных в них можно выбрать любые две из четырех величин I1, I2, U1, U2. Для большого класса электронных схем, называемых линейными, токи и напряжения складываются из сравнительно больших постоянных составляющих (I=, U=) и малых переменных составляющих, которые можно рассматривать как малые приращения (ΔI, ΔU). Переменные составляющие представляют в этих схемах, типичным примером которых являются усилители, основной интерес. В пределах малых изменений напряжений и токов статические характеристики транзистора приблизительно являются линейными, поэтому функциональные зависимости переменных составляющих также будут линейными. Для линейных схем характерна работа транзистора в активном режиме.
I1 I2
U1 Вход Выход U2
Рисунок 4.9 – Представление транзистора в виде четырехполюсника
Выберем в качестве независимых переменных входной ток I1 и выходное напряжение U2, тогда функциональные зависимости имеют вид U1 = f1 (I1, U2), I2 = f2 (I1, U2). Для малых приращений токов и напряжений получим
ΔU1 = ΔI1 + ΔU2; ΔI2 = ΔI1 + ΔU2. (10)
Пусть приращения ΔI1, ΔU2 представляют собой малые гармонические колебания с комплексными амплитудами , ; приращения зависимых переменных являются также гармоническими колебаниями с комплексными амплитудами , . Частные производные в (10) в этом случае обозначают символами h11, h12, h21, h22, а уравнения четырехполюсника записывают в виде
= h11 + h12; = h21+ h22. (11)
Отсюда вытекает смысл h-параметров, являющихся комплексными величинами:
h11 = / при = 0 – входное сопротивление при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока (т. е. при U2 = U2= const);
h12 = / при = 0 – коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе для переменной составляющей (т. е. при I1 = I1= = const);
h21 = / при = 0 – коэффициент передачи тока при коротком замыкании выхода по переменному току (т. е. при U2 = U2= = const);
h22 = / при = 0 – выходная проводимость при разомкнутом входе для переменной составляющей (т. е. при I1 = I1= = const).Значения h-параметров зависят от постоянных составляющих входного тока (I1=) и выходного напряжения (U2=), от частоты, а также от схемы включения, что отмечается третьим индексом Б, Э, К соответственно для схем ОБ, ОЭ, ОК.
На низких частотах, когда емкостные составляющие токов пренебрежимо малы, h-параметры являются действительными величинами и представляют собой дифференциальные параметры, которые легко определить по статическим характеристикам.
Достоинством системы h-параметров является простота их измерения на низких частотах, поэтому в технических условиях (ТУ) и справочниках по транзисторам низкочастотные параметры приводятся в системе h-параметров. На высоких частотах из-за влияния паразитных емкостей трудно осуществить режим разомкнутого входа для переменных составляющих, что сильно снижает точность измерений.
4.1.6 Определение h-параметров по статическим характеристикам
Рассмотрим пример определения h-параметров транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Для нахождения h11э, h12э используются входные характеристики (рисунок 4.10). Пусть I1= = IБ = 20 мкА, U2= = UКЭ = 10 В. Через точку А, соответствующую этим значениям, проводим горизонтальную прямую до пересечения с соседней характеристикой в точке В, получаем приращение ΔUБЭ = 0,04 В, соответствующее изменению ΔUКЭ = 9 В, следовательно, h12э= ΔUБЭ/ ΔUКЭ = 0,04 / 9 = 0,0044. Далее проводим через точку А вертикальную прямую до пересечения с соседней характеристикой в точке С и получаем приращение ΔIБ = 12 мкА, соответствующее изменению ΔUБЭ = 0,04 В. В этом случае h11э= ΔUБЭ/ ΔIБ = 3,3 кОм.
Для определения h21э, h22э используем выходные характеристики (рисунок 4.11). Проводя через точку А вертикальную прямую до пересечения с соседней характеристикой в точке В, получаем ΔIК1 = 2мА при изменении тока базы от 20 до 40 мкА (ΔIБ = 20 мкА) и UКЭ = 10 В, следовательно, h21э = ΔIК1 /ΔIБ = 100. Выберем в окрестности точки А точку С, лежащую на той же характеристике так, чтобы в пределах отрезка АС характеристика была линейной. Получим приращение тока ΔIК2 = 0,4 мА и соответствующее ему приращение напряжения ΔUКЭ = 4 В при заданном токе базы 20 мкА, следовательно, h22э = ΔIК2/ ΔUКЭ = 4*10-4/ 4 = 10-4 См.
Примечание. Обратите внимание на то, что h21э – дифференциальный (малосигнальный) параметр, а h21Э – статический параметр.
IБ, мкА
1В
40
10В
С
UКЭ= 0 ΔIБ
20 В А
ΔUБЭ
0 0,2 0,4 0,6 0,8 UБЭ, В
Рисунок 4.10 – Определение h11э, h12э по входным характеристикам
IК, мА
8 IБ= 40 мка
6 B
IБ= 20 мка
4 ΔIК1
A
2 C ΔIК2
ΔUКЭ
10 20 UКЭ, В
Рисунок 4.11 – Определение h21э, h22э по выходным характеристикам
4.2 Цель работы
Научиться определять статические и дифференциальные параметры БТ.
4.3 Задачи
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– провести измерения и построить статические вольтамперные характеристики (ВАХ) БТ, включенного по схеме с общей базой (ОБ) или по схеме с общим эмиттером (ОЭ) (по заданию преподавателя);
– определить и рассчитать статические параметры БТ;
4.4 Порядок работы и методы решения задач
4.4.1 Из справочника /1/ выпишите кратко основные электрические и эксплуатационные параметры исследуемого БТ, выполните эскиз внешнего вида с указанием расположения выводов, запишите маркировку и зарисуйте условное графическое обозначение /5/.
4.4.2. Изобразите включение БТ по схеме с ОБ или с ОЭ в активном режиме /2, раздел 4.1/, укажите токи и напряжения во входной и выходной цепях. Дайте эскиз структуры БТ.
4.4.3 С помощью лабораторного макета проведите измерения семейств статических входных и выходных характеристик БТ /2, раздел 4.3; 3, раздел 4.8/.
Измерение статических характеристик с помощью лабораторного макета производится по точкам методом вольтметра-амперметра. При измерении статических входных характеристик БТ необходимо задавать различные значения входного тока и измерять соответствующие им значения напряжения на входных электродах БТ. В случае схемы с ОБ изменение входного тока проводится от нуля до максимального показания измерительного прибора «Ток на входе» на самом грубом пределе измерения (9 мА). При включении транзистора с ОЭ входной ток необходимо изменять от нуля до значения, при котором выходной ток (ток коллектора) достигнет значения 20 мА. В процессе измерения входных характеристик напряжение на выходе БТ поддерживайте постоянным. Входную характеристику измерьте при напряжениях на выходе (напряжение коллектора) Uвых = 0; 0,5; 5; 10 В.
При измерении выходных ВАХ БТ (за исключением соответствующих нулевому входному току) необходимо различать режим насыщения и активный режим. В режиме насыщения необходимо, регулируя напряжение на выходе, задавать различные значения выходного тока, начиная с нуля, и фиксировать соответствующие им значения напряжения на выходе. В активном режиме следует задавать различные значения напряжения на выходе (максимальное – 10 В) и фиксировать соответствующие им значения выходного тока. Входной ток в обоих случаях поддерживается постоянным. Помните, что в схеме с ОБ режим насыщения наблюдается при прямом напряжении на выходе, активный – при обратном, поэтому при измерении выходной ВАХ необходимо переключать полярность напряжения на выходе. В схеме с ОЭ режим насыщения соответствует небольшим значениям обратного напряжения на выходе (от нуля до десятых долей вольта), о переходе в активный режим будет свидетельствовать слабая зависимость выходного тока от выходного напряжения. Измерения в режиме насыщения проводите на самом чувствительном пределе прибора «Напряжение коллектора» (1,6 В).
Выходную характеристику БТ измерьте при следующих постоянных значениях входного тока:
- для схемы с ОБ Iэ = 0; 0,3; 1,0; 6,0; 9,0 мА;
- для схемы с ОЭ Iб = 0; 0,05; 0,1; 0,15 мА.
4.4.4 Используя результаты полученных измерений, постройте семейства входных и выходных характеристик БТ, покажите на них области, соответствующие режиму отсечки, режиму насыщения и активному режиму. Оси координат должны быть обозначены в соответствии со схемой включения транзистора, т. е. в качестве входных и выходных величин указаны конкретные напряжения и токи (например, Uкб, Iэ и т. д.).
4.4.5 По статическим ВАХ БТ определите (рассчитайте) его статические параметры /3, раздел 4.6; 4/:
а)для схемы с ОБ: б)для схемы с ОЭ:
- h21Б и h21Э при Uкб = 5 В и Iэ = 1 мА; - h21Э при Uкэ = 5 В и Iэ = 1 мА;
- Iкбо при Uкб = 5 В; - Iкэо при Uкэ = 5 В;
- Uкэ нас при Iб = 0,1 мА и Iк = 1 мА.
В случае схемы с ОБ при расчете h21Э используйте соотношение, связывающее h21Б и h21Э /3, формула 4.48/.
Используя построенные статические ВАХ БТ, рассчитайте его дифференциальные (малосигнальные) параметры /2, раздел 4.4; 3, раздел 4.10; 4/:
а)для схемы с ОБ: б)для схемы с ОЭ:
h11б; h12б; h22б; h21б h11э; h12э; h22э; h21э
при Iэ = 1 мА; Uкб = 5 В; при Iб = 0,1 мА; Uкэ = 5 В.
При расчете дифференциальных параметров БТ методом графического дифференцирования величины приращений токов и напряжений на электродах БТ необходимо выбрать такими, чтобы в пределах этих приращений участок статической ВАХ БТ оставался линейным.
Отчет о выполненной работе должен содержать информацию об исследуемом транзисторе (пункты 4.4.1, 4.4.2), результаты измерений (в виде таблиц), расчеты, графики ВАХ. обязательно наличие поясняющих записей.
Для успешной защиты выполненной работы вы должны знать основные статические и дифференциальные параметры БТ, уметь пояснить ход его статических ВАХ, эффект усиления с его помощью, уметь изобразить условное обозначение БТ, сравнить с другими типами усилительных приборов.
Литература
1 Аксенов А. И. Отечественные полупроводниковые приборы. Транзисторы биполярные. Диоды. Варикапы. Стабилитроны и стабисторы. Тиристоры. Оптоэлектронные приборы. Аналоги отечественных и зарубежных приборов: Справ. изд. – 6-е изд., доп. и испр. – М.: Солон-Пресс, 2008.–589 с.: ил.
2 Шишкин Г. Г. Электроника: Учеб. для вузов / Г. Г. Шишкин, А. Г. Шишкин. – М. : Дрофа, 2009. – 703 с. : ил.
3 Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учеб. пособие. – 8-е изд., испр. – СПб.: Лань, 2006. – 480 с.: ил.
4 ГОСТ 20003-74. Транзисторы биполярные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров.
5 ГОСТ 2.730-73. Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые.
5 Полевой транзистор
5.1 Теоретические сведения
5.1.1 Типы полевых транзисторов, принцип действия, область применения
Полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, в которых используется движение основных носителей заряда под воздействием продольного электрического поля через канал, электропроводностью которого можно управлять с помощью поперечного электрического поля. Область, из которой носители заряда выходят (истекают) в канал, называется истоком, а область, в которую они входят (стекают) – стоком. Напряжение, изменяющее электропроводность канала, прикладывается между управляющим электродом - затвором и истоком.
Структуры полевых транзисторов очень разнообразны. В большинстве из них канал представляет собой слаболегированный тонкий слой, расположенный либо непосредственно у поверхности полупроводникового кристалла, либо на некотором расстоянии от поверхности параллельно ей. Таким образом носители движутся вдоль поверхности. Исток и сток обычно сильнолегированные области.
Существуют три типа полевых транзисторов, различающихся физической структурой и способом управления проводимостью канала. В полевых транзисторах с изолированным затвором между металлическим затвором и каналом расположен слой диэлектрика так, что образуется структура металл – диэлектрик – полупроводник (МДП). По этой причине такие транзисторы называют также МДП-транзисторами. Поперечное электрическое поле, проникая через тонкий слой диэлектрика, управляет концентрацией носителей заряда в канале. В зависимости от способа изменения типа электропроводности на поверхности кристалла различают МДП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналами. В транзисторах, изготовленных на основе кремния, в качестве диэлектрика обычно используется диоксид кремния SiO2, поэтому их обычно называют МОП-транзисторами.
В полевых транзисторах с управляющим переходом металл – полупроводник металлический электрод затвора образует с приповерхностным слоем канала выпрямляющий контакт, на который в рабочем режиме подается обратное напряжение. Оно изменяет толщину обедненного слоя контакта и тем самым управляет толщиной проводящей части канала, количеством носителей заряда в канале и током через него. В полевых транзисторах с управляющим p-n переходом в качестве затвора используется область противоположного типа проводимости по отношению к каналу, образующая с ним p-n переход, который в рабочем режиме имеет обратное включение. Напряжение на затворе изменяет толщину обедненного слоя управляющего p-n перехода и тем самым толщину проводящей части канала, число носителей заряда в нем и, следовательно, ток в канале.
Полевые транзисторы различают также по типу проводимости канала: с каналом p- или n-типа.
Характерным для всех полевых транзисторов является очень малый ток в цепи затвора, так как затвор либо изолирован, либо образует с каналом управляющий переход, включаемый в обратном направлении. Так как затвор в электрических схемах обычно является входным электродом, то полевой транзистор обладает высоким входным сопротивлением на постоянном токе (более 108 ÷ 1010 Ом). В этом заключается важнейшее отличие полевых транзисторов от биполярных: во входной цепи последних (обычно базовой) протекает значительный ток при прямом напряжении на переходе эмиттер-база. Поэтому входное сопротивление биполярных транзисторов весьма мало (десятки – сотни Ом в схемах с общей базой и общим эмиттером).
В связи с указанным различием входных сопротивлений иногда говорят, что полевой транзистор – это прибор, управляемый напряжением (электрическим полем), а биполярный – прибор, управляемый током. В приборах, управляемых напряжением, напряжение на входном электроде прибора из-за высокого входного сопротивления Rвх практически не зависит от параметров самого прибора и определяется ЭДС генератора входного сигнала, если Rвх >> Rген, где Rген – внутреннее сопротивление генератора. В приборах, управляемых током, входной ток из-за малого входного сопротивления прибора слабо зависит от параметров прибора и определяется током генератора входного сигнала (при Rвх << Rген).
В настоящее время наибольшее применение находят транзисторы с изолированным затвором, прежде всего благодаря внедрению микроэлектроники. МОП-транзисторы широко используются в кремниевых сверхбольших интегральных схемах (СБИС): микропроцессорах, микроЭВМ, запоминающих устройствах большой информационной емкости, устройствах медицинской электроники и др. Мощные МОП-транзисторы применяются в переключающих схемах.
Транзисторы с управляющим переходом металл – полупроводник на арсениде галлия используются для создания сверхскоростных цифровых интегральных микросхем и в СВЧ-устройствах. Транзисторы с управляющим p-n переходом на кремнии используются в основном как низкочастотные дискретные приборы.
5.1.2 Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
5.1.2.1 Устройство и принцип действия
Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом могут быть изготовлены на основе кристалла полупроводника n- или p-типа.
Упрощенная структура кристалла полевого транзистора с управляющим p-n- переходом, изготовленного на основе полупроводника n-типа, показана на рисунке 5.1. Транзистор состоит из области n-типа и двух областей p-типа. Области p-типа электрически соединяются вместе и образуют затвор.
Рисунок 5.1 – структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
На границах раздела полупроводников n- и p-типа образуются обедненные слои (или области пространственного заряда (ОПЗ), поскольку в них присутствует нескомпенсированный заряд ионов примесей), обладающие высоким сопротивлением. Канал представляет собой часть полупроводниковой области n-типа, заключенную между p-n-переходами. Если к каналу подсоединить внешний источник постоянного напряжения, в канале создается продольное электрическое поле, под действием которого электроны в канале перемещаются в сторону положительного полюса источника.
Движение основных носителей заряда в канале за счет напряжения на стоке относительно истока UСИ обусловливает прохождение тока в канале и в цепи стока IС.
На затвор относительно истока подается напряжение UЗИ, смещающее p-n переходы затвор – канал в обратном направлении. При увеличении напряжения источника UЗИ обратное напряжение на p-n-переходах увеличивается, запирающие слои расширяются, уменьшая сечение канала. При этом электропроводность канала и проходящий через него ток уменьшаются. Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно управлять током, проходящим через канал полевого транзистора. При некотором напряжении на затворе может произойти смыкание областей объемного заряда, т. е. канал перекрывается. Напряжение на затворе (при UЗИ = 0), при котором канал перекрывается, называется напряжением отсечки и обозначается UЗИ отс.
эффективное управление сечением канала происходит в том случае, если запирающий слой p-n перехода располагается в основном в полупроводнике n-типа. Это достигается выбором концентрации доноров и акцепторов таким образом, чтобы выполнялось условие NА >> NД. На высокую концентрацию акцепторов указывает знак «+» в обозначении p-области (p+).
Когда UСИ не равно 0, в канале протекает ток стока IС. Если выбрать сечение канала на расстоянии x от истока, то падение напряжения на этом участке U(x) будет пропорционально сопротивлению участка канала и току IС. В сечении x напряжение на управляющем p-n-переходе складывается из напряжений UЗИ и U(x).
Напряжение U(x) при изменении x от 0 до l (l – длина канала) изменяется от 0 до UСИ. По этой причине ширина запирающего слоя увеличивается, а сечение канала уменьшается при приближении к стоку (рисунок 5.1).
Таким образом, ширина канала, определяющая его сопротивление, и ток стока IС зависят от напряжений UЗИ и UСИ. если начиная c некоторой точки x сумма напряжений UЗИ и U(x) будет равна, а затем превысит напряжение UЗИ отс, произойдет перекрытие канала. В действительности полного перекрытия канала путем увеличения напряжения UСИ получить нельзя, поскольку само перекрытие является следствием прохождения тока стока. В результате автоматически устанавливается некоторая малая ширина канала.
На рисунке 5.2 показано условное графические обозначения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и схема включения с общим истоком.
|
а) б) |
в) |
Рисунок 5.2 –Условные графические обозначения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом (а – с каналом n-типа, б – с каналом p-типа) и схема включения с общим истоком (в)
5.1.2.2 Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
Статические выходные (стоковые) характеристики. Семейство стоковых характеристик полевого транзистора, выражающих зависимость IС = f (UСИ) при UЗИ = const, изображено на рисунке 5.3. Рассмотрим стоковую характеристику, снятую при UЗИ = 0.
Если бы сопротивление канала не зависело от проходящего через него тока стока IС, ток IС был бы связан с напряжением UСИ линейной зависимостью. Но ток IС создает на сопротивлении канала падение напряжения U(x), увеличивающее области объемного заряда переходов. Вследствие этого увеличение напряжения UСИ сопровождается уменьшением площади сечения канала и увеличением его сопротивления, что приводит к замедлению роста тока IС. При некотором напряжении на стоке, обозначаемом UСИ нас и называемом напряжением насыщения канал в области стока перекрывается. это происходит при |UСИ нас| = |UЗИ отс|. Ток стока, при котором перекрывается канал, называют начальным и обозначают IС нач. Если к затвору полевого транзистора приложить напряжение UЗИ, смещающее p-n-переход в обратном направлении, то перекрытие канала наступит при меньшем значении напряжения UСИ. Это объясняется тем, что к p-n переходу между затвором и стоком прикладывается обратное напряжение, равное |UЗИ| + |UСИ|. Смыкание переходов произойдет при условии равенства этого суммарного напряжения напряжению отсечки:
|U'СИ нас| + |U'ЗИ| = |UЗИ отс| = |UСИ нас|. (1)
Учитывая, что в полевых транзисторах с каналом n-типа UСИ > 0, а UЗИ < 0 и UЗИ отс < 0, из уравнения (1) получаем
|U'СИ нас| = |UСИ нас| – |U'ЗИ|. (2)
ICнач - - - - - - - -
Рисунок 5.3 – Семейство выходных (стоковых) характеристик полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
Область стоковых характеристик, соответствующая напряжениям 0 < UСИ < UСИ нас, называется крутой или омической. Последнее название связано с тем, что дифференциальное сопротивление канала полевого транзистора в данной области определяется напряжением на затворе. Вследствие этого полевые транзисторы широко используются в качестве переменных резисторов, управляемых электрическим способом.
Участки стоковых характеристик, снятые при UСИ > UСИ нас, соответствуют перекрытию канала (или насыщению). При напряжении UСИ, большем напряжения перекрытия, увеличиваются длина перекрытой части канала и его сопротивление. Если бы длина перекрытой части канала линейно зависела от напряжения UСИ, то с его ростом пропорционально увеличивалось бы сопротивление канала, а проходящий через него ток стока оставался постоянным. На самом деле длина перекрытой части канала зависит от напряжения UСИ так же, как глубина проникновения области объемного заряда δ в канал, определяемая формулой
. (3)
Согласно уравнению (3), длина перекрытой части канала и его сопротивление пропорциональны и увеличиваются с ростом напряжения UСИ более медленно. Поэтому в области перекрытия канала увеличение напряжения UСИ сопровождается небольшим возрастанием тока стока.
Стоковые характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом могут быть достаточно точно представлены аналитической зависимостью тока IС от напряжений UЗИ, UСИ и UЗИ отс:
для крутой области
; (4)
для пологой области
. (5)
Начальный ток стока IС нач и напряжение отсечки UЗИ отс определяются размерами канала (L и b) и физическими параметрами полупроводникового кристалла (подвижностью основных носителей, диэлектрической проницаемостью), а также законом распределения примесей в канале.
Статические характеристики передачи. Статическая вольт-амперная характеристика передачи, называемая также стокозатворной, проходной или характеристикой управления полевого транзистора, отображает зависимость IС = f (UЗИ) при UСИ = const в режиме перекрытия канала. Следовательно, эта характеристика описывается уравнением (5). Семейство характеристик передачи изображено на рисунке 5.4. Вид характеристики показывает, что при увеличении напряжения UЗИ, смещающего p-n-переход в обратном направлении, ток стока уменьшается, а при UЗИ = UЗИ отс ток стока становится равным нулю. Таким образом характеристика передачи полевого транзистора может быть использована для определения напряжения отсечки.
UЗИотс
Рисунок 5.4 – семейство передаточных (стокозатворных) характеристик полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
5.1.3 МОП-транзисторы с индуцированным каналом
5.1.3.1 Устройство и принцип действия
Упрощенная структура МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рисунке 5.5. В полупроводнике p-типа, называемом подложкой, методом диффузии образованы две n+ -области, не имеющие между собой электрического соединения. Одна из них называется стоком, другая – истоком. Эти области отделены друг от друга двумя включенными встречно p-n-переходами, образованными на границах n+- и p-областей. Поэтому если между стоком и истоком включить источник постоянного напряжения UСИ, то в цепи потечет очень малый ток, обусловленный обратным током p-n-переходов.
Рисунок 5.5 – структура МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа
Если к металлическому затвору приложить положительное напряжение относительно подложки, то под действием электрического поля начнется оттеснение дырок от поверхности полупроводника, расположенной напротив затвора, в глубину полупроводника. В результате этого концентрация дырок в приповерхностном слое уменьшается, а концентрация электронов увеличивается. При некотором значении внешнего напряжения на затворе концентрация электронов в этом слое может оказаться больше, чем концентрация дырок. Произойдет инверсия типа электропроводности. Слой с инверсной электронной электропроводностью, отделенный от полупроводника p-типа областью, обедненной свободными носителями заряда, соединяет n+-области стока и истока, т. е. служит каналом.
Если между стоком и истоком включить внешний источник напряжения UСИ, то при некотором значении напряжения на затворе, которое называется пороговым (UЗИ пор), в цепи сток – исток пойдет электрический ток. В канале транзистора этот ток обусловлен движением электронов. Так как электроны должны двигаться от истока к стоку, источник внешнего напряжения UСИ следует подключать положительным полюсом к стоку, а отрицательным – к истоку. Из-за падения напряжения на канале при прохождении по нему тока поперечное электрическое поле вблизи истока оказывается больше, чем вблизи стока, вследствие чего концентрация электронов в канале у истока больше, чем у стока. При увеличении положительного напряжения на затворе концентрация электронов в инверсном слое в будет увеличиваться. Это приведет к увеличению электропроводности канала и к росту тока стока. Режим работы полевого транзистора, при котором увеличение абсолютного значения напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока, называется режимом обогащения. Следовательно, МОП-транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения и поэтому их иногда называют полевыми транзисторами обогащенного типа.
На рисунке 5.6 даны условные графические обозначения МОП-транзисторов с индуцированным каналом.
а) б)
Рисунок 5.6 Условное графическое обозначение МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа (а) и p-типа (б)
5.1.3.2 Статические характеристики МОП-транзисторов с индуцированным каналом
На рисунке 5.7 показаны статические выходные (стоковые) характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа. Эти характеристики снимаются при напряжениях на затворе, превышающих пороговое напряжение.
Рисунок 5.7 – Выходные (стоковые) характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа
Если бы с ростом напряжения UСИ концентрация электронов в индуцированном канала не изменялась, его сопротивление оставалось бы постоянным, а зависимость IC = f (UСИ) – линейной. Но вследствие протекания тока стока происходит падение напряжения вдоль канала, поэтому напряжение затвор-подложка уменьшается при движении от истока к стоку. Это приводит к тому, что концентрация электронов в канале у стока оказывается меньшей, чем у истока, и сопротивление канала растет с ростом напряжения UСИ. При некотором значении напряжения UСИ = UЗИ – UЗИпор, называемом напряжением насыщения, напряжение между затвором и подложкой вблизи стока становится меньше порогового, вследствие чего концентрация электронов в канале у стока становится равной нулю – происходит перекрытие канала и ограничение тока стока, как в транзисторах с управляющим p-n-переходом.
При увеличении напряжения UЗИ стоковые характеристики смещаются вверх. Это обусловлено увеличением концентрации электронов в канале и, как следствие, его электропроводности.
Анализ показывает, что стоковые характеристики МДП-транзисторов описываются следующими аналитическими зависимостями:
в крутой области
; (6)
в пологой области
. (7)
Здесь – коэффициент (А/В)2, именуемый удельной крутизной. Как видно из формулы, она зависит от длины и ширины канала, материала диэлектрика и его толщины, а также от подвижности носителей в канале..
Статические характеристики передачи, или стокозатворные характеристики МОП-транзистора с индуцированным каналом, выражают зависимость IC = f (UЗИ) при UСИ = const. Эти характеристики (рисунок 5.8) обычно приводятся для режима насыщения и описываются уравнением (7).
Рисунок 5.8 – Передаточные (стокозатворные) характеристики МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа.
5.1.4 МОП-транзисторы со встроенным каналом
5.1.4.1 Устройство и принцип действия
Рисунок 5.9 – структура МОП-транзистора со встроенным каналом n-типа
В МОП-транзисторах со встроенным каналом на стадии их изготовления между областями стока и истока технологическим путем создается тонкий приповерхностный слой (канал) с таким же типом электропроводности, что и электропроводность областей стока и истока (рисунок 5.9). Поэтому в таких транзисторах при нулевом напряжении на затворе включение источника постоянного напряжения между стоком и истоком сопровождается прохождением через канал некоторого тока, называемого начальным током стока. Увеличение положительного напряжения на затворе МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа приводит к увеличению концентрации электронов в канале и увеличению тока стока. При подаче на затвор такого транзистора отрицательного напряжения происходит отток электронов в глубину полупроводника, концентрация электронов в канале и его электропроводность уменьшаются, что приводит к уменьшению тока стока. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки (UЗИ отс) произойдет инверсия типа электропроводности канала, и n-области стока и истока окажутся разделенными областью полупроводника p-типа. Ток стока уменьшится до значения, определяемого обратным током p-n-перехода.
Режим работы полевого транзистора, при котором увеличение по абсолютной величине напряжения на затворе приводит к уменьшению тока стока, называется режимом обеднения. Следовательно, МОП-транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения и называются полевыми транзисторами обедненного типа.
На рисунке 5.10 даны условные графические обозначения МОП-транзисторов со встроенным каналом.
Рисунок 5.10 Условное графическое обозначение МОП-транзистора со встроенным каналом n-типа (а) и p-типа (б)
5.1.4.2 Статические характеристики МОП-транзисторов со встроенным каналом
Режим обогащения
Режим обеднения
Рисунок 5.11 – Выходные (стоковые) характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа
Выходные (стоковые) статические характеристики МОП-транзисторов со встроенным каналом отличаются от аналогичных характеристик МОП-транзисторов с индуцированным каналом тем, что содержат характеристики, снятые как при отрицательных, так и при положительных напряжениях на затворе (рисунок 5.11). На характеристиках заметно выражены две области: крутая, соответствующая неперекрытому каналу, и пологая, соответствующая перекрытому каналу, или режиму насыщения тока стока. Наклон характеристик и сопротивление канала транзистора в крутой области определяются напряжением на затворе. Ток стока в МДП-транзисторах со встроенным каналом связан с напряжениями UСИ, UЗИ, UЗИотс такими же аналитическими зависимостями (4) и (5), как в полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом.
передаточные (стокозатворные) характеристики МОП-транзистора со встроенным каналом отличаются от аналогичных характеристик полевых транзисторов других типов тем, что имеют участки при положительных и отрицательных напряжениях на затворе. На рисунке 5.10 показаны передаточные характеристики МОП-транзистора со встроенным каналом n-типа. Увеличение положительного напряжения на затворе приводит к увеличению концентрации электронов в канале и увеличению тока стока, а увеличение отрицательного напряжения на затворе сопровождается уменьшением концентрации и снижением тока стока. При UЗИ = UЗИ отс транзистор запирается и IС = 0. Аналитическая зависимость тока стока от напряжений UЗИ и UЗИ отс в МОП-транзисторах со встроенным каналом определяется выражением (5).
Режим обеднения Режим обогащения
UЗИотс
Рисунок 5.12 – Передаточные (стокозатворные) характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа
5.1.5 Полевой транзистор как линейный четырехполюсник. Дифференциальные параметры полевых транзисторов
В режимах работы с малыми амплитудами сигнала ПТ любого типа, как и биполярный транзистор, можно представить в виде линейного четырехполюсника. Из-за высокого входного сопротивления полевых транзисторов наиболее подходящей как с позиций измерений, так и использования является система y-параметров. В этой системе токи затвора и стока рассматриваются как функции напряжений UЗИ и UСИ:
IЗ = f (UЗИ, UСИ); IС = f (UЗИ, UСИ).
Уравнения четырехполюсника имеют вид:
;
.
Если заменить малые комплексные амплитуды бесконечно малыми приращениями, то из этих формул можно получить выражения для полных дифференциалов токов:
; (8)
. (9)
Частные производные в уравнениях (8) и (9) являются дифференциальными g-параметрами полевого транзистора; g-параметры – это вещественные части соответствующих y-параметров.
5.1.5.1. Проводимость прямой передачи или крутизна стокозатворной характеристики
UСИ = const.
Она показывает, на сколько миллиампер (ампер) изменяется ток стока, если при постоянном UСИ напряжение на затворе меняется на 1В. Крутизна позволяет сравнить транзисторы по их управляющим свойствам. Значения S лежат в пределах от 0,5 мА/В до нескольких ампер на вольт и в значительной мере определяются отношением ширины канала b к его длине l (с ростом b/l крутизна растет) и подвижностью носителей заряда. Так как подвижность электронов больше подвижности дырок, то при одинаковых размерах и разности напряжений UЗИ – Uпор крутизна n-канальных транзисторов выше, чем p-канальных.
В МОП-транзисторах для повышения крутизны необходимо уменьшать толщину подзатворного диэлектрика.
5.1.5.2. Выходная проводимость
UЗИ = const.
Наиболее часто используется не выходная проводимость, а выходное (внутреннее) сопротивление
Ri = 1/g22 и =
UЗИ = const.
Внутреннее сопротивление составляет от нескольких десятков до сотен килоом.
5.1.5.3. Статический коэффициент усиления по напряжению
.
IС = const
Он показывает, во сколько раз изменение напряжения на затворе больше влияет на ток стока, чем изменение напряжения на стоке. Значение μу может достигать нескольких сотен.
Дифференциальные параметры можно определить по статическим характеристикам транзистора (рисунки 8 и 9), используя формулы:
; ; .
UСИ = const UЗИ = const
Поскольку характеристики полевых транзисторов нелинейны, значения дифференциальных параметров зависят от положения выбранной рабочей точки (режима по постоянному току), т. е. значений напряжений UСИ и UЗИ.
5.2 Цель работы
Научиться определять статические и дифференциальные параметры ПТ.
5.3 Задачи
Для достижения поставленной цели вам необходимо решить следующие задачи:
– провести измерения и построить статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) МОП-тразистора или ПТ с управляющим p-n-переходом (по заданию преподавателя);
– определить статические параметры ПТ;
– рассчитать дифференциальные параметры ПТ.
5.4 Порядок работы и методы решения задач
5.4.1 Из справочника /1/ выпишите кратко основные электрические параметры исследуемого ПТ, выполните эскиз внешнего вида со схемой расположения выводов, зарисуйте условное графическое обозначение /5/, расшифруйте маркировку ПТ.
Изобразите схему включения ПТ с общим истоком в активном режиме /2, раздел 6.1/, укажите токи и напряжения во входной и выходной цепях. Дайте эскиз структуры ПТ.
5.4.2 С помощью лабораторного макета, передняя панель которого с элементами управления и контроля режимов ПТ показана на рисунке 6.1, проведите измерения статических выходных и передаточных характеристик ПТ /2, раздел 6.3, 3, разделы 6.1, 6.5/.
Измерение статических ВАХ с помощью лабораторного макета производится по точкам методом вольтметра-амперметра.
Принципиальная электрическая схема измерительного макета приведена на рис. 6.2.
Определите по справочнику /1/ тип проводимости канала исследуемого вами ПТ и переведите ключи измерения полярности напряжения на стоке и затворе в положение, соответствующее его работе в активном режиме (см. рисунок 6.1). Подключите испытуемый ПТ к измерительному блоку.
При измерении выходных ВАХ ПТ необходимо задавать различные напряжения на стоке и измерять соответствующие им токи стока. Напряжение на стоке меняйте от нуля до 10 В.
Выходную характеристику ПТ измерьте четыре раза при постоянных напряжениях на затворе Uзи = 0; 0,25; 0,5 и 1,0 В.
При измерении передаточной характеристики ПТ необходимо задавать различные напряжения на затворе и измерять соответствующие им значения тока стока при условии постоянства напряжения между стоком и истоком.
Напряжение на затворе меняйте от нуля до значений, при которых Iс 0.
Передаточную характеристику измерьте четыре раза при постоянных напряжениях на стоке Uси = 0,5; 1,0; 5,0 и 10 В.
5.4.3 Используя результаты полученных измерений, постройте семейства выходных и передаточных характеристик ПТ.
5.4.4 По статическим ВАХ ПТ определите его статические параметры и укажите их на графиках /3, разделы 6,1 и 6.5; 4/:
– начальный ток стока Iс нач при UСИ = 10 В;
– напряжение отсечки Uзи отс или пороговое напряжение UЗИ пор (в зависимости от типа транзистора) при IС = 0,01 мА;
– напряжение насыщения Uси нас при Uзи = 0; 0,25; 0,5 и 1,0 В.
На основе построенных статических ВАХ ПТ рассчитайте его дифференциальные параметры /2, раздел 6.5; 4/ методом графического дифференцирования:
– активную составляющую g22и полной выходной проводимости ПТ при Uси = 10 В; Uзи = 0;
– крутизну характеристики S при Uзи = 0 и при напряжениях Uси = 0,5; 1,0; 5,0 и 10 В;
– коэффициент усиления при Uзи = 0 и Uси = 10 В.
Постройте зависимость крутизны S от напряжения Uси.
При расчете дифференциальных параметров ПТ методом графического дифференцирования величины приращений токов и напряжений на электродах ПТ необходимо выбирать такими, чтобы в пределах этих приращений участок статической ВАХ ПТ оставался линейным.
Отчет о работе должен содержать результаты измерений и вычислений по всем пунктам задания.
Для успешной защиты выполненной работы вы должны знать принцип работы ПТ с управляющим p-n-переходом, его основные статические и дифференциальные параметры, уметь их определять, уметь пояснить ход статических ВАХ, сравнить с другими типами усилительных приборов.
Рисунок 5.13 – Лицевая панель измерителя статических характеристик полевых транзисторов
Рисунок 5.14 – принципиальная электрическая схема измерителя статических характеристик полевых транзисторов
Литература
1 Аксенов А. И. Отечественные полупроводниковые приборы. Транзисторы биполярные. Диоды. Варикапы. Стабилитроны и стабисторы. Тиристоры. Оптоэлектронные приборы. Аналоги отечественных и зарубежных приборов: Справ. изд. – 6-е изд., доп. и испр. – М.: Солон-Пресс, 2008.–589 с.: ил.
2 Шишкин Г. Г. Электроника: Учеб. для вузов / Г. Г. Шишкин, А. Г. Шишкин. – М. : Дрофа, 2009. – 703 с. : ил.
3 Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учеб. пособие. – 8-е изд., испр. – СПб.: Лань, 2006. – 480 с.: ил.
4 ГОСТ 19095-73. Транзисторы полевые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров.
5 ГОСТ 2.730-73. Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые.
Приложение А
(обязательное)
Пример оформления отчета по лабораторной работе
Титульный лист отчета
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого»
Институт электронных и информационных систем
_______________________________________________________________
Кафедра физики твердого тела и микроэлектроники
Термистор
Лабораторная работа по учебной дисциплине
“Электротехника и электроника: электроника” по направлению 210300 – Радиотехника
Отчет
Преподаватель
Ст. преподаватель КФТТМ
___________Г.В. Гудков
подпись
“. . .”. . . . . . . . . . 2012 г.
дата
Студент гр. _________
____________ В.В.Алексеев
подпись
“. . .”. . . . . . . . . . 2012 г.
дата
1 Цель работы
Научиться определять основные статические и дифференциальные параметры термистора.
2 Задачи
– ознакомиться со справочными данными термистора;
– провести измерения вольтамперной характеристики и зависимости сопротивления от температуры;
– рассчитать температурный коэффициент сопротивления и коэффициент температурной чувствительности термистора.
3 Определение
Термистор - это полупроводниковый объемный резистор с большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.
4 Практическая часть
Справочные данные термистора КМТ-17б /1/:
конструкция условное графическое обозначение
Маркировка: КМТ-17б. Кобальто-марганцевый (КМ) терморезистор (Т), тип конструкции 17б (дисковый).
Основные параметры:
– пределы номинального сопротивления Rном = 0,320 кОм;
– максимальная мощность рассеяния Рмакс = 500 мВт;
– интервал рабочих температур t = -60155 С;
– температурный коэффициент сопротивления R > 4,2 %/К;
– коэффициент рассеяния Н = 10 мВт/К;
– коэффициент температурной чувствительности В > 3600 К;
– постоянная времени = 30 с.
Измерение вольтамперной характеристики и температурной зависимости сопротивления термистора
Рисунок А1 - Принципиальная электрическая схема для измерения
характеристик и параметров терморезисторов
Таблица А1 - Вольтамперная характеристика термистора КМТ-17б
|
I, мА |
0 |
0,5 |
1,0 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
4,0 |
4,5 |
5,0 |
6,0 |
7,0 |
8,0 |
10 |
|
U, В |
0 |
10 |
30 |
40 |
60 |
80 |
100 |
90 |
80 |
70 |
65 |
60 |
57 |
52 |
Таблица А2 - Зависимость сопротивления термистора КМТ-17б
от температуры
|
Т, С |
22 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
55 |
60 |
65 |
70 |
75 |
80 |
85 |
90 |
|
RТ, Ом |
2 |
10 |
5 |
10 |
600 |
200 |
150 |
100 |
91 |
80 |
72 |
60 |
40 |
33 |
Рисунок А2 Рисунок А3
4.3 Расчет параметров термистора КМТ-17б
Температурный коэффициент сопротивления (рисунок А3):
.
Коэффициент температурной чувствительности:
4.4 Применение термистора
Термисторы применяются в качестве датчиков при измерении и регулировании температуры, измерении мощности на СВЧ, для температурной сигнализации и т.п.
Литература
Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учеб. пособие. – 8-е изд., испр. – СПб.: Лань, 2006. – 480 с.: ил.