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
PAGE 12
2.4. Лабораторная работа 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Цель работы: экспериментально определить основные параметры и характеристики полупроводниковых приборов, получить навыки их применения для практических целей.
Краткая справка по теории
Полупроводниковым диодом называют прибор с одним p –n переходом и двумя выводами для включения в схему. Условное графическое обозначение диода приведено на рис. 2.4.1, а. На рис. 2.4.1, б приведена структурная схема диода. Электрод диода, подключенный к p области называют анодом, а электрод, подключенный к n области, – катодом.
Ток диода определяется разностью диффузионного и обратного (дрейфового) токов p-n перехода:
. (2.4.1.)
Таким образом, диод обладает резко выраженной односторонней проводимостью, то есть является выпрямляющим прибором.
ВАХ, построенная по (2.4.1), приведена на рис. 2.4.2.
К числу основных параметров диода относятся:
– максимально допустимый средний прямой ток;
– максимальный обратный ток;
– падение напряжения Uпр на диоде при некотором значении прямого тока;
– импульсное обратное напряжение и др.
На рис. 2.4.3. приведены условные обозначения диодов, применяемые в стандартах США.
Свойство односторонней проводимости используют для выпрямления переменного тока, а также для ограничения сигналов. Основная функция положительных диодных ограничителей заключается в том, чтобы повторять входное напряжение, если оно не превышает заданный порог, а при превышении – поддерживать выходное напряжение на пороговом уровне. Отрицательные диодные ограничители работают аналогично: напряжение на выходе повторяет входное, если оно выше порогового уровня.
Полупроводниковые диоды, в которых используется явление лавинного пробоя р-n перехода называются стабилитронами. Пробоем называют явление резкого уменьшения дифференциального сопротивления перехода при достижении обратным напряжением критического значения. Если протекающий при этом обратный ток ограничивать допустимым значением, то состояние пробоя в стабилитроне можно поддерживать и воспроизводить в течение десятков тысяч часов.
Ток стабилитрона Iст может быть определен вычислением падения напряжения на резисторе R:
Iст = (E — Uст)/R.
Напряжение стабилизации Uст стабилитрона определяется точкой на вольтамперной характеристике, в которой ток стабилитрона резко увеличивается. Мощность рассеивания стабилитрона Рст вычисляется как произведение тока Iст на напряжение Uст:
Рст = Icт·Ucт.
На рис. 2.4.4 приведена структурная схема биполярного транзистора, а на рис. 2.4.5 – его схемное обозначение.
Биполярные транзисторы могут работать в одном из трех режимов - активном, насыщения и отсечки. Для работы в активном режиме внешние источники к транзистору n-p-n структуры включают так, чтобы напряжение на переходе база – эмиттер было прямое (плюс источника Е подан на базу, минус на эмиттер), а на переходе коллектор – база обратное (плюс источника ЕК подан на коллектор, минус – на эмиттер). Обычно ЕК>> Е, поэтому
. (2.4.2)
Через транзистор протекают: ток эмиттера Iэ, ток базы Iб, ток коллектора Iк и обратный ток закрытого p-n перехода коллектор-база Iкбо. Уравнение равновесия токов имеет вид
Iэ = Iк + Iкбо + Iб. (2.4.3)
Последнее выражение можно использовать для экспериментальной оценки Iкбо, если предварительно измерить Iэ, Iб, а также Iк.
Далее, учитывая известное из курса лекций выражение
,
легко получить возможность для экспериментальной оценки коэффициента передачи тока эмиттера
(2.4.4)
а также коэффициента передачи тока базы
(2.4.5)
Широко применяется еще один способ экспериментальной оценки статического коэффициента передачи тока базы – отношением приращения тока коллектора ΔIк к приращению тока базы ΔIб:
. (2.4.6)
Дифференциальное входное сопротивление rвх транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ), определяется при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер. Оно может быть найдено как отношение приращения напряжения база-эмиттер к вызванному им приращению тока базы:
. (2.4.7)
Величины Uкэ, Uбэ, Uкб, Iк, Iкбо, Iэ, Iб, а также и относятся к основным параметрам биполярных транзисторов. Этот перечень дополняют максимально допустимые частота и мощность.
Каждый транзистор по схеме с ОЭ описывается семействами выходных и входных характеристик (рис. 2.4.6, а и 2.4.6, б соответственно).
Задание на лабораторную работу
1. Выполнить исследование диода при прямом и обратном смещении р-п перехода.
2. Исследовать схемы диодных ограничителей.
3. Экспериментально определить параметры и характеристики стабилитрона.
4. Провести исследование биполярного транзистора.
Методические указания
1.1. Снятие вольтамперной характеристики диода.
Соберите схему по рис. 2.4.7.
Включите схему. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 5В; 4В; 3В; 2В; 1В; 0.5В; 0В запишите значения напряжения Uпp и тока Iпр диода в таблицу.
Включите диод в обратном направлении. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 0В; 5В; 10В; 15В запишите значения тока Iоб и напряжения Uоб в таблицу.
По полученным результатам постройте график ВАХ диода по примеру рис. 2.4.8.
Для точек Iпр = 5mA, Iпр = 0,4mA, определите статическое Rст = U/R и динамическое Rдин = ΔU/ΔI сопротивление. Сформулируйте выводы.
1.2. Получение ВАХ диода на экране осциллографа.
Соберите схему по рис. 2.4.9.
Установите на осциллографе режим В/А. Включите схему. На ВАХ, появившейся на экране осциллографа, по горизонтальной оси считывается напряжение на диоде в милливольтах (канал А), а по вертикальной - ток в миллиамперах (канал В, 1 мВ соответствует 1 мА). Обратите внимание на изгиб ВАХ. Измерьте и запишите в раздел "Результаты экспериментов" величину напряжения изгиба.
В выводах сравните полученный график с результатами по п.1.1.
Соберите схему последовательного ограничителя со смещением по рис. 2.4.10
Установите параметры элементов схемы по значениям, приведенным на рисунке. Изменяя напряжение источника постоянного тока Е от 0 до 5В определите амплитудное значение сигнала на выходе ограничителя.
Результаты измерений сведите в таблицу.
Соберите схему шунтирующего ограничителя со смещением по рис. 2.4.11.
Проведите измерения, аналогичные предыдущему пункту. В выводах сравните схемы ограничителей, сформулируйте предложения по их применению.
3. Исследование параметров и характеристик стабилитрона.
3.1. Измерение тока и напряжения стабилитрона.
Соберите схему по рис. 2.4.12
Включите схему. Изменяя напряжение источника от 4 до 10В определите напряжение стабилизации. Зафиксируйте полученные значения напряжения на стабилитроне и тока через него в таблице. Постройте ВАХ стабилитрона по примеру рис. 2.4.13
Вычислите мощность Рст, рассеиваемую на стабилитроне при напряжении Е = 20 В. Сформулируйте выводы о соответствии результатов эксперимента теории.
3.2. Исследование устойчивости к дестабилизирующим факторам.
Соберите схему стабилизатора напряжения по рис. 2.4.14
Установите параметры элементов схемы по значениям, приведенным на рисунке.
3.2, а. Определите пределы изменения сопротивления нагрузки Rн, при которых напряжение на ней остается в диапазоне 5 ± 0,1В.
3.2, б. Определите пределы изменения напряжения источника Е, при которых напряжение на нагрузке Rн = 500 Ом остается в диапазоне 5 ± 0,1В.
Результаты измерений сведите в таблицы и представьте в выводах по работе.
4.1. Определение обратного тока коллектора Iкбо, коэффициентов передачи тока эмиттера , тока базы , входного статического и динамического сопротивления транзистора.
Соберите схему по рис. 2.4.15.
Установите значения Ек = 10В, Еб = 1В, Rб = 10кОм. Включите схему и выполните измерения тока коллектора Iк, тока базы Iб и напряжения база-эмиттер Uбэ. По полученным результатам подсчитайте значение заданных параметров, используя формулы (2.4.3) ÷ (2.4.7).
Последовательно увеличивая значение Еб до 2, а затем до 5В повторите измерения и вычисления.
Схему, результаты измерений и вычислений внесите в отчет, сформулируйте выводы о зависимости βс и rвх от режима работы транзистора.
4.3. Построение выходной ВАХ транзистора в схеме с ОЭ.
Приведите схему рис. 2.4.15. к виду рис.2.4.16.
Установите значения параметров источника питания в цепи коллектора по данным рисунка – ек = 20В/0,1 Гц, Еб = 0,6В, Rб = 10кОм, Rк = 1кОм. Установите осциллограф в режим В/А, вход DC.
Изменяя Еб от 0,6 до 1,2В с шагом 0,1В получите семейство выходных ВАХ транзистора. Параметры каждой ветви уточните посредством расширенной модели осциллографа, показаний амперметра и перенесите в график отчета. По выходной ВАХ определите значение βс для ветви, соответствующей Еб = 1В при Ек = 10В. В выводах сравните полученные результаты с результатами п. 4.1.
Построение входной ВАХ транзистора в схеме с ОЭ.
Соберите схему по рис. 2.4.17. Установите значения параметров элементов схемы по данным рисунка. Снимите две ветви входной ВАХ для Ек = 0 и 2В. Перенесите их в график отчета.
Сформулируйте выводы о соответствии полученных результатов положениям теории.
Вопросы
1. Сравните напряжения на диоде при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны?
2. Сравните токи через диод при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны?
3. Существует ли различие между величинами сопротивления диода на переменном и постоянном токе?
4. Влияет ли значение сопротивления нагрузки на степень стабилизации выходного напряжения стабилизатора?
5. Как изменяется напряжение Uст на выходе стабилизатора, при изменении напряжения на входе?
6. В чем отличие между уровнями ограничения напряжения в последовательных ограничителях без смещения и со смещением?
7. Что определяет уровень ограничения напряжения в ограничителе со смещением?
8. От чего зависит ток коллектора транзистора?
9. Что можно сказать по выходным характеристикам о зависимости тока коллектора от тока базы и напряжения коллектор-эмиттер?
11 Что можно сказать по входной характеристике о различии и сходстве p-n перехода база-эмиттер транзистора и диодом, смещенном в прямом направлении?
12. Одинаково ли значение rвх в любой точке входной характеристики?
EMBED Visio.Drawing.6
EMBED Visio.Drawing.6
EMBED Visio.Drawing.6