Лабораторная работа № 1. Исследование характеристик

Полупроводниковых приборов

 

Лабораторная работа № 1 имеет целью исследование основных характеристик и параметров полупроводниковых диодов и биполярных транзисторов, а также приобретение навыков использования возможностей компьютерной программы Electronics Workbench 5.12 для этих целей.

Завершается работа оформлением и защитой с оценкой отчета. Защита осуществляется методом экспресс-опроса в рамках теоретического и практического материала по теме лабораторной работы.

На выполнение и защиту лабораторной работы № 1 отводится 4 академических часа.

 

Краткие сведения из теории

 

3.1.1 Полупроводниковые диоды

 

Как известно из курса электротехники, вольтамперная характеристика (ВАХ) элемента электрической цепи представляет собой зависимость тока, протекающего через элемент от напряжения на выводах этого элемента (или наоборот, зависимость напряжения от тока). ВАХ диода имеет две ветви: прямую (снимается, когда диод смещен в прямом направлении) и обратную (снятую при обратном смещении диода). На рисунке 3.1, а показано условное графическое обозначение (УГО) выпрямительного диода. Если полярность приложенного напряжения соответствует указанной на рисунке, то диод смещен в прямом направлении и через него течет прямой ток I _пр. Примерный вид ВАХ диода при прямом и обратном смещении показан на рисунке 3.1, б.

 

                       а                                                         б

Рисунок 3.1

Чтобы снять прямую ветвь ВАХ диода, можно воспользоваться схемой измерения, приведенной на рисунке 3.2. Для снятия обратной ветви ВАХ необходимо поменять полярность источника напряжения U.

Рисунок 3.2

 

Диод представляет собой нелинейный элемент, поэтому его нельзя характеризовать величиной сопротивления, как линейный резистор. В связи с этим различают статическое сопротивление диода и динамическое (дифференциальное) сопротивление диода. Статическое сопротивление в заданной точке ВАХ можно определить по формуле

 

                                                     .                                          (3.1)

 

Для определения дифференциального сопротивления диода используют формулу

 

                                           ,                                      (3.2)

 

где D U _д и D I _д – соответственно приращения напряжения и тока диода, определяемые по графику ВАХ.

Из рисунка 3.1, б видно, что как статическое, так и динамическое сопротивления диода существенно зависят от тока, протекающего через диод.

Основным отличием стабилитронов от выпрямительных диодов является то, что их используют в режиме электрического пробоя, который наблюдается при обратном смещении диода. Материалы, используемые в стабилитронах, имеют высокую концентрацию примесей. Это приводит к тому, что напряженность электрического поля в их р-п -переходах значительно выше, чем у остальных типов диодов. За счет этого при относительно небольших обратных напряжениях в р-п- переходе возникает электрический пробой. Механизм пробоя может быть туннельным, лавинным или смешанным. Обычно у низковольтных стабилитронов более вероятен туннельный пробой, а у высоковольтных – лавинный. В обоих случаях сильного нагрева р-п -перехода не происходит, поэтому теплового пробоя не наступает.

Обратная ветвь ВАХ стабилитрона и его УГО представлены на рисунке 3.3. Такая ВАХ может быть обеспечена только при лавинном или туннельном пробоях. Лавинный пробой имеет место у диодов, изготовленных из полупроводника с большой шириной запрещенной зоны. Поэтому основным материалом для изготовления стабилитронов является кремний.

Рисунок 3.3

 

К основным параметрам стабилитрона относят:

- напряжение стабилизации (U _ст);

- минимально допустимый ток стабилизации (I _{ст. мин});

- максимально допустимый ток стабилизации (I _{ст. макс});

- дифференциальное сопротивление стабилитрона (r _{ст диф}) на участке пробоя;

- температурный коэффициент напряжения стабилизации (a _{U ст}).

Напряжение стабилизации – это напряжение на стабилитроне при прохождении через него заданного тока стабилизации. На практике в исходной рабочей точке ток стабилизации задают равным

 

                                              .                                         (3.3)

 

Следовательно, напряжение стабилизации U _ст соответствует обратному напряжению на стабилитроне, при котором по нему течет ток I_cm.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона r _{ст диф} определяют так же, как и у выпрямительного диода. Качество стабилитрона (то есть его способность стабилизировать напряжение при изменении проходящего по нему тока) тем выше, чем ниже его дифференциальное сопротивление.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации a _{U ст} – это величина, определяемая отношением относительного изменения напряжения стабилизации к изменению температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации.

Пусть при температуре t ₁ напряжение стабилизации было равно и_{ст 1}, а при температуре t ₂ – соответственно и_{ст 2}. Тогда температурный коэффициент напряжения стабилизации a _{U ст} может быть найден из формулы

 

                                               .                                       (3.4)

 

3.1.2 Биполярные транзисторы

 

Биполярный транзистор является активным элементом, управляемым током в цепи управляющего вывода – базы. Для него могут быть построены две разновидности ВАХ – входная, представляющая собой зависимость тока в цепи базы транзистора от напряжения, приложенного между базой и эмиттером при фиксированном напряжении между коллектором и эмиттером и семейство выходных ВАХ, полученное как зависимость тока коллектора транзистора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированных значениях тока в цепи базы.

На рисунке 3.4, в частности, приведены ВАХ маломощного транзистора КТ 315Б (аналог транзистора Q2N2712): слева – входные, справа – семейство выходных.

Рисунок 3.4

 

Токи i _Б, i _К и i _Э биполярного транзистора тесно взаимосвязаны. В частности, самый большой ток протекает в эмиттерной области транзистора. Для тока эмиттера можно записать

                                                    .                                             (3.5)

 

Ток коллектора можно определить из равенства

 

                                                ,                                        (3.6)

 

где a _ст – статический коэффициент передачи тока эмиттера;

  I_{K 0}– обратный (тепловой) ток коллектора.

На практике a _ст = 0,95 … 0,998.

Ток коллектора можно представить через ток базы:

 

                                         ,                                   (3.7)

 

где  – статический коэффициент передачи тока базы в схеме с

  общим эмиттером (в справочной литературе используется обозначение h _{21 Э} ;

  обычно принимает значение 10 … 500 в зависимости от типа и мощности

  транзистора).

Статический коэффициент передачи тока базы, с учетом (3.7), может быть определен из выражения

 

                                               ,                                       (3.8)

 

а статический коэффициент передачи тока эмиттера, соответственно, из выражения

 

                                              .                                             (3.9)

 

Дифференциальный коэффициент передачи тока базы (в режиме усиления сигнала) определяются из выражения

 

                                       ,                                  (3.10)

 

где D i _К и D i _Б – взаимозависимые приращения соответственно тока коллектора и

     тока базы при фиксированном значении напряжения и_КЭ (полученные из

     семейства выходных ВАХ транзистора).

Дифференциальное входное сопротивление r_{вх диф} транзистора в 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 (по входной ВАХ транзистора):

 

                                   .                             (3.11)

 

С учетом наклона выходных ВАХ транзистора, выражение (3.7) примет вид

 

                                   ,                             (3.12)

 

где r _К – дифференциальное сопротивление коллекторной области транзистора:

 

                                       .                                 (3.13)

Подготовка к работе

 

3.2.1 Изучить раздел 2 методических указаний. Ознакомиться с интерфейсом моделирующей компьютерной программы Electronics Workbench.

3.2.2 Изучить теоретические положения по теме проводимых исследований, используя конспект лекций, рекомендованную литературу и подраздел 3.1 методических указаний.

3.2.3 Подготовить отчет в соответствии с требованиями, изложенными в разделе 1 методических указаний.

 

Задание на проведение исследований

 

3.3.1 Используя экспериментальные данные, построить прямую и обратную ветви ВАХ выпрямительного диода.

3.3.2 Определить статическое и дифференциальное сопротивления выпрямительного диода на заданных участках ВАХ.

3.3.3 Используя экспериментальные данные, построить прямую и обратную ветви ВАХ стабилитрона.

3.3.4 Определить дифференциальное сопротивление стабилитрона на участке электрического пробоя.

3.3.5 Построить нагрузочную характеристику параметрического стабилизатора.

3.3.6 Используя экспериментальные данные, построить входную ВАХ биполярного транзистора при различных температурах его корпуса.

3.3.7 Используя экспериментальные данные, построить одну ветвь выходных ВАХ транзистора.

3.3.8 Используя ВАХ транзистора и результаты измерений, определить его основные параметры: I _{К 0},b _ст, b, a _ст, r _{вх диф}, r _К.