2014_4434

тодиодный индикатор нагрева. Затем с помощью тумблера «Включить охлаждение» можно включить встроенный в стенд вентилятор, обес-

печивающий более быстрое охлаждение диодов в рабочей камере. Для определения теплового сопротивления необходимо провести

измерение температуры p–n-перехода. Для этого сначала снимается температурная зависимость Uпр(T ) при сравнительно малом значении

прямого тока I1 . Его величина выбирается такой, чтобы выделяемая в p–n-переходе мощность и перегрев p–n-перехода относительно температуры окружающей среды Tокр были бы малы:

Tpn Tокр RTUпрI1 Tокр.

Это позволяет снять градуировочную зависимость Uпр(Tpn ) , измеряя температуру окружающей среды в рабочей камере (Tокр Tpn ). Из

этой зависимости по формуле Uпр определяется температурный

Tрп

коэффициент напряжения ε. Затем через диод резко пропускается сравнительно большой разогревающий прямой ток I2 и сразу же фик-

сируется соответствующее этому току прямое падение напряжения Uпр(I2 ) . В процессе протекания большого тока через диод он начнет

нагреваться и прямое падение напряжения на нем будет уменьшаться. При этом устанавливается температура p–n-перехода, заметно превы-

шающая Tокр :

Tpn2 Tокр RTUпрI2 .

1.6.Порядок выполнения работы

1.Выписать из справочника предельно-допустимые параметры исследуемых диодов VD1-Д310, VD2-КД223,VD3-АЛ307: Tmin , Tmax ,

Iпр max ,Uобр max , а также RT.

2. Собрать схему для измерения ВАХ резистора R680 (поскольку резисторы имеют небольшой технологический разброс, то точный номинал резистора подписан маркером на каждом стенде) по схеме, изображенной на рис. 1.3, а), для чего следует исключить диод VD, а исследуемый резистор переместить на его место. Здесь и в последующих лабораторных работах при сборке схемы следует руководство-

ваться одним общим правилом: сначала необходимо обойти и за-

мкнуть внешний контур схемы, начав и закончив на генераторе, а потом уже подсоединить к нужным узлам вольтметр. Перед тем как непосредственно приступить к измерениям, необходимо оценить диапазоны изменения тока и напряжения, выставить на приборах соответствующие минимально возможные пределы и в процессе измерения вольт-амперных характеристик их не менять. При комнатной температуре снять пять точек ВАХ резистора. Затем рассчитать по закону Ома величины сопротивлений в этих точках, найти среднее значение и определить относительную погрешность измерений. Погрешность необходимо рассчитать для двух случаев: 1) значения тока – 200, 600, 1000, 1400, 1800 мкА; предел амперметра – 2000 мкА, вольтметра – 2 В; 2) значения тока – 2, 6, 10, 14, 18 мА; предел амперметра – 20 мА, вольтметра – 20 В. Во втором случае вместо генератора тока следует воспользоваться генератором напряжения на 15 В.

3. Собрать схему согласно рис. 1.3, б для исследования температурной зависимости обратных токов. Изменяя температуру камеры с диодами от комнатной до 70 °С, снять температурные зависимости обратных токов германиевого и кремниевого диодов при фиксированном

обратном напряжении Uобр = 15 В. При этом число температурных

точек должно быть не менее 10. После снятия зависимостей включить охлаждение рабочей камеры. Полученные данные записать в соответствующие таблицы.

4. Построить графические зависимости Iобр(T ) в логарифмиче-

ском масштабе по оси токов и определить логарифмические температурные коэффициенты обратных токов, а также величины Iобр при

13

температуре Т0. Сравнить их значения с данными, приведенными в

табл. 1.1, и сделать выводы относительно физических механизмов, ответственных за формирование обратных токов диодов.

5. Собрать схему в соответствии с рис. 1.3, а для исследования температурной зависимости прямых напряжений. Снять температурные зависимости прямых напряжений германиевого, кремниевого и

арсенидгаллиевого диодов при Iпр = 100 мкА в пределах температур

от комнатной до 70 °С. При этом число температурных точек должно быть не менее 10. Предел амперметра 200 мкА, вольтметра 2 В. Числовые данные записать в соответствующие таблицы. В случае если при выкрученной в ноль ручке генератора тока на приборах не будут отображаться нули, т. е. будут наблюдаться небольшие смещения, обусловленные внутренними схемами генератора тока, то можно попробовать воспользоваться генератором напряжения. Данный подход иногда можно будет использовать и в последующих лабораторных работах для минимизации начального смещения измерительных приборов.

6. Построить графические зависимости Uпр(T ) и определить их

температурные коэффициенты. Сравнить полученные значения со справочными данными.

7. Измерить тепловое сопротивление диодов VD1, VD2, VD3 по описанной в разд. 1.5 методике. Для диодов VD1 и VD2 необходимо изменить схему, изображенную на рис. 1.3, а, следующим образом: закоротить резистор R680, и вместо генератора тока подключить генератор напряжения на 15 В. Для диода VD3 генератор тока и резистор R680 следует обязательно оставить, а полярность вольтметра изменить на противоположную в целях минимизации начального смещения измерительных приборов. Предел амперметра 200 мА, вольтметра 2 В. Далее необходимо резко выкрутить ручку генератора на максимум и сразу же записать значения приложенных тока и напряжения. Прямое падение напряжения на диоде начнет уменьшаться. Диод следует выдержать в этом режиме не менее 5…10 мин для окончания тепловых переходных процессов и выписать величину установившегося прямого

падения напряжения на диоде. Далее необходимо определить Uпр , затем Tрп, рассчитать тепловое сопротивление диода и сравнить полученное значение со справочными данными.

14

Контрольные вопросы

1.Объясните температурное изменение обратной ветви ВАХ германиевого и кремниевого диодов.

2.Объясните температурное изменение прямой ветви ВАХ полупроводниковых диодов.

3.Что называется температурным коэффициентом напряжения (ТКН) идеального диода?

4.Объясните, почему миллиамперметр по-разному расположен для схем измерения прямой и обратной ВАХ?

5.Куда направлены в p–n-переходе дрейфовые компоненты токов для e- и h+? Какие носители формируют эти токи и куда они текут?

6.Куда направлены в p–n-переходе диффузионные компоненты токов для e- и h+? Какие носители формируют эти токи и куда они текут?

7.Какой вид обратного тока – насыщения или ток термогенерации – преобладает в германиевых и кремниевых диодах?

8.Оцените, во сколько раз обратный ток кремниевого диода отличается от тока диода на GaAs при условии, что остальные параметры диодов равны между собой.

9.Оцените, на сколько градусов надо изменить температуру кремниевого диода, чтобы его обратный ток увеличился в два раза, если начальная температура составляла 300 К.

10.Какие факторы приводят к отличию температурных зависимостей ВАХ реального диода от идеализированного p–n-перехода?

11.Дайте определение и объясните физический смысл теплового сопротивления диода.

12.До какой температуры нагреется арсенидгаллиевый диод при

прямом токе 30 мА, температуре окружающей среды 20 °С, еслиRT

500 С/Вт , а Uпр 1,5 В?

13.Охарактеризуйте методику определения теплового сопротивления диода.

14.Назовите основные параметры температурных характеристик диодов.

15.Назовите рабочий температурный диапазон для диодов из Ge

иSi.

15

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ ЭБЕРСА–МОЛЛА ПО ВОЛЬТ-АМПЕРНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

2.1. Цель и содержание работы

Цель работы – измерение статических ВАХ биполярного транзистора (БТ) и определение по ним статических параметров инжекционной модели Эберса–Молла (Э–М) для БТ.

В работе снимаются входные, выходные и передаточные характеристики БТ в схеме с ОЭ. По передаточным характеристикам для режимов нормального и инверсного включения определяются соответствующие коэффициенты передачи тока. Для нахождения остальных параметров модели Э–М измеряются нормальные и инверсные входные характеристики БТ для схемы с ОБ в режиме холостого хода (при обрыве третьего электрода). По полученным характеристикам определяются значения токов насыщения эмиттерного и коллекторного диодов.

2.2. Измерение ВАХ БТ в схеме с ОЭ

Схема с ОЭ – наиболее распространенная схема включения биполярного транзистора, поскольку она обеспечивает максимальный коэффициент усиления мощности. На рис. 2.1 показана такая схема включения n-p-n-транзистора. Здесь общим электродом, относительно которого отсчитываются напряжения, является эмиттер [1,3–6,11–14].

2.2.1. Ток базы транзистора

На рис. 2.2 показаны направления основных составляющих базового тока n-p-n-транзистора: I pэ – ток инжекции дырок из базы в эмиттер,

Iрек – ток дырок для рекомбинации с идущими сквозь базу электронами, I pк – дырочная составляющая коллекторного тока [1,3–6,11–14].

16

Рис. 2.1. Включение n-p-n-транзистора в схеме с ОЭ

I pэ I pк

Iрек

Б

Рис. 2.2. Структура базового тока БТ

Дырочный ток эмиттера составляет лишь малую долю эмиттерного тока. Это достигается за счет высокого уровня легирования эмиттера и

эффективности эмиттера , близкой к единице:

17

где Inэ – инжекционный ток электронов в эмиттере; Iэ – ток эмиттера (Iэ Inэ I pэ) ; pnэ – равновесная концентрация дырок в n-области эмиттера; npб – равновесная концентрация электронов в p-базе; Naб –

концентрация акцепторов в базе; Ndэ – концентрация доноров в эмит-

тере.

Рекомбинационный ток базы Iрек представляет собой основную

часть базового тока. Он определяется общим зарядом инжектированных в базу электронов Qn :

Iрек Qn ,

n

где n – время жизни электронов в базе.

Дырочный компонент коллекторного тока I pк состоит из дырок,

экстрагированных p-базой из n-области коллектора обратно смещенным коллекторным переходом. Кроме того, с ростом обратного напряжения на коллекторном переходе увеличивается число дырок, порожденных лавинным умножением в области пространственного заряда (ОПЗ) коллекторного перехода.

2.2.2. Коэффициент передачи тока базы и ВАХ транзистора для схемы с ОЭ

Коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ определяется как

Поскольку типичные значения коэффициента передачи тока эмиттера в схеме с ОБ лежат в диапазоне 0,95 0,99 , то много

больше единицы (см. табл. 2.1).

18

На рис. 2.3 показаны статические входные и выходные вольтамперные характеристики n-p-n БТ для схемы с ОЭ.

Рис. 2.3. Входные (а) и выходные (б) ВАХ n-p-n БТ в схеме c ОЭ

В активном режиме работы БТ для тока коллектора выполняются равенства:

19

где Iкэ0 – тепловой ток обратно смещенного коллекторного перехода.

Ясно, что Iкэ0 Iкб0 .

Входная характеристика Iб(Uбэ) практически представляет собой

зависимость рекомбинационного базового тока от напряжения на эмиттере и подобна ВАХ p-n-перехода. Зависимость входных характе-

ристик от Uкэ объясняется модуляцией ширины базы коллекторным

напряжением. При уменьшении ширины базы и постоянном Uбэ воз-

растает градиент концентрации электронов в базе (рис. 2.4) и, следовательно, токи эмиттера и коллектора.

Рис. 2.4. Распределение электронов в базе n-p-n БТ для двух различных напряжений на коллекторе и постоянном напряжении на эмиттере

20