Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИОДА И ТРАНЗИСТОРА

1. Цель работы

Изучение принципа работы различных видов диодов и транзисторов. Исследование вольтамперных характеристик выпрямительного диода и биполярного транзистора.

2. Теоретические сведения

2.1. Выпрямительные диоды, стабилитроны, фотодиоды, светодиоды, тиристоры

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим p-n-переходом и двумя внешними выводами. Различают точечные диоды, сплавные и микросплавные, с диффузионной базой, эпитаксиальные и др. в зависимости от технологических процессов, использован­ных при их изготовлении.

По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные, стабилитроны, фото и светодиоды, тиристоры и т.д.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных p-n-переходов. Область диода с высокой концентрацией основных носителей (низкоомную) называют эмиттером, а область с низкой концентрацией основных носителей (высокоомную), в которую происходит инжекция носителей заряда – базой. Электрические свойства диода описываются его вольтамперной характеристикой (ВАХ).

На рис. 2.1 приведены ВАХ германиевого (а) и кремниевого (б) диодов.

ВАХ диода является несимметричной. При приложении прямого напряжения через диод протекает ток, обусловленный основными носителями заряда и изменяющийся в экспоненциальной зависимости от приложенного напряжения.

При обратном напряжении ток создается неосновными носителями заряда (дырками в полупроводнике n-типа и электронами в полупроводнике р-типа), концентрация которых в сотни – сотни тысяч раз меньше концентрации основных носителей. Вследствие этого обратный ток через диод гораздо меньше прямого и слабо возрастает по мере увеличения п риложенного напряжения.

Рис. 2.1. Вольтамперные характеристики диодов

Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, к быстродействию, емкости р-n-перехода и стабильности параметров которых не предъявляют специальных требований, называют выпрямительными.

Основные параметры выпрямительных диодов и их типовые значения следующие:

1. Максимально допустимое обратное напряжение диода U_обрmах, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения работоспособности (десяткитысячи В).

2. Средний за период выпрямленный ток диода I_впcр (сотни мА  десятки А).

3. Импульсный прямой ток диода I_при – пиковое значение импульса тока.

4. Средний за период обратный ток диода I_обрср (доли мкА  несколько мА).

5. Среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока U_прср (доли В).

6. Средняя за период рассеиваемая мощность диода Р_срд (сотни мВт  десятки и более Вт).

7. Дифференциальное сопротивление диода r_диф – отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока (единицы  сотни Ом).

Полупроводниковые стабилитроны, называемые иногда опорными диодами, предназначены для стабилизации напряжений. Работа стабилитронов основана на использовании явления электрического пробоя р-n-перехода при включении диода в обратном направлении.

В качестве примера на рис. 2.2, а приведены вольтамперные характеристики стабилитрона КС510А при различных температурах. На рис. 2.2, б, в показаны условное обозначение стабилитрона и его включение в схему стабилизации напряжения, где U_и – напряжения источника питания; I_ст – ток, протекающий через стабилитрон; I_н, R_н – ток и сопротивление нагрузки, соответственно.

Основные параметры стабилитронов и их типовые значения следующие.

1. Напряжение стабилизации U_ст – падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации (несколько вольт  десятки вольт).

2. Максимальный ток стабилизации I_стmах (несколько мА  несколько А).

3. Минимальный ток стабилизации I_стmin (доли  десятки мА).

4. Дифференциальное сопротивление , определяемое на участке пробоя (доли Ом  тысячи Ом).

5. Температурный коэффициент напряжения стабилизации _ст – относительное изменение напряжения стабилизации U_ст при изменении температуры окружающей среды на T (тысячные доли процента).

И злучающий диод, работающий в видимом диапазоне волн, называется светодиодом. Условное графическое обозначение светодиода приведено на рис. 2.3.

Излучение возникает при протекании прямого тока диода в результате рекомбинации электронов и дырок в области р-п-перехода и примыкающих областях. При рекомбинации излучаются фотоны.

Для светодиодов, работающих в видимом диапазоне (длина волны от 0,38 до 0,78 мкм) используют характеристики:

зависимость яркости излучения L от тока диода I (яркостная характеристика);

зависимость силы света I_v от тока диода I.

зависимость мощности излучения Р от тока диода I.

У словное графическое обозначение фотодиода приведено на рис. 2.4. Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к светодиоду. Основным физическим процессом в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области р-п-перехода и примыкающих областях под действием излучения (фотонов). В результате появляется напряжение между выводами фотодиода.

Фотодиоды характеризуются семейством ВАХ при различных световых потоках, измеряемых в люменах, лм.

Тиристорами называют полупроводниковые приборы с двумя устойчивыми режимами работы (включен, выклю­чен), имеющие три или более р-п-переходов.

Тиристор – прибор ключевого действия, находится во включенном или выключенном состоянии. Тиристоры, которые не имеют специальных электродов для подачи сигналов с целью изменения состояния, а име­ют только два силовых электрода (анод и катод), называ­ют неуправляемыми, или диодными, тиристорами (динисторами). Иначе тиристоры называют управляемыми тиристорами, или просто тиристорами.

Тиристоры являются основными элементами в уст­ройствах преобразовательной техники. Типичными предста­вителями таких устройств являются управляемые выпрямители (преобразуют переменное напряжение в однонаправленное) и инверторы (преобразуют постоян­ное напряжение в переменное). Динисторы обычно используются в слаботочных импульсных устройствах.

На рис. 2.5 приведено семейство выходных вольт-ам­перных характеристик тиристора – зависимостей тока анода I_а от напряжения анод-катод U_ак от тока управления i_у.

Р азличные характеристики соответствуют различным значениям постоянного тока управления i_у, включающего тиристор. Важно по­мнить, что тиристор обычно включают импульсным, а не по­стоянным током управления.

2.2. Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор (или просто транзистор) –полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности и имеющий два внешних вывода. Эти области разделяются p-n-переходами. Между p-n-переходами транзистора существует взаимодействие: ток одного из переходов может управлять током другого.

В зависимости от типа проводимости слоев различают n-p-n и p-n-p-транзисторы, у которых полярности напряжений и токов противоположны. Далее принцип действия и основные свойства рассматриваются на примере p-n-p- транзистора, но все сказанное, за исключением типов носителей и полярности напряжений и токов, справедливо и для n-p-n транзистора.

2.2.1. Структура и принцип действия транзистора

У прощенная структура p-n-p-транзистора и его условное обозначение приведены на рис. 2.6. Показаны три области полупроводника и два p-n-перехода (заштрихованы). Среднюю область транзистора называют базой (Б). Обычно она слабо легирована. Крайние области неодинаковы. Одна из них обеспечивает инжекцию носителей в базу, а другая – экстракцию инжектированных носителей из базы. Первую называют эмиттер (Э), вторую – коллектор (К).

Каждый из переходов транзистора может внешним источником смещаться в прямом или обратном направлении. В соответствии с этим различают четыре режима работы транзистора:

активный режим, в котором переход эмиттер – база включен в прямом направлении, а переход коллектор – база – в обратном;

инверсный режим, в котором переход эмиттер – база включен в обратном направлении, а переход коллектор – база – в прямом; режим отсечки, в котором оба перехода включены в обрат­ном направлении; режим насыщения, в котором оба перехода включены в пря­мом направлении.

Если транзистор применяется для усиления сигналов, то ос­новным является активный режим работы, если в качестве ключа – режимы отсечки и насыщения. Характер движения носителей заряда в активном режиме показан на рис. 2.7.

Напряжение источника Е_э понижает потенциальный барьер эмиттерного перехода и вызывает инжекцию через переход дырок в базу (ток эмиттера I_э). Большая часть этих дырок достигает коллекторного перехода, ускоряется полем этого перехода и доходит до внешнего вывода коллектора, создавая в его цепи ток I_к. Меньшая часть дырок рекомбинирует в базе, вызывая встречный поток электронов из внешней цепи в базу. Эта часть дырок создает ток базы I_б. Кроме того, термогенерация пар носителей заряда (в основном, в области коллекторного перехода) вызывает поток электронов, которые, двигаясь через базу, рекомбинируют с инжектированными дырками, и потока дырок, движущихся через коллектор к внешнему выводу. Эта составляющая называется обратным током коллектора I_ко.

Токи биполярного транзистора связаны соотношением:

I_э = I_к + I_б. (2.1)

Возможность усиления мощности состоит в том, что, изменяя ток от источника с малой ЭДС Е_э, можно управлять током источника с большой ЭДС Е_к. Чем большая часть носителей заряда достигает коллектора, тем больше ток в выходной цепи и тем меньше ток базы. Количественно эффективность транзистора как усилительного прибора характеризуется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера α_ст = I_к / I_э, определяемым как отношение тока коллектора I_к к вызвавшему его току эмиттера I_э, а также статическим коэффициентом передачи тока базы _ст = I_к / I_б. Усилительные свойства тем выше, чем ближе значение α к единице.

Ток коллектора I_к лишь незначительно меньше тока эмиттера и может быть определен из уравнения:

I_к = α_ст  I_э + I_ко. (2.2)

2.2.2. Схемы включения транзистора

Поскольку транзистор имеет три вывода, то при включении его в цепь один из выводов оказывается принадлежащем одновременно входной и выходной цепям – общим. В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим, различают три схемы включения: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК). Эти схемы включения показаны, соответственно, на рис. 2.8, а, 2.8, б, и 2.8, в.

По рис. 2.8 можно оценить основные свойства схем включения транзистора. В схеме ОБ входной ток – ток эмиттера I_э, а выходной – ток коллектора I_к. По величине эти токи близки друг к другу, поэтому схема ОБ не дает усиления по току. В схеме ОК входное и выходное напряжения незначительно отличаются друг от друга (на величину падения напряжения на эмиттерном переходе). Эта схема не дает усиления по напряжению. Схема ОЭ обеспечивает усиление по току, напряжению, и, соответственно, наибольшее усиление по мощности.

2.2.3. Характеристики транзистора

В заимосвязи между входными и выходными напряжениями и токами при их медленных изменениях описываются вольтамперными характеристиками. Типичная форма характеристик для схемы включения ОЭ показана на рис. 2.9.

ВАХ эмиттерного перехода (входная) изображена на рис. 2.9, а. Ее форма близка к форме ВАХ диода, но величина прямого напряжения при неизменном прямом токе зависит от напряжения коллектор-эмиттер U_кэ.

Семейство выходных ВАХ изображено на рис. 2.9, б. Резкая нелинейность ВАХ в области малых напряжений соответствует переходу транзистора из режима насыщения в активный режим. Нелинейность в области больших напряжений обусловлена электрическим пробоем коллекторного перехода.