3509

Pк.доп

Рис. 2.7 Выходная статическая характеристика биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

вие малости. Поэтому выражение для тока коллектора (2.4) можно упростить и представить в виде

Как видим, ток коллектора в активном режиме определяется только напряжением база-эмиттер и не зависит от напряжения коллектор-эмиттер. Если UКЭ уменьшать, то при UКЭ < UБЭ коллекторный p-n переход окажется смещённым в прямом направлении и его ток в соответствии с (2.4) будет уменьшать ток коллектора. Этот режим называется насыщенным. Промежуточный режим, при котором UКЭ =UБЭ , т.е. UБК =0, называется граничным. Напряжение граничного режима UКЭ.ГР определяется напряжением UБЭ и, следовательно, увеличивается с ростом тока базы.

У реальных транзисторов при работе в активном режиме наблюдается незначительное увеличение тока коллектора с увеличением UКЭ . Это объясняется тем, что при постоянном напряжении UБЭ (постоянном токе базы) увеличение UКЭ приводит к увеличению обратного напряжения на коллекторном переходе согласно выражению UБК =-(UКЭ –UБЭ). Увеличение обратного напряжение приводит к уменьшению толщины базы вследствие расширения коллекторного перехода, а следовательно, к увеличению коэффициента передачи эмиттерного тока за счёт увеличения коэффициента переноса. Этот эффект получил название эффекта Эрли. При некотором значении UКЭ ток коллектора может возрасти настолько, что произойдет тепловой перегрев транзистора, и он выйдет из строя. Поэтому выходная характеристика транзистора ограничена линией допустимой мощности рассеяния на коллекторе Рк.доп.

Рассмотрим теперь, как зависит выходное напряжение от входного, эта характеристика называется переходной.

Будем плавно увеличивать напряжение на эмиттерном переходе. При этом будет происходить увеличение IК в соответствие с (2.1) и уменьшение выходного напряжения по формуле

До тех пор, пока входное напряжение UБЭ не превысит порога отпирания эмиттерного перехода, токи IБ , IК и выходное напряжение UКЭ практически не изменяются. При достижении UБЭ порога отпирания происходит резкое увеличение IК и уменьшение UКЭ. Транзистор переходит в насыщенный режим, в котором IК ограничено сопротивлением нагрузки RН и уже не зависит от UБЭ. При этом UКЭ достигает своего минимального значения и в соответствии с (2.5) также не зависит от UБЭ. Переходная характеристика функциональной ячейки UКЭ(UБЭ) показана на рис. 2.8. На этом же рисунке приводятся зависимости токов коллектора и базы от входного напряжения. На втором графике этого рисунка аналогичные зависимости приведены для более высокой температуры.

Температурная зависимость входной ВАХ и переходной характеристики определяется температурной зависимостью тепловых токов эмиттерного и коллекторного переходов

IК

IБ

0 UБЭ

Рис. 2.8 Переходная и входная характеристики транзистора в ячейке ТЛНС при двух значениях температуры Т1 > Т2

T0 соответственно; I2-температура удвоения тока, для кремниевых приборов можно принять I2=10 К.

Из (2.6) следует, что с ростом температуры обратный ток увеличивается. Физика этого явления заключается в том, что с ростом температуры возрастает концентрация неосновных носителей заряда, определяющих обратный ток. Увеличение обратного тока приводит к сдвигу входной характеристики в область меньших значений входных напряжений, т.к. один и тот же ток перехода достигается при меньшем напряжении на р-п переходе. По этой же причине происходит и сдвиг переходной характеристики в область меньших значений входных напряжений с ростом температуры.

Составление программы, проведение численных экспериментов

1. Введите исходные данные: Vcc, rk,; rb, Rn, Вn, Вi и константы:

qe

3. Задайте начальные приближения и исходные данные для решения математической модели i:=0 j:=0 Ik:=10-3 Ib:=10-2 Ie:=10-2. Введите ключевое слово Given и ниже систему уравнений для токов и напряжений Знак приближенного равенства в этих выражениях вводится одновременным нажатием клавиш Ctrl и =.

Given

Find(Ie,Ik,Ib)=

На экране после знака = появится столбец числовых значений токов. Самый верхний элемент в нем будет соответствовать первому из перечисленных в скобках слева - направо неизвестному току (в данном случае Ie), а самый нижний – последнему (в данном случае Ib).

4. Рассчитайте входную характеристику транзистора Ib(Uinp) для всех при трёх значениях температуры:

a)T= 200K;T=320K;T=400K;

b)Т=240 К; Т=280 К; Т=400 К;

c)T =200K;T=280K;T=360K.

Для этого создайте одномерные массивы токов для каждого значения температуры. Например, для варианта задания а) это могут быть массивы с именами Ib200j; Ib320j; Ib400j.

Каждый элемент массива получается в результате однократного расчета системы уравнений при заданных значениях i и j. Для внесения одного элемента массива необходимо выполнить действия в следующей последовательности. Задайте значение i. Например, для температуры Т=200 К i=0, а для Т=280 К i=2. При каждом значении i последовательно задавайте j=0, затем j=1 и т.д. до j=J. Полученное при каждом расчете значение тока Ib внесите в массив токов для данной температуры. Например, для i=0 (Т=200 К) наберите Ib200:= , затем введите символ «запятая» и в появившуюся на экране ячейку введите значение тока базы, после этого опять введите символ «запятая» перед введением очередного значения тока.

5.Постройте графики входных характеристик Ib(j) при заданных значениях температуры. Сделайте вывод, как изменяется входная характеристика с увеличением или понижением температуры. Объясните эту зависимость.

6.Рассчитайте выходную характеристику транзистора Ik(Uкэ). Для этого задайте в ранее введенных исходных данных Rn=0, при этом Uкэ будет равно Vcc. Изменяйте Vcc (путем изменения значения r) с шагом 0,15 B от 1,5В до значения, при котором ток коллектора станет равным нулю. Задайте

Vcc :=1.5 − r deltaU

Увеличивая каждый раз величину r на единицу, производите расчет тока коллектора. Расчет производите при температурах:

a)Т=200 К;

b)Т=280 К;

c)Т=360 К,

ивходных напряжениях Uinp=0,6 B и Uinp=0,7 B. Результаты заносите в отдельные массивы. Например, для температуры Т=200К и Uinp=0,6 B этот мас-

сив может иметь имя Ik2006r .

7.Постройте графики выходных характеристик при заданной температуре и значениях входного напряжения (для примера Ik2006r(1.5-r deltaU)). По этому графику определите коэффициент усиления базового тока.

8.По аналогии с п.4 рассчитайте зависимость тока коллектора от входного напряжения Uinp(j). Для этого верните первоначальные значения Rn и Vcc.

a)T= 200K;T=320K;T=400K;

b)Т=240 К; Т=280 К; Т=400 К;

c)T =200K;T=280K;T=360K.

9.По результатам расчетов постройте графики зависимости Ik(j) при трех значениях температур, указанных в п.8.

10.Рассчитайте переходную характеристику функциональной ячейки ТЛНС. Выходное напряжение при этом рассчитайте по формуле

Uout200j:=Vcc-Ik200j Rn.

Расчет проведите для следующих значений температур:

a)Т=200 К; Т=320 К; Т=400 К;

b)Т=240 К; Т=280 К; Т=400 К;

c)Т=200 К; Т=280 К; Т=360 К.

11.По результатам расчетов постройте графики переходных характеристик ячейки ТЛНС при трех значениях температуры. Сделайте вывод, как зависит напряжение переключения ячейки от температуры.

12.Исследуйте зависимость переходной характеристики ячейки от

a)Напряжения питания Vcc.

b)Сопротивления нагрузки Rn. Исследования проведите при температурах:

a)Т=200 К;

b)Т=320 К;

c)Т=400 К.

Как зависит помехоустойчивость ячейки, которая прямо пропорциональна разности высокого и низкого уровней выходного напряжения, от Vcc и Rn?

Контрольные вопросы

1.Дайте определение транзистора. Какие типы биполярных транзисторов, различающихся типом проводимости, вы знаете? Какую конструкцию имеют плоскостной и интегральный транзисторы? В чем преимущества и недостатки существующих схем включения биполярных транзисторов?

2.Объясните физические процессы, происходящие в биполярном транзисторе во время переключения. Какими носителями заряда формируются токи базы, коллектора и эмиттера? Какими формулами определяются коэффициенты инжекции, переноса и передачи?

3.Объясните входную, выходную и передаточную характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Как влияет температура на входную и передаточную характеристики транзистора? Как по выходной характеристике определить коэффициент усиления базового тока в схеме с общим эмиттером? Как влияет напряжение питания и сопротивление нагрузки на помехоустойчивость ячейки ТЛНС?

4.Нарисуйте эквивалентную электрическую схему Эберса – Молла. Объясните назначение каждого из входящих в нее элементов. Выведите математическую модель Эберса – Молла.

5.Расскажите о достоинствах и недостатках схемной реализации логических функций ТЛНС, РТЛ, РЕТЛ, ДТЛ, ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ.

Индивидуальные задания к лабораторной работе № 2

Лабораторная работа № 3

Исследование характеристик тиристора

Цель работы: провести численный анализ вольтамперной характеристики (ВАХ) тиристора.

Постановка задачи

Тиристором называется трех переходный полупроводниковый прибор, предназначенный для выпрямления переменного тока. Достоинством тиристора является низкая, по сравнению с диодом, рассеиваемая мощность в прямом и обратном включениях. К недос-

кивание» приводит к нарушению заданного закона функционирования полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на их основе.

ЗАДАЧА. Изучить физические процессы, лежащие в основе тиристорного эффекта. Смоделировать прямую ветвь ВАХ тиристора. Исследовать влияние базового тока и температуры среды на её параметры.

Описание модели

модель Эберса –Молла, определяемую системой уравнений (2.1). Можно показать, что в этом случае ток анода IА будет определяться выражением

где IКД0, UКД – тепловой ток коллекторного перехода р-п-р транзистора и падения напряжения на нём соответственно; ϕТ – температурный потенциал; RУТ,КД – сопротивление утечки коллекторного перехода. Используя двух транзисторную аналогию, можно получить зависимость UКД(IКД) в тиристоре

где IЭД10, IЭД20 – тепловые токи эмиттерных переходов р-п-р и п-р-п транзисторов соответственно; UА – напряжение анод-катод (рис. 3.2); r – сопротивление тела анода тиристора.

Рассмотрим выражение (3.1), с целью качественного анализа ВАХ тиристора. Заметим, что для биполярных структур, например, транзистора, αN1 ≈1 и αN2 ≈1 , поэтому ток анода IA должен иметь отрицательное значение, а при стремлении αN1 +αN2 к 1 возрастать до бесконечности. Однако такой случай

личивается и растёт усиление тиристора (знаменатель в 3.1 стремиться к нулю). Возрастание обратного тока может происходить либо вследствие электрического пробоя перехода либо вследствие увеличения токов утечек, шунтирующих р- п переход, либо вследствие действия внешних ионизирующих факторов. Рассмотрим теперь, как влияет эффект зависимости коэффициентов передачи эмиттерных токов от тока анода на ВАХ тиристора (рис. 3.4). В области положительных напряжений при фиксированном значении тока базы IБ ток анода первоначально возрастает вследствие роста обратного тока коллекторного перехода. Этому состоянию тиристора соответствует участок запирания (0–1). По мере возрастания IА увеличивается αN1 +αN2. При приближении этой величины к единице IА стремиться возрасти до бесконечности. Однако его величина ограничена сопротивлением нагрузки и не может превышать значения UA/r. Из (3.3) следует, что увеличение IА приводит к увеличению UКД. Первоначально отрицательное значение UКД при некотором значении IА сначала становится положительным и продолжает увеличиваться. Увеличение UКД приводит к уменьшению UА. Этому состоянию соответствует область отрицательного сопротивления (1–2), в которой увеличение анодного тока сопровождается уменьшением анодного напряжения. На участке (2–3), который называется об-

ластью отпирания, обе транзисторные структуры работают в насыщенном режиме, ток коллекторного перехода направлен противоположно токам эмиттерных переходов. Увеличение анодного напряжения приводит одновременно к увеличению токов эмиттерных и, противоположного им по направлению, току коллекторного перехода. В результате ток анода изменяется очень слабо. Увеличение анодного напряжения происходит, в основном, за счет увеличения падения напряжения на сопротивлении тела коллектора.

При изменении полярности анодного напряжения обратно смещенными окажутся оба эмиттерных перехода. Поэтому ток анода будет равен наимень-

имеется четыре характерные точки, поэтому для её описания целесообразно взять полином третьей степени (степень полинома отсчитывается от нуля):

Значения коэффициентов аппроксимации определяются из условия того, что при каждом из четырех токов значения γ должны совпадать с экспериментально определенными значениями:

Решая (3.6) можно определить коэффициенты интерполяции а0, а1, а2, а3 экспериментальной зависимости γ(IA).

Таким образом, для определения зависимости IА(UA) необходимо решить систему уравнений