Лаб_ФОЭ

Коэффициент ст называют статическим коэффициентом передачи тока базы в схеме с ОЭ.

Входная характеристика транзистора

Вид входной характеристики транзистора определяется схемой включения. В схеме с ОЭ входной характеристикой является зависимость тока базы IБ от напряжения UБЭ на эмиттерном переходе при фиксированном напряжении Uкэ на коллекторном переходе

IБ(UБЭ)|Uкэ = const.

Входная характеристика транзистора имеет сходство с вольт-амперной характеристикой выпрямительного диода, однако крутизна нарастания тока базы уменьшается с ростом коллекторного напряжения.

Рис. 3.5. Входная характеристика транзистора в схеме с ОЭ:

1 Uкэ = 0; 2 Uкэ > 0

Это происходит благодаря эффекту Эрли: обратное смещение на коллекторном переходе вызывает расширение области отрицательного объемного заряда в базовом слое, вследствие чего происходит уменьшение толщины нейтрального базового слоя. В результате уменьшается количество актов рекомбинации в базе, что в конечном итоге приводит к уменьшению тока базы при тех же значениях напряжения на эмиттерном переходе.

Выходная характеристика транзистора

В схеме с ОЭ выходной характеристикой является зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированном токе базы

IК(UКЭ)|IБ = const.

При открытом эмиттерном переходе и малых смещениях коллекторного перехода (0 ≤ UКЭ ≤ 1 В) в области коллекторного перехода наблюдается высокая концентрация электронов, благодаря чему сопротивление коллектора имеет наименьшее значение. Этот режим работы транзистора называют режимом насыщения. В режиме насыщения коллекторный ток связан с током базы соотношением (3.5).

В активном режиме работы (напряжение на коллекторном переходе UКЭ > 1 В) концентрация электронов в области коллекторного перехода снижается из-за увеличения напряженности поля коллекторного перехода и со-

51

противление коллектора возрастает. В активном режиме работы сила коллекторного тока слабо увеличивается с ростом UКЭ. Зависимость IК(UКЭ) при IБ = const в активном режиме работы близка к линейной, ее описывают соотношением

Рис. 3.6. Выходная характеристика транзистора в схеме с ОЭ:

1 режим насыщения; 2 активный режим; 3 режим отсечки; 4 область пробоя

Приближенно можно полагать, что выходные характеристики транзистора для схемы с ОЭ в активном режиме расположены на отрезках прямых, веерообразно расходящихся из одной точки на оси напряжений. Напряжение UЭ, равное по модулю отрезку по оси напряжений от 0 до точки UЭ, называют напряжением Эрли.

При работе транзистора на коллекторе выделяется тепловая мощность РК=IКUКЭ. Во избежание перегрева транзистора необходимо, чтобы мощность, выделяемая на коллекторе, была меньше максимально допустимой мощности транзистора

График зависимости IК max = РК max / UКЭ показан на рис. 3.6 пунктиром; пунктирная линия отделяет область активного режима (2) от области тепло-

вого пробоя (4). Для увеличения РК max у мощных транзисторов увеличивают теплоотвод от коллектора, закрепляя транзисторы на специальных радиаторах – толстых зачерненных металлических пластинах.

52

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ИССЛЕДОВАНИЕ ВХОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Методика выполнения работы

Цели работы: изучение структуры БП транзистора; принципов работы БП транзистора в открытом режиме; изучение входных характеристик при работе транзистора по схеме с ОЭ.

Приборы и принадлежности: лабораторный модуль по электронике c источниками постоянного стабилизированного напряжения U1, U2, электронные вольтметры V1, V2, миллиамперметр mA.

Схема опыта

Рис. 3.7. Электрическая схема для изучения входной характеристики транзистора

В приведенной на рис. 3.7 схеме входное напряжение UБЭ создается при помощи источника U1 и потенциометра R. Выходное напряжение UКЭ поступает на коллектор транзистора от источника U2 при установке ключа «Кл» в положение 2.

Порядок проведения измерений

1. Перед началом работы проверьте правильность собранной схемы согласно рис. 3.7, установите соответствие измерительных приборов экспериментальной установки схеме опыта.

2. Установите переключатель «Кл» в положение 1 (напряжение на коллекторе UКЭ = 0). Изменяя напряжение на базе транзистора регулировочным резистором R, измерьте при помощи вольтметра V1 напряжение UБЭ и с помощью миллиамперметра измерьте ток базы IБ транзистора (рекомендуется проводить измерения через 0,05 мА, максимальное значение тока базы не должно превышать предельного значения IБ пред = 0,5 мА). Данные измерений внесите в табл. 3.1.

3. Установите переключатель «Кл» в положение 2 (напряжение на коллекторе UКЭ = 9 В). Изменяя напряжение на базе транзистора, согласно П. 2. измерьте напряжение UБЭ и ток базы IБ транзистора. Данные измерений внесите в табл. 3.1.

53

4. По данным измерений постройте графики входной характеристики транзистора IБ(UБЭ) для двух исследуемых случаев.

5. Рассчитайте дифференциальное сопротивление эмиттера для исследуемых случаев по формуле

rUБЭ

ЭIЭ U КЭ =const

Таблица 3.1

UК № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

UБЭ

IБ

UБЭ

IБ

Контрольные вопросы

1.Структура биполярного транзистора.

2.Типы транзисторов, их схемные обозначения, названия электродов. Какими примесями легируются различные области транзистора?

3.Транзистор как четырехполюсник, включение источников напряжения в схемах с ОЭ, ОБ, ОК.

4.Природа тока через эмиттерный переход, коэффициент инжекции эмиттера, его примерные значения.

5.Природа тока базы; как влияет ширина базы и процессы рекомбинации носителей в базе на работу транзистора?

6.Природа тока в коллекторном переходе; формула для расчета тока коллектора. Объясните, почему коллекторный электрод делают более массивным и в мощных транзисторах его крепят к радиатору?

7.Входная характеристика транзистора в схеме с ОЭ; влияние напряжения UКЭ на ток базы, эффект Эрли.

Список литературы

1.Спиридонов О. П. Физические основы твердотельной электроники: Учеб. пособие. – М.: Высш. шк. 2008. С. 128–140.

2.Безвербный А. В.: Физические основы электроники: Учеб. пособие. Владивосток: ДВГМА, 1997. С. 58–75.

3.Лачин В. И., Савѐлов Н. С. Электроника: Учеб. пособие. Ростов н/Д:

Феникс 2000, С. 54 82.

4.Зи С. Физика полупроводниковых приборов: М. Энергия, 1984.

5.Пасынков В. В., Чирков А. К. Полупроводниковые приборы. М.:

Высш. шк. 1986. С. 48–53.

54

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫХОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Методика выполнения работы

Цели работы: изучение структуры БП транзистора и принципов его работы в открытом режиме; изучение выходной характеристики при работе транзистора по схеме с ОЭ.

Приборы и принадлежности: лабораторный модуль по электронике, электронный вольтметр и миллиамперметры.

Схема опыта

Рис. 3.8. Электрическая схема для изучения выходной характеристики транзистора

В приведенной на рис. 3.8 схеме входной ток IБ задается при помощи источника постоянного напряжения U1 и переменного резистора R1. Выходное напряжение UКЭ устанавливается с помощью источника U2 и переменного резистора R2.

Порядок проведения измерений

1. Перед началом работы проверьте правильность собранной схемы согласно рис. 3.8; установите соответствие измерительных приборов экспериментальной установки электрической схеме опыта.

2. Установите ручку регулировки резистора R1 в крайнее левое положение (ток базы при этом должен быть близким к 0). Включите приборы. Изменяя напряжение UКЭ при помощи регулировочного резистора R2 через 1 В, снимайте значения тока коллектора IК. Данные измерений занесите в табл. 3.2.

3. С помощью резистора R1 установите ток базы IБ = 0,05-0,1 мА. Изменяя напряжение UКЭ через 0,5-1 В, снимайте значения тока коллектора IК. При проведении измерений необходимо с помощью реостата R1 поддерживать постоянное значение тока базы. Данные занесите в табл. 3.2.

4. Рассчитайте для напряжения UКЭ = 1В по формуле 3.5 приближенное значение статического коэффициента передачи тока базы ст.

5. Повторите измерения согласно п. 3 для другого значения IБ (по указанию преподавателя).

6. По данным эксперимента постройте графики исследуемых выходных характеристик. С помощью графических построений согласно рис. 3.6 опре-

55

делите приближенное значение напряжения Эрли UЭ .

Контрольные вопросы

1.Структура биполярного транзистора; название слоев и переходов.

2.Типы транзисторов, их схемные обозначения, названия электродов. Какими примесями легируются различные области транзистора?

3.Транзистор как четырехполюсник, включение источников напряжения

всхемах с ОЭ, ОБ, ОК.

4.Природа тока через эмиттерный переход, коэффициент инжекции эмиттера, его примерные значения.

5.Природа тока базы; как влияет ширина базы и процессы рекомбинации носителей в базе на работу транзистора?

6.Природа тока в коллекторном переходе; формула для расчета тока коллектора. Объясните, почему коллекторный электрод делают более массивным и в мощных транзисторах его крепят к теплоотводу?

7.Выходная характеристика транзистора; режимы работы транзистора, определение напряжения Эрли.

Список литературы

1.Спиридонов О. П. Физические основы твердотельной электроники: Учеб. пособие. – М.: Высш. шк. 2008. С. 128–140.

2.Безвербный А. В.: Физические основы электроники: Учеб. пособие. Владивосток: ДВГМА, 1997. С. 58–75.

3.Лачин В. И., Савѐлов Н. С. Электроника: Учеб. пособие. Ростов н/Д:

Феникс 2000, С. 54 82.

4.Зи С. Физика полупроводниковых приборов: М. Энергия, 1984.

5.Пасынков В. В., Чирков А. К. Полупроводниковые приборы. М.:

Высш. шк. 1986. С. 48–53.

56

РАЗДЕЛ 4

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ТИРИСТОРА Краткая теория

Структура тиристора; типы тиристоров

Тиристорами называют полупроводниковые приборы с двумя устойчивыми режимами работы (открыт, закрыт), имеющие три или более р-п переходов. Обычно тиристор состоит из четырех слоев полупроводника с чередующимся типом проводимости. Слои p1* и n2* (см. рис. 4.1, 4.2) называют

эмиттерными*, они имеют (по сравнению с другими слоями) повышенную концентрацию примесей и являются эмиттерами дырок и электронов. Слои п1 и р2 называют базовыми, они должны быть достаточно тонкими, чтобы неосновные носители, эмиттированные из слоев p1* и n2* , могли диффузно

проходить через них. Различают тиристоры двух типов: неуправляемые и управляемые.

Неуправляемые тиристоры (называются также диодными тиристорами или динисторами) имеют два электрода – анод А (примыкает к эмиттерному слою p1) и катод K (примыкает к эмиттерному слою n2).

Рис. 4.1. Неуправляемый тиристор (динистор): а – структура тиристора; б – схемное обозначение

Управляемые тиристоры имеют три вывода: анод А, катод K и управляющий электрод У (подсоединен к базовому слою р2).

Рис. 4.2. Управляемый тиристор:

а – структура тиристора; б – схемное обозначение

Переходы П1 и П3 называются эмиттерными. Переход П1 является эмит-

* Символ (*) указывает на высокую концентрацию примесей; при последующем изложении опущен.

57

тером дырок в базовый слой п1, переход П3 – эмиттером электронов в базовый слой р2. Переход П2 называют коллекторным, так как его режим работы схож с режимом работы коллекторного перехода биполярного транзистора. Все металлизированные контакты с полупроводниковыми слоями тиристора являются омическими (невыпрямляющими) контактами.

Режимы работы тиристора

1.Отрицательное запирание

Врежиме отрицательного запирания катод тиристора соединяют с положительным, а анод (через нагрузку) – с отрицательным полюсом источника

постоянного напряжения. В исследуемом режиме эмиттерные переходы П1 и П3 имеют обратное смещение, в результате чего через тиристор протекает обратный ток Iнас р-п переходов П1 и П3. Участок вольт-амперной характеристики тиристора в этом режиме практически совпадает с характеристикой выпрямительного диода с широким p-n переходом при обратном смещении

(рис. 4.6, кривая 1).

Рис. 4.3. Включение тиристора в режиме отрицательного запирания

2. Положительное запирание (динисторное включение)

При прямом включении катод тиристора соединяют с отрицательным, а анод (через нагрузку) – с положительным полюсом источника постоянного напряжения.

Рис. 4.4. Прямое динисторное включение тиристора

В режиме положительного запирания коллекторный переход П2 находится при обратном смещении, в результате чего через тиристор протекает малый обратный ток Iнас p-n перехода П2 (рис. 4.6, кривая 2). Практически все напряжение источника падает на коллекторном переходе, и прямые смещения на эмиттерных переходах П1 и П3 близки к нулю.

58

3. Переход к открытому режиму при динисторном включении

При достаточно высоком напряжении на коллекторном переходе П2 начинают развиваться лавинные процессы, в результате чего увеличивается ток тиристора и возрастают прямые смещения на эмиттерных переходах. Из эмиттеров увеличивается инжекция электронов и дырок, которые через базовые слои диффундируют в область коллекторного перехода, а затем контактным полем перебрасываются через него в базовые слои, создавая в базовых слоях объемные отрицательные и положительные заряды. Увеличение концентрации носителей в области коллекторного перехода уменьшает сопротивление коллекторного перехода, в результате чего напряжение на тиристоре уменьшается, а на нагрузке увеличивается. Объемные (дырочные) заряды в базовом слое р2 создают положительный потенциал. Объемные (электронные) заряды в базовом слое n1 создают отрицательный потенциал. Разность потенциалов, созданная объемными зарядами в базовых областях, приводит к прямому смещению коллекторного перехода, и тиристор за короткий отрезок времени (скачком) переходит в открытый режим работы. Участок вольт-амперной характеристики тиристора в открытом режиме (рис. 4.6, кривая 5) практически совпадает с характеристикой выпрямительного диода с широким p-n переходом при прямом смещении.

4. Работа тиристора при управляемом включении

При управляемом включении между катодом и управляющим электродом включается источник постоянного напряжения U2, который создает прямое смещение эмиттерного перехода П3. Через переход П3 из эмиттерного слоя п2 в базовый слой р2 происходит инжекция электронов. Часть электронов рекомбинирует в базовом слое, создавая ток IУ в управляющем электроде. Остальные электроны диффузно достигают области коллекторного перехода П2, откуда они, как неосновные носители, перебрасываются в базовый слой n1, создавая в нем объемный отрицательный заряд. Отрицательный заряд в базовом слое n1 увеличивает прямое смещение эмиттерного перехода П1, что приводит к увеличению эмиссии дырок через переход П1, которые затем диффузно попадают в область перехода П2, откуда перебрасываются контактным полем в базовый слой р2, создавая в нем объемный положительный заряд.

Рис. 4.5. Включение тиристора в управляемом режиме

Описанные процессы приводят к некоторому увеличению тока тиристора (рис. 4.6, кривые 3, 4), но режим положительного запирания сохраняется до тех пор, пока сила управляющего тока не превысит определенного критиче-

59

ского значения IУ кр (величина IУ кр уменьшается с ростом анодного напряжения). При увеличении управляющего тока увеличиваются прямые смещения переходов П1 и П3 и уменьшается обратное смещение коллекторного перехода, что приводит при 1У ≥ 1У кр к переходу тиристора к открытому режиму

(рис. 4.6, кривая 5).

В открытом режиме работы все р-п переходы тиристора имеют прямое смещение. Ток управляющего электрода не влияет на работу тиристора в от-

крытом режиме, если анодный ток IA превышает ток удержания Iудерж (Iудерж

– наименьшее значение анодного тока, при котором объемные заряды в базовых областях достаточны для поддержания перехода П2 в открытом со-

стоянии). При IA ≥ 1удерж открытый режим работы тиристора будет сохраняться и при отключении цепи управления. Это свойство используется для

управления работой тиристора с помощью коротких импульсов управляющего тока, приводящих к открытию тиристора. Для закрытия тиристора необходимо на короткое время отключить прямое смещение*.

Вольт-амперная характеристика тиристора

Рис. 4.6. График зависимости тока тиристора от напряжения:

1 – отрицательное запирание;

2 – положительное запирание при динисторном включении; 3, 4 –положительное запирание при управляемом включении; 5 – открытый режим

Эквивалентная схема тиристора

Аналитический расчет токов тиристора в режиме прямого запирания и перехода тиристора к открытому режиму работы удобно проводить при помощи эквивалентной схемы, согласно которой тиристор представляют составленным из связанных р-п-р и п-р-п транзисторов.

Коллекторные токи транзисторов определяются соотношениями**

Iк 1 = 1 Iэ 1 + Iко 1 ; Iк 2 = 2 Iэ 2 + Iко 2. (4.1)

где 1, 2 – коэффициенты передачи тока эмиттеров; Iко 1, Iко 2 – обратные токи коллекторов.

В качестве примера рассчитаем ток тиристора при динисторном включении (IУ = 0, IA = Iэ 1 = Iэ 2 = Iк 1 + Iк 2). После подстановки в (4.1) получим

*В импульсном режиме работы время отключения анодного напряжения должно превышать время рассасывания избыточных зарядов в базовых слоях тиристора.

**Токи в транзисторах рассмотрены на С. 50.

60