Лаб_ФОЭ

Рис. 4.7. а – представление тиристора в виде связанных транзисторов; б – эквивалентная схема тиристора

Обратный ток коллекторного перехода равен сумме эквивалентных коллекторных токов: Iко = Iко 1 + Iко 2. После подстановки Iко и алгебраических преобразований найдем ток анода

текает ток IА ≈ Iко, что соответствует режиму положительного запирания. При достаточно высоких анодных напряжениях обратные токи коллек-

торных переходов возрастают, что вызывает увеличение коэффициентов передачи эмиттерных токов 1, 2 и рост анодного тока. При ( 1 + 2) 1 ток анода резко, скачкообразно возрастает, и тиристор переходит в открытый режим работы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ УПРАВЛЯЕМОГО ТИРИСТОРА Методика выполнения работы

Цели работы: исследование работы тиристора в закрытом режиме; изучение влияния управляющего тока на переход тиристора к открытому режиму работы, исследование работы тиристора в открытом режиме.

Приборы и принадлежности:

U1 источник постоянного регулируемого анодного напряжения; U2 гальванический источник напряжения цепи управления; mA1 – электронный миллиамперметр; V – электронный вольтметр; mA2 – стрелочный миллиамперметр; схемная плата с тиристором и резисторами.

Порядок выполнения эксперимента

1. Исследование зависимости анодного тока тиристора от тока в цепи управления в режиме положительного запирания

1.1. Проверьте правильность собранной схемы. На источнике анодного напряжения U1 установите ручки регулировки выходного напряжения в крайнее левое положение, ручку ограничения тока установите в среднее положение. На схемной плате установите ручки Rогр и RУ в крайнее левое по-

61

ложение. Переключателем “Кл” отключите цепь управляющего электрода.

1.2. Установите напряжение на тиристоре 10 В. При помощи миллиамперметра mA1 проведите измерения анодного тока IА.

1.3.Переключателем “Кл” включите цепь управляющего электрода; ручкой регулировки тока цепи управления установите ток

управляющего электрода IУ ~ 0,4-0,5 мА. Проведите измерения анодного тока тиристора.

1.4.Изменяя силу тока в цепи управления тиристора IУ через 0,4-0,6 мА, проведите из-

Рис. 4.8. Электрическая схема опыта мерения IА до момента открытия тиристора. Определите силу тока управления IУ вкл, при котором тиристор переходит в открытый режим. Данные эксперимента вне-

сите в табл. 4.1. По данным эксперимента постройте график зависимости

IА(IУ).

Таблица 4.1

UА

I

2. В открытом режиме работы тиристора установите на источнике U1 напряжение 10 В. С помощью переключателя “Кл” отключите цепь управляющего электрода. Увеличивая величину ограничительного сопротивления Rогр, (вращением ручки Rогр вправо) снимите зависимость анодного тока тиристора от величины анодного напряжения IA (UA). При выполнении эксперимента рекомендуется изменять напряжение на тиристоре через 0,02 В. Данные эксперимента внесите в табл. 4.2. По данным эксперимента постройте график зависимости I (UА) в открытом режиме работы тиристора.

Таблица 4.2

UА

I

Определите наименьшую величину анодного тока IА, при котором тиристор перейдет в режим положительного запирания. Найденное значение анодного тока называют током удержания Iудерж тиристора.

Контрольные вопросы

1.Типы тиристоров, их схемные обозначения; структура тиристора; названия электродов тиристора.

2.Названия слоев тиристора, степень их легирования примесями; названия р-п переходов в тиристоре.

3.Включение тиристора в запорном направлении; смещение переходов тиристора в режиме отрицательного запирания.

62

4.Включение тиристора в прямом направлении; смещение переходов тиристора в режиме положительного запирания.

5.Эквивалентная схема тиристора. Анализ перехода тиристора в открытый режим при помощи эквивалентной схемы.

6.Работа тиристора в управляемом режиме. Как влияет величина управляющего тока на переход тиристора в открытый режим работы? Как можно перевести тиристор в режим положительного запирания?

7.Какой вид имеет вольт-амперная характеристика тиристора при различных значениях управляющего тока? Укажите на вольт-амперной характеристике тиристора области отрицательного запирания, положительного запирания и открытого режима работы.

Список литературы

1.Безвербный А. В.: Физические основы электроники: Учеб. пособие. Владивосток: ДВГМА, 1997. С. 76 89.

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

Феникс, 2000. С. 112 123.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ НЕУПРАВЛЯЕМОГО ТИРИСТОРА Методика выполнения работы

Цели работы: исследование работы неуправляемого тиристора в закрытом режиме; переход тиристора к открытому режиму работы, исследование работы тиристора в открытом режиме.

Приборы и принадлежности: U источник постоянного регулируемого напряжения; mA – электронный миллиамперметр; V – электронный вольтметр; схемная плата с тиристором КН 102А и резисторами.

Порядок выполнения эксперимента

1. Исследование зависимости тока тиристора от величины анодного напряжения в режиме положительного запирания

1.1. Проверьте правильность собранной схемы. На источнике питания U установите ручки регулировки выходного напряжения в крайнее левое положение, ручку ограничения тока установите в среднее положение. На схемной плате установите ручку Rогр в крайнее левое положение.

Рис. 4.9. Электрическая схема опыта

1.2. С помощью ручек регулировки источника установите при помощи вольтметра V напряжение на тиристоре UА ~ 2-3 В. С помощью миллиам-

63

перметра mA проведите измерения тока I в цепи тиристора.

1.3. Изменяя напряжение на тиристоре через 2-3 В, проведите измерения силы тока I до момента открытия тиристора. По достижении напряжения 15В измерения анодного проводите через 1В. Данные эксперимента внесите в табл. 4.3. По данным эксперимента постройте график зависимости I (UА) в закрытом режиме работы тиристора.

Таблица 4.3

UА

I

2. Исследование зависимости тока тиристора от величины анодного напряжения в открытом режиме. Определение силы тока удержания

В открытом режиме работы тиристора установите на источнике U напряжение 20 В. Увеличивая величину ограничительного сопротивления Rогр, (вращением ручки Rогр вправо) снимите зависимость тока тиристора от величины анодного напряжения I(UA). При выполнении эксперимента рекомендуется изменять напряжение на тиристоре через 0,02 В. Данные эксперимента внесите в табл. 4.4. По данным эксперимента постройте график зависимости I (UА) в открытом режиме работы тиристора.

Таблица 4.4

UА

I

Установите наименьшую величину анодного тока IА, при котором тиристор перейдет в режим положительного запирания. Найденное значение анодного тока равно току удержания Iудерж тиристора.

Контрольные вопросы

1.Типы тиристоров, их схемные обозначения; структура тиристора; названия электродов тиристора.

2.Названия слоев тиристора, степень их легирования примесями; названия р-п переходов в тиристоре.

3.Включение тиристора в запорном направлении; смещение переходов тиристора в режиме отрицательного запирания.

4.Включение тиристора в прямом направлении; смещение переходов тиристора в режиме положительного запирания.

5.Эквивалентная схема тиристора. Анализ перехода тиристора в открытый режим при помощи эквивалентной схемы.

6.Физические процессы, приводящие к переходу диодного тиристора

(динистора) в открытый режим работы.

Список литературы

1.Безвербный А. В.: Физические основы электроники: Учеб. пособие. Владивосток: ДВГМА, 1997. С. 76 89.

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

Феникс, 2000. С. 112 123.

64

РАЗДЕЛ 5 ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Виды полевых транзисторов

Полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, в которых движение основных носителей от истока к стоку осуществляется по каналу. Проводимость канала изменяется с помощью напряжения (относительно истока) на затворе – управляющем электроде транзистора. По сути, полевой транзистор представляет собой резистор, сопротивление которого изменяется в широких пределах при помощи электрического поля. Управляемым током в полевых транзисторах является ток основных носителей, поэтому их также называют униполярными транзисторами, в отличие от биполярных транзисторов, в работе которых принимают участие как основные, так и неосновные носители.

В настоящее время распространены две большие группы полевых транзисторов, в которых управление проводимостью канала основано на разных физических принципах. В транзисторах с изолированным затвором управление проводимостью канала происходит с помощью электрического поля без переноса заряда через затвор. В транзисторах с управляющим p-n переходом для управления проводимостью канала применяется p-n переход, имеющий обратное смещение. При изменении напряжения смещения p-n перехода происходит модуляция ширины области объемного заряда, что и используется для управления проводимостью канала.

Полевые МДП транзисторы

Управление проводимостью полупроводника электрическим полем

Для понимания процессов влияния электрического поля на проводимость полупроводника рассмотрим МДПМ конденсатор, который представляет собой систему чередующихся слоев: металл (Ме1); диэлектрик (Д); полупроводник р или n типа; металл (Ме2). К слою Ме1 прикрепляется управляющий электрод (УЭ); к слою Ме2 прикрепляется электрод, который обычно называют “подложка” (П).

Пусть полупроводник является слабо легированным дырочным полупроводником (р-тип проводимости), контакт между подложкой и полупроводником является невыпрямляющим (омическим). Структура МДПМ конденсатора и его энергетических зон даны на рис. 5.1, 5.2.

Рис. 5.1. Структура МДПМ конденсатора Рис. 5.2. Схема энергетических уровней МДПМ конденсатора

65

Рассмотрим явления, происходящие в тонком слое полупроводника, прилегающего к границе “диэлектрик-полупроводник” (слой А), при подаче на УЭ электрического потенциала относительно подложки П (потенциал подложки в дальнейшем будем считать равным нулю).

1. При подаче на УЭ отрицательного потенциала (UУЭ < 0) в полупровод-

нике в течение короткого промежутка времени будет существовать электрическое поле, под действием которого произойдет перераспределение зарядов

(электростатическая индукция). В слое А увеличится концентрация дырок р'

> р, что приведет к увеличению проводимости слоя А. Рассмотренный режим работы МДПМ конденсатора называют режимом обогащения. Схема энергетических зон МДПМ конденсатора в режиме обогащения дана на рис. 5.3 а.

2.При подаче на УЭ небольшого положительного потенциала UУЭ в слое

Аполупроводника из-за электростатической индукции концентрация дырок

уменьшится р' < р , что приведет к уменьшению проводимости слоя А (режим обеднения). Концентрация электронов в слое А при этом несколько увеличится, но при небольших UУЭ np' < p', поэтому незначительное увеличе-

ние концентрации электронов в слое А не сможет существенно изменить проводимость этого слоя. Структура энергетических зон МДПМ конденсатора при режиме обеднения дана на рис. 5.3 б.

а б в

Рис. 5.3. Структура МДПМ конденсатора и схема его энергетических уровней при наличии смещения: а – режим обогащения; б – режим обеднения;

в– режим инверсной проводимости n–типа

3.При подаче на УЭ достаточно большого положительного потенциала

UУЭ слой А разделится на два подслоя А1 и А2. Слой А2 останется в режиме обеднения. В слое А1 концентрация электронов превысит концентрацию ды-

рок n' > р', то есть под действием электростатической индукции изменится

тип проводимости. Изменение типа проводимости полупроводника под влиянием внешнего электрического поля называют индуцированной инверсией проводимости. Напряжение, при котором появляется инверсия проводимости, называют напряжением инверсии Uинв. При выполнении условия UУЭ > Uинв при дальнейшем увеличении управляющего потенциала слой индуцированной электронной проводимости будет расширяться и проводимость этого слоя увеличится. Структура энергетических зон МДПМ конденсатора при режиме индуцированной проводимости дана на рис. 5.3 б.

66

Структура МДП транзистора

Полевой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) транзистор представляет собою полупроводниковый прибор, имеющий, как правило, четыре выхода: исток, сток, затвор и подложку. В транзисторах малой и средней мощности исток и подложку соединяют внутри корпуса транзистора. Таким образом маломощный полевой МДП транзистор обычно имеет три электро-

да: исток (И), сток (С) и затвор (З).

Основой транзистора является слаболегированная кремниевая полупроводниковая пластина р-типа. Верхнюю часть пластины обжигают в кислороде, в результате чего на ее поверхности образуется тонкий диэлектрический слой кварцевого стекла (SiO2). В слое SiO2 вытравливаются две полоски (расположены перпендикулярно плоскости чертежа); через образовавшиеся “окна” внедряется донорная примесь для образования слоев электронной проводимости (образуются слои истока и стока). Затем вакуумным напылением наносят металлические контакты к истоку и стоку. В средней части пластины (над каналом) на слой SiO2 напыляют третий электрод – затвор. Нижнюю поверхность пластины также металлизируют, образовавшийся при этом электрод (подложка) делает электрическое поле внутри транзистора более однородным.

Существуют две разновидности полевых МДП транзисторов.

В транзисторах со встроенным каналом (рис. 5.4) области истока и стока соединены постоянным каналом с тем же типом проводимости, канал расположен под изолированным затвором.

а б

Рис. 5.4. Полевой МДП транзистор с встроенным каналом n-типа: а – структура транзистора; б – схемное обозначение

При подаче на затвор (затвор в МДП транзисторе играет роль управляющего электрода) положительного относительно подложки потенциала U ЗИ > 0 некоторое количество электронов втянется в канал, проводимость канала увеличится (режим обогащения). При подаче на затвор отрицательного потенциала U З < 0 часть электронов уйдет из канала, проводимость канала уменьшится (режим обеднения). Напряжение на затворе отрицательной полярности, необходимое для полного перекрытия канала, называют напряжением отсечки U отс. Кроме рассмотренного типа транзистора, изготавливают также полевые МДП транзисторы со встроенным каналом р-типа, схемное обозначение которых отличается от рассмотренного направлением стрелки на подложке.

67

а б

Рис. 5.5. Полевой МДП транзистор с индуцированным каналом n-типа: а – структура транзистора; б – схемное обозначение

В транзисторах с индуцированным каналом (рис. 5.5) области истока и стока отделены друг от друга слоем полупроводника другого типа проводимости.

При потенциале на затворе положительной полярности UЗИ < Uинв канал между истоком и стоком отсутствует. При подаче на затвор достаточно высокого потенциала UЗИ > Uинв под ним индуцируется тонкий слой инверсной индуцированной проводимости, в результате чего возникает проводящий канал n-типа. Напряжение на затворе, при котором создается заметная проводимость канала, называется пороговым напряжением Uпор. При увеличении UЗИ проводимость канала возрастает, при уменьшении UЗИ проводимость канала уменьшается. Напряжение отсечки Uотс = Uпор. Кроме рассмотренного типа транзистора, изготавливают также полевые МДП транзисторы с индуцированным каналом р-типа, схемное обозначение которых отличается от рассмотренного направлением стрелки на подложке.

В процессе работы полевого транзистора участвуют основные носители, находящиеся в канале транзистора, поэтому их также называют униполярными или канальными транзисторами. Для маломощных (менее 0,5 Вт) МДП транзисторов наиболее типичными являются размеры: толщина полупроводниковой пластинки ~ 150 мкм, толщина канала ~ 2-3 нм, длина канала ~ 5 мкм, толщина диэлектрика (SiO2) ~ 0,15 мкм. В настоящее время разработаны также силовые полевые транзисторы большой мощности, способные управлять токами в несколько сотен ампер.

Включение МДП транзистора в статическом режиме

Рассмотрим работу полевого МДП транзистор с индуцированным каналом n-типа. Схема включения МДП транзистора в статическом режиме дана на рис. 5.6.

Источник UСИ обеспечивает ток в цепи “сток – исток”. Движение основных носителей по каналу в полевом транзисторе осуществляется от истока к стоку. В транзисторе с каналом n-типа носителями являются электроны, поэтому сток С соединяют с положительным полюсом источника UСИ (в транзисторе с каналом р-типа С соединяют с отрицательным полюсом источника). Источник UЗИ создает положительное смещение в структуре З-SiO2-р-П, которая представляет собой рассмотренный ранее МДПМ конденсатор. При

68

UЗИ Uпор под затвором индуцируется канал инверсной проводимости n-

типа, соединяющий области стока и истока, в результате чего в цепи стока возникает ток.

Примерная зависимость IС(UЗИ) при фиксированном значении UСИ (стокзатворная характеристика) дана на рис. 5.7. В статическом режиме работы ток в цепи затвора практически отсутствует, так как сопротивление пленки SiO2, отделяю-

Рис. 5.6. щей затвор от полупроводниковой пластинки, составляет несколько ГОм .

Зависимость IС(UСИ) при фиксированном значении UЗИ называют выходной характеристикой. Примерный вид выходных характеристик МДП транзистора с индуцированным каналом инверсионной проводимости при разных значениях UЗИ (UЗИ 3 > UЗИ 2 > UЗИ 1 > Uпор) представлен на рис. 5.8.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11 ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛЕВОГО МДП -ТРАНЗИСТОРА

Методика выполнения работы

Цели работы: изучение структуры и принципов работы МДП транзистора; исследование его сток-затворной и выходной характеристик

Приборы и принадлежности: источник регулируемого постоянного напряжения (U2), электронный миллиамперметр (mA), мультиметры (V1, V2), гальванический элемент (U1), полевой транзистор КП 501 А.

Схема опыта:

69

Рис. 5.9. Электрическая схема установки

Порядок выполнения работы

Задание 1. Изучение сток-затворной характеристики МДП транзистора

1. Перед началом работы установите:

на цифровом миллиамперметре «режим работы» в положение «mA», «предел измерений» в положение «20 mA»;

на мультиметрах V1, V2 переключатель «род работы» в положение

«=» «20 В»;

на измерительной плате ручку потенциометра R З в крайнее правое положение.

2.Включите приборы, после пятиминутного прогрева аппаратуры при-

ступайте к проведению измерений. Установите на источнике U 2 напряжение 4-6 В. Вращая ручку регулировки потенциометра R З влево, определите пороговое напряжение U пор, при котором появляется ток IС в цепи “исток – сток” в результате открытия инверсионного канала.

3.Увеличивая напряжение UЗИ через 0,1 В, измеряйте силу тока IC в цепи “сток-исток”. При каждом измерении с помощью регулировки выходного напряжения источника устанавливайте постоянным значение напряжения

UСИ, так как при возрастании IC увеличивается напряжение на резисторе нагрузки , в результате чего напряжение UСИ уменьшается. Данные эксперимента внесите в табл. 5.1.

Таблица 5.1

UСИ (В)

UЗИ(В)

IC (мА)

4. По данным измерений постройте сток-затворную характеристику МДП транзистора; методом касательной определите крутизну сток-затворной характеристики (UЗИ – по указанию преподавателя)

Задание 2. Изучение выходных характеристик МДП транзистора

70