Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы электроники. Лабораторный практикум. Учебное пособие
.pdf
21
а средний закрыт. Через тиристор протекает лишь незначительный ток неосновных носителей (рис. 12, г). По мере увеличения
прямого напряжения энергия носителей заряда, проходящих
через запертый n1–p2, увеличивается и при некотором напряжении (U
) возникает ударная ионизация атомов полупроводника в
вкл
зоне n1–p2 перехода. Ток резко возрастает. Два транзистора
(рис. 12, в) открываются, напряжение на тиристоре резко падает,
и он переходит в открытое состояние. Вольт-амперная характеристика открытого тиристора аналогична вольт-амперной характеристике диода. При снижении тока тиристор остаётся в открытом
состоянии до некоторого небольшого тока, называемого током
удержания (Iуд). Он несколько меньше тока включения, показанного на рис. 12 , г.
г
Рис. 12. Структура (а-в) и вольт-амперная характеристика диод-
ного тиристора (г)
ВАХ тиристора, представленная на рис. 12, г, показывает,
что происходит в тиристоре при повышении приложенного к нему напряжения. Сначала ток невелик и растет медленно, что соответствует участку ОА характеристики. В этом режиме тиристор
можно считать закрытым («запертым»). На сопротивление коллекторного перехода n1–p2 влияют два взаимно противоположных процесса. С одной стороны, повышение обратного напряжения на этом переходе увеличивает его сопротивление, так как под
влиянием обратного напряжения основные носители уходят в
22
разные стороны от границы, т. е. переход n1–p2 все больше обедняется основными носителями. С другой стороны, повышение
прямых напряжений на эмиттерных переходах p1-n1 и p2-n2
усиливает инжекцию носителей, которые подходят к переходу
n1–p 2, обогащают его и уменьшают его сопротивление. До точки
А перевес имеет первый процесс, и сопротивление растет, но
медленнее, так как постепенно усиливается второй процесс. Около точки А при некотором напряжении (десятки или сотни
вольт), называемом напряжением включения U
, влияние обоих
вкл
процессов уравновешивается, а далее даже ничтожно малое повышение подводимого напряжения создает перевес второго процесса и сопротивление перехода n1–p2 начинает уменьшаться. В
этом случае возникает лавинообразный процесс быстрого отпирания тиристора.
Управляемые тиристоры имеют, кроме основных выводов
(анод и катод), третий вывод - управляющий электрод. Он показан на рис. 12, в пунктиром. Подавая на него импульс тока поло-
жительной полярности, принудительно открывается один из
транзисторов. Второй транзистор также открывается, так как через его базу начинает протекать ток коллектора другого транзистора. Напряжение включения уменьшается (рис. 12, г). При токе
управления, превышающем открывающий ток (I
откр. у
), вольтамперная характеристика тиристора полностью аналогична характеристике диода. Таким образом, тиристор представляет собой частично управляемый вентиль, который можно перевести в
проводящее состояние при наличии одновременно двух факторов: положительный потенциал анода относительно катода; подача управляющего сигнала в виде тока управления в цепи
управляющего электрода. Если хотя бы один из этих факторов
отсутствует, то тиристор будет оставаться в закрытом состоянии.
Частичная управляемость тиристора заключается в том, что после
включения тиристора цепь управления становится ненужной, так
как он сам себя поддерживает во включенном состоянии. Выключить обычный тиристор по цепи управления невозможно. Поэтому он называется однооперационным тиристором. Для запирания тиристора необходимо снизить анодный ток до нуля.
23
В последнее время разработаны новые типы тиристоров,
так называемые запираемые или двухоперационные тиристоры.
Они являются полностью управляемыми. Физические процессы,
протекающие в запираемых тиристорах, аналогичны рассмотренным
для однооперационных за исключением процесса выключения
отрицательным током управления. Во включенном состоянии все
переходы тиристора находятся в состоянии насыщения. При достаточной величине длительности управляющего тока, а также
равномерности его распределения по всем ячейкам, избыточная
концентрация носителей заряда снижается до нуля вблизи коллекторного перехода. В этом случае коллекторный переход смещается в обратном направлении. Транзисторы начинают работать
в активном режиме, и в структуре возникает положительная об-
ратная связь при отрицательном базовом токе в n–p–n-
транзисторе VT2. Вследствие лавинообразного уменьшения заря-
дов в базовых областях анодный ток начинает снижаться. Транзистор VT2 n–p–n-типа первый входит в режим отсечки. Действие
положительной обратной связи прекращается, а дальнейший спад
анодного тока определяется рекомбинацией в n базе тиристора.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с краткой теорией.
2. Собрать схему рис. 13, клеммы Е1 и Е2 +12В подключе-
ны к источникам напряжения с ручкой регулировки.
Рис. 13. Принципиальная схема исследования тиристора
24
3. Подключить стенд к сети, включить автоматический вы-
ключатель модуля питания. Выкрутить против часовой стрелки
до упора ручку регулировки источника Е1. Включить источники
питания, удостовериться по показаниям А1, что ток управления
Iу=0.
4. Изменяя напряжение на тиристоре с помощью ручки регулировки Е2, заносить показания вольтметра (U) и амперметра
А2 (I) в табл. 4.
Таблица 4
U
I
5. Построить график зависимости I=f(U) при Iу =0.
6. Выключить источники питания для закрытия тиристора.
7. Установить напряжение источника Е1 = 2 В и определить
ток Iу по показаниям А1. Изменяя напряжение на тиристоре с помощью ручки регулировки Е2, заносить показания вольтметра
(U) и амперметра А2 (I) в табл. 5.
Таблица 5
U
I
8. Построить график зависимости I=f(U) при I
IА1=f(U1) при Iу = I
у1.
9. Выключить источники питания для закрытия тиристора.
10. Повторить пункты 7-9 для другого значения напряже-
ния источника Е1.
11. Увеличивая напряжение источника Е1, заносить пока-
зания Iу и I в табл. 6.
U
I
12. Построить график зависимости I=f(Iу) при U = const.
13. Проанализировать результаты, сделать выводы.
=0,
упр
Таблица 6
25
Содержание отчёта
1. Название работы.
2. Цель работы.
3. Исследуемые схемы.
4. Результаты наблюдений с таблицами.
5. Построить на одном рисунке статические ВАХ тиристора
по эксперименту. Обработать полученные графики и определить
основные параметры тиристоров.
6. Выводы.
7. Ответить на контрольные вопросы
Контрольные вопросы и задания
1. Какие типы тиристоров вы знаете, и чем они отличаются
друг от друга?
2. Как работает динистор, каковы его основные характери-
стики?
3. Как влияет температура на характеристики тиристоров?
4. Как изменяется вольтамперная характеристика трини-
стора при увеличении величины управляющего импульса и
почему?
5. Почему тиристор называют частично управляемым вен-
тилем?
6. Нарисуйте структуру p-n переходов тринистора и под-
пишите его выводы.
7. Чем отличается симистор от тринистора по структуре и
по характеристикам?
8. Каковы условия открытия тринистора?
9. Какие условия должны быть выполнены, чтобы трини-
стор закрылся?
10. Чем двухоперационный тиристор отличается от одно-
операционного?
Лабораторная работа № 3.
Исследование биполярного транзистора
Цель работы: ознакомление с конструкцией и принципом
действия транзистора; экспериментальное снятие вольт-
26
амперных характеристик и определение параметров схемы замещения транзистора.
Краткие теоретические сведения
Биполярный транзистор (БПТ) – полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими электрическими p-n переходами и тремя выводами, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей
заряда. Полупроводниковые транзисторы бывают двух видов :
биполярные и полевые. В отличие от полевых транзисторов биполярные получили наиболее широкое применение в электронике. Они состоят из чередующихся областей полупроводника,
имеющих электропроводности различных типов. В зависимости
от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы р-n-p и n-p-n типов (рис. 14).
а б
Рис. 14. Структура биполярного транзистора: а - n-p-n типа; б - р-n-p
Область транзистора, назначением которой является ввод
(инжекция) носителей зарядов в базу, называется эмиттером, и
соответствующий p-n-переход эмиттерным. Область транзистора,
назначением которой является вывод (экстракция) носителей из
базы, называется коллектором, и соответствующий p-n-переход
коллекторным. То есть получается, что эмиттер вводит электрические заряды в базу, а коллектор их забирает. При изготовлении
транзисторов эмиттер и коллектор выполняют низкоомными, а
базу - относительно высокоомной. Взаимодействие между двумя
p-n-переходами будет существовать только тогда, когда активная
ширина базы будет много меньше диффузионной длины неос-
27
новных носителей. Каждый из переходов транзистора может
быть включен либо в прямом, либо в обратном направлении. В
зависимости от этого различают следующие режимы работы биполярного транзистора.
1. Режим отсечки транзистора (режим, при котором оба перехода смещены в обратном направлении. В этом режиме транзистор находится в запертом состоянии) - переход база-эмиттер закрыт. Такое может произойти, когда напряжение база-эмиттер
маленькое. Поэтому ток базы отсутствует и, следовательно, ток
коллектора тоже.
2. Активный режим транзистора - это нормальный режим
работы транзистора. В этом режиме напряжение база-эмиттер
достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток
базы достаточен и появляется ток коллектора. Причем ток коллектора равняется току базы, умноженному на коэффициент усиления β.
3. Режим насыщения транзистора – в данный режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько
большим, что мощности источника питания просто не хватает
для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток
коллектора не может увеличиваться за увеличением тока базы.
4. Инверсный режим транзистора – этот режим отличается
от нормального режима тем, что эмиттер и коллектор меняются
ролями. Такое включение биполярного транзистора практического применения не нашло.
В первом приближении ток через эмиттерный переход I
Э
должен быть равен току коллектора IК. Так как падение напряжения на открытом эмиттерном переходе составляет доли вольта, а
напряжение на запертом коллекторном переходе может достигать
десятков и более вольт, то мощность, выделяемая в выходной
(коллекторной) цепи РК= IК∙UКБ, будет больше мощности
Р
вх=IЭ∙UБЭ
, затрачиваемой во входной цепи на управление коллекторным током. В реальных транзисторных структурах часть
инжектированных эмиттером носителей в процессе диффузии через область базы успевает рекомбинировать с основными носителями базовой области. В связи с этим ток коллектора будет
меньше эмиттерного.
28
Отношение этих величин называется коэффициентом пере-
K
Э
I
I
дачи коллекторного тока и определяется по формуле
a= , (3)
а разность IБ= IЭ – IК - базовым током (током базы).
Усилительные свойства транзистора тем выше, чем ближе
α к единице. Для реализации данного условия толщину базы
транзистора, делают маленькой. Поэтому площадь коллекторного
перехода выполняется большей, чем площадь эмиттерного. Из-за
такой асимметрии параметры транзистора в инверсном включении, когда выводы коллектора и эмиттера меняются местами,
существенно отличаются от параметров транзистора в нормальном (прямом) включении. В частности, α
инв
< α
Такое соотно-
норм.
шение можно записать следующим образом:
II ×=
b
, (4)
БK
где β – коэффициент усиления транзистора по току. Из этой фор-
мулы можно выразить основное свойство транзистора – небольшой ток базы управляет большим током коллектора.
В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три
основные схемы включения транзистора: с общей базой (рис. 15, а),
с общим эмиттером (рис. 15, б), с общим коллектором (рис. 15, в).
а б в
Рис. 15. Схемы включения биполярного транзистора: а – с общей базой
(ОБ); б – с общим эмиттером (ОЭ); в – с общим коллектором (ОК)
29
Для любой схемы включения транзистора справедливо следующее соотношение:
Iэ= Iк+ I
б. (5)
Таким образом, транзистор представляет собой управляемый прибор, его коллекторный ток зависит от тока эмиттера. Рассматривая транзистор как четырехполюсник, его можно описать
различными системами уравнений. Наибольшее распространение
получили три системы: Z, H и Y-параметров. Наиболее часто
применяются системы Н-параметров, так как они легко определяются экспериментальным путем и имеют конкретный физический смысл. Система в Н-параметрах имеет вид:
UhIhU ×+×= ;
2121111
UhIhI ×+×= .
2221212
dU
dI
1
1
const
==U
2
h (6) - входное сопротивление транзистора
11
при коротком замыкании со стороны выхода;
dU
dU
1
2
const
==I
1
h (7) - коэффициент обратной связи по на-
12
пряжению при холостом ходе со стороны входа;
dI
dI
2
1
const
==U
2
h (8) - коэффициент передачи по току при
21
коротком замыкании со стороны выхода;
dI
dU
2
2
const
==I
1
h (9) - выходная проводимость транзистора
22
при холостом ходе со стороны входа.
Эквивалентная схема транзистора в Н-параметрах пред-
ставлена на рис. 16.
30
Рис. 16. Эквивалентная схема транзистора в Н-параметрах
Значения Н-параметров зависят от схемы включения транзистора. Для каждой схемы включения транзистора выделяют два
основных типа вольт-амперных характеристик (рис. 17 а, б):
входные I1= f(U1) при U2=const; выходные I2= f(U2) при I1=const.
а б
Рис. 17. Характеристики для схемы с ОЭ: а – входные; б – выходные
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с краткой теорией. Собрать схему для снятия вольт-амперных характеристик биполярного транзистора,
включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 18), где Ек и Еб–
источники постоянного напряжения с ручками регулировки.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]