МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ ДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ Компьютерная электроника-Новая_copy

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

4.3Зніміть зворотну гілку ВАХ стабілітрона Д814А. Для цього змініть полярність підключення джерела живлення і мультиметрів. Результати вимірювань занесіть у табл. 4.4.

Таблиця 2.4. Зворотна гілка ВАХ стабілітрона Д814А

Е, В 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Uст , В

I , мА

4.4За даними вимірів (табл. 1–4) побудуйте графіки вольт-амперних характеристик досліджуваних стабілітронів.

4.5Зробіть висновки по роботі, оформіть звіт.

Питання і завдання для повторення:

4.1.Що таке напівпровідниковий стабілітрон?

4.2.Що називають пробоєм р-n- переходу?

4.3.Які існують види пробою р-n- переходу і в чому їх принципова різниця?

4.4.Які види пробою використовуються в стабілітронах?

4.5.Намалюйте вольт-амперну характеристику стабілітрона, вкажіть на ній ділянку стабілізації.

4.6.Поясніть принцип роботи найпростішої схеми стабілізації напруги.

4.7.Перерахуйте основні параметри стабілітронів.

4.8.Що таке ТКН і як він визначається?

4.9.Чим обмежений мінімальний та максимальний струми стабілізації?

4.10.Перерахуйте області застосування стабілітронів.

31

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

Лабораторна робота № 5. Дослідження біполярного транзистора (БТ).

Мета: вивчення принципу дії та властивостей біполярного транзистора, дослідження його характеристик, ознайомлення з основними параметрами та використанням біполярних транзисторів.

Програмне забезпечення: програмне забезпечення комп'ютерного моделювання електронних схем (програма Electronic Workbench).

Основні теоретичні відомості

Транзистором називають електронний напівпровідниковий прилад, призначений для посилення, генерування та перетворення електричних коливань. Зазвичай виділяють два класи транзисторів: біполярні транзистори (БТ) й польові транзистори.

УБТ струм через кристал обумовлений рухом носіїв заряду обох знаків (і електронів, і дірок).

Упольових транзисторах протікання струму через кристал обумовлено рухом носіїв заряду одного знака (електронів чи дірок).

БТ називають напівпровідниковий прилад з двома взаємодіючими pn-переходами і трьома виводами. Він має структуру, що складається з чергуються областей з різними типами електропровідності: npn або pnp (мал.3.1).

Принцип роботи БТ обох структур однаковий, вони відрізняються тільки полярністю підключення джерел живлення. Розглянемо роботу БТ на прикладі структури npn. У пластину напівпровідника p-типу з низькою концентрацією дірок наплавляються з двох сторін таблетки донорної домішки. Атоми донорної домішки проникають в кристал, створюючи n- області. Між n-областями і напівпровідником p-типу утворюються pn-переходи. При цьому в одній n-області створюють велику концентрація домішок (на рис. - У лівій n-області), ніж в іншій. Найменша концентрація домішки залишається в середній області p-типу. Зовнішня область з найбільшою концентрацією домішки називається емітером, друга зовнішня область - колектором, а внутрішня область - базою. Електронно-дірковий перехід між емітером і базою називають емітерний перехід, а між колектором і базою - колекторним переходом. Відповідно до концентрацією основних носіїв заряду база є високоомній областю, колектор - низкоомной, а емітер - самої низкоомной. Товщина бази дуже мала і становить одиниці мкм; площа колекторного переходу в кілька разів перевищує площу емітерного переходу.

32

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

Мал. 3.1. Пристрій і умовні графічні позначення біполярних транзисторів: а - npnструктури; б - pnp-структури (стрілка емітера спрямована у напрямку прямого струму в переході база-емітер)

Застосування БТ для посилення електричних коливань засноване на його принципі дії як керованого електронного приладу. У схемі включення транзистора (рис.3.2) до емітерного переходу повинен бути доданий пряму напругу, а до колекторному - зворотне. Якщо на емітерний перехід немає напруги, то через колекторний перехід протікає дуже невеликий зворотний струм Iкобр. У порівнянні з робочим струмом їм можна знехтувати для спрощення міркувань і вважати, що в колекторному ланцюзі струму немає, тобто транзистор закритий.

При подачі на емітерний перехід прямої напруги від джерела харчування Ее відбувається інжекція носіїв заряду з емітера в базу, де вони є неосновними. Для транзистора npn цими носіями заряду є електрони. Рух електронів в процесі інжекції через емітерний перехід створює струм емітера Iе. Електрони, що перейшли в базу, мають поблизу pn-переходу підвищену концентрацію, що викликає дифузію їх в базі. Товщина бази дуже мала, тому електрони в процесі дифузії опиняються поблизу колекторного переходу. Велика їх частина не встигає рекомбінувати з дірками бази і втягується пришвидшує електричним полем колекторного переходу в область колектора. Відбувається екстракція електронів під дією зворотної напруги з бази в колектор. Рух електронів в процесі екстракції з бази в колектор створює струм колектора Ік. Незначна частина інжектіруемих з емітера в базу електронів рекомбінують в області бази з дірками, кількість яких поповнюється із зовнішнього кола від джерела Ее. За рахунок цього в ланцюзі бази протікає струм бази Iб. Він дуже малий з-за невеликої товщини бази і малої концентрації основних носіїв заряду - дірок. За цих умов число рекомбінацій, що визначають величину струму бази, невелика.

Мал.3.2. Схема підключення БТ до джерел живлення

Струм колектора управляється струмом емітера: якщо збільшиться струм емітера, то практично пропорційно зросте струм колектора. Струм емітера може змінюватися у великих межах при малих змінах прямої напруги на емітерний перехід.

Струми трьох електродів транзистора пов'язані співвідношенням:

Iе = Ік + Iб.

Струм бази значно менше струму колектора, тому для практичних розрахунків часто вважають Ік = Iе.

Принцип дії pnp-транзистора аналогічний розглянутому, але носіями заряду, що створюють струми через pn-переходи в процесі інжекції і екстракції, є дірки; полярність джерел Ее і Ек повинна бути змінена на протилежну, відповідно зміняться і напрямки струмів у ланцюгах.

На підставі розглянутих процесів можна зробити висновок, що БТ як керований прилад діє за

33

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

рахунок створення транзитного (проходить) потоку носіїв заряду з емітера через базу в колектор і управління струмом колектора шляхом зміни струму емітера. Таким чином, біполярний транзистор управляється струмом.

Струм емітера як прямої струм pn-переходу змінюється значно при дуже малих змінах напруги на емітерний перехід і викликає, відповідно, великі зміни струму колектора.

На цьому засновані підсилювальні властивості транзистора.

Досліджувана схема показана на рис.3.3. Статичний коефіцієнт передачі струму

.

Коефіцієнт передачі струму визначається відношенням приросту колекторного струму до викликає його приросту базового струму:

.

Диференціальне вхідний опір БТ в схемі з загальним емітером (ОЕ) визначається при фіксованому значенні напруги колектор-емітер. Воно може бути знайдено як відношення приросту

напруги база-емітер до викликаного їм збільшенню струму бази :

.

Диференціальне вхідний опір БТ у схемі з ОЕ через параметри транзистора визначається наступним виразом:

,

де - Розподілений опір базової області, - Диференціальний опір переходу база-емітер, визначається з виразу:

rЕ = 25/IЕ, де IЕ - постійний струм емітера (в мА).

Оскільки << , То можна використовувати формулу: .

Мал.3.3

Диференціальний опір для БТ порівнянно з диференціальним вхідним опором БТ у схемі із загальною базою , Яке визначається при фіксованому значенні напруги база-колектор:

34

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

.

Через параметри БТ це опір визначається виразом:

.

Оскільки. <<Rе, то можна вважати, що .

Порядок виконання роботи

1.Запустіть Electronics Workbench.

2.Підготуйте новий файл для роботи. Для цього необхідно виконати наступні операції з меню: File/New і File/Save as. При виконанні операції Save as буде необхідно вказати ім'я файлу і каталог, у якому буде зберігатися схема.

3.Розгляньте схеми на мал. 3.4, 3.5, 3.6.

Мал.3.4. Схема для визначення вхідної ВАХ (СЕ).

4. Перенесіть необхідні елементи з заданої схеми на робочу область Electronics Workbench. Для цього необхідно вибрати розділ на панелі інструментів (Sources, Basic, Diodes, Transistors,

Analog Ics, Mixed Ics, Digital Ics, Logic Gates, Digital, Indicators, Controls, Miscellaneous,

Instruments), у якому знаходиться потрібний вам елемент, потім перенести його на робочу область.

35

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

Мал.3.5. Схема для визначення вихідної ВАХ (СЕ).

5.З'єднайте контакти елементів і розташуйте елементи в робочій області для одержання необхідної вам схеми. Для з'єднання двох контактів необхідно клацнути по одному з контактів лівою кнопкою миші і , не відпускаючи клавішу, довести курсор до другого контакту. У разі потреби можна додати додаткові вузли (розгалуження). Натисканням на елементі правою кнопкою миші можна одержати швидкий доступ до найпростіших операцій над положенням елемента, таким як обертання (rotate), розворот (flip), копіювання/вирізання

(copy/cut), вставка (paste).

Мал.3.6. Схема для визначення вихідної ВАХ (СБ).

6.Проставте необхідні номінали і властивості кожному елементу. Для цього потрібно двічі виконати подвійне натискування лівою кнопкою миші на зображенні елемента.

7.Коли схема зібрана і готова до запуску, натисніть кнопку включення живлення на панелі інструментів. У випадку серйозної помилки в схемі (замикання елемента живлення накоротко, відсутність нульового потенціалу в схемі) буде видано попередження.

8.Зробіть аналіз схеми, використовуючи інструменти індикації. Вивід термінала здійснюється подвійним натисканням клавіші миші на елементі. У випадку потреби можна скористатися кнопкою Pause.

9.При необхідності зробіть доступні аналізи в розділі меню Analysis.

10.Занесіть пояснення щодо створення схем у звіт.

11.Зробіть висновки.

Контрольні запитання.

1.Опишіть принцип дії БТ, приведіть його схеми включення та статичні ВАХ.

2.Які три області (режими) роботи має БТ?

3.Чим визначаються частотні властивості БТ?

36

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

Лабораторна робота № 6. Дослідження польового транзистора з р-n переходом.

Мета роботи: вивчити та експериментально дослідити вольт-амперні характеристики (ВАХ) і параметри польових транзисторів з керувальним p-n- переходом.

Програмне забезпечення: програмне забезпечення комп'ютерного моделювання електронних схем (програма Electronic Workbench).

Основні теоретичні відомості

Польові транзистори є напівпровідниковими приладами, в яких проходження струму зумовлено дрейфом основних носіїв заряду під дією поздовжнього електричного поля. Управління струмом у польових транзисторах здійснюється шляхом зміни електропровідності струмопровідної ділянки напівпровідника поперечним електричним полем. Це поле створюється напругою, прикладеною до керуючого електроду.

Польові прилади можуть працювати в підсилювальному або ключовому режимі. Головна особливість польових приладів полягає в тому, що їх коло керування ізольоване від вихідного кола діелектриком або зміщеним у зворотному напряму p-n-переходом. Фактично коло керування польового приладу являє собою конденсатор, заряд на обкладках якого змінюється під дією керуючого поля (напруги). Напівпровідникова обкладка цього конденсатора входить у вихідне коло приладу: зміна заряду обкладки призводить до зміни опору каналу і відповідно вихідної потужності.

Таким чином передача керуючого заряду в польових транзисторах здійснюється напругою (через ємність). Управління безпосередньо електричним полем визначає основні особливості експлуатації польових напівпровідникових приладів.

У технічній літературі розглянутий тип приладів визначають трьома термінами:

–на основі принципу управління такі прилади зазвичай називають польовими приладами;

–внаслідок того, що перенесення струму в них забезпечується одним типом носіїв заряду, поширене інша назва - уніполярні прилади;

–вихідні параметри таких приладів в основному визначаються в ластивостями каналу, і можна зустріти термін канальні прилади.

У класі польових транзисторів розрізняють транзистори з ізольованим затвором

зі структурою метал-діелектрик-напівпровідник (МДН-транзистори) і транзистори з керувальним p-n-переходом. У МДН-транзисторах керувальне коло відокремлене від каналу діелектриком. Зазвичай в якості діелектрика використовують оксид (діоксид кремнію SiO2) і говорять про МОН-транзисторах (зі структурою метал - оксид - напівпровідник).

У польових транзисторах з керувальним p-n-переходом (рис. 5.1, а) керуюче коло відокремлене від каналу зворотно зміщеним p-n-переходом, при цьому канал розташований в об’ємі напівпровідника й існує при нульовій напрузі на затворі, тобто є вбудованим каналом. На керувальний p-n-перехід можна подавати лише зворотну

37

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

напругу, і тому польові транзистори з керувальним p-n-переходом працюють в режимі збіднення каналу носіями заряду.

МДН-транзистори застосовують двох типів: з вбудованим і індукованим каналами. У МДН-транзисторі з індукованим каналом (рис. 5.1, б) при напрузі на затворі, що дорівнює нулю, канал відсутній. Тільки при прикладенні до затвору так званої порогової напруги утвориться (індуктується) канал. При цьому полярність напруги на затворі повинна збігатися зі знаком основних носіїв в обсязі напівпровідника-підкладки: на поверхні напівпровідника індукується заряд протилежного знаку, тобто тип провідності приповерхневого шару напівпровідника інвертується і утворює провідний канал.

Зменшення струму на виході МДН-транзистора з вбудованим каналом (рис. 5.1, в) забезпечується подачею на керуючий електрод – затвор напруги U3 з полярністю, відповідною знаку носіїв заряду в каналі: для p-каналу U3> 0, для n-каналу U3 <0. Напруга затвору U3 зазначеної полярності викликає збіднення каналу носіями заряду, опір каналу збільшується, і вихідний струм зменшується. Якщо змінити полярність напруги на затворі, то відбудеться збагачення каналу дірками і відповідно збільшення вихідного струму.

Таким чином, МДН-транзистори з вбудованим каналом можуть працювати як в режимі збіднення каналу носіями заряду, так і в режимі збагачення. МДН-транзитстор з індукованим каналом працюють тільки в режимі збагачення.

З точки зору експлуатації напівпровідникових приладів необхідно підкреслити, що МДН-транзистор з індукованим каналом за відсутності напруги управління – це нормально закритий прилад. Польовий транзистор з вбудованим каналом (польовий транзистор з керувальним p-n-переходом або МДН-транзистор з вбудованим каналом) - прилад нормально відкритий, тобто для підтримки закритого стану таких транзисторів необхідно подавати зміщення в колі управління. Якщо коло управління з якої-небудь причини відключається, то нормально закритий прилад закривається, а в нормально відкритому приладі струм на виході різко зростає і прилад може вийти з ладу.

Польовий транзистор має три основних електрода: керувальний електрод – затвор З, вхідний – виток В і вихідний – стік С. Стоком називається електрод, до якого надходять носії заряду з каналу. Якщо канал, наприклад, n-типу, то носії заряду, що надходять з каналу – електрони, а полярність напруги стоку позитивна. Можливий також четвертий електрод (див. рис. 5.1, б, в), який з'єднується з пластиною вихідного напівпровідника – підкладкою.

На рис. 5.1 наведені основні позначення польових транзисторів. МДПтранзистори з індукованим каналом (нормально закриті) мають пунктирну лінію в позначенні каналу (див. рис. 5.1, б), польові транзистори з вбудованим каналом (нормально відкриті) - суцільну (див. рис. 5.1, в) . Стрілка в позначенні польових транзисторів визначає тип каналу: спрямована до каналу – для каналу n-типу та від каналу

– для p-типу. В умовному позначенні МДН-транзистора відображений факт ізоляції

Рис. 5.1. Умовне зображення польових транзисторів: а - з керувальним p-n-переходом; б - МДН-транзистора з індукованим каналом; в - МДН-транзистора з вбудованим каналом;

38

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

Польові транзистори широко застосовуються в пристроях промислової електроніки: в джерелах живлення і стабілізаторах, в перетворювачах для привода постійного і змінного струму, в потужних підсилювачах, у вихідних каскадах обчислювальних пристроїв, в системах управління перетворювачів та ін.

Вольт-амперні характеристики польового транзистора і їх якісний опис.

Основними характеристиками польового транзистора є характеристики передачі –

Рис.5.2. Сімейство вихідних ВАХ польового транзистора На цих характеристиках варто виділити три області: лінійну (при малих напругах

U c ); область насичення, де струм стоку не залежить від U c ; область пробою, де струм стоку різко зростає з ростом U c .

Розглянемо хід вольт-амперної характеристики для випадку, коли U3 0 . Якщо

напруга U c мала (область І), то зміна ширини p-n-переходу мала в порівнянні з товщиною каналу і опір останнього практично не відрізняється від початкового. Тому зв'язок між струмом Ic і напругою U c буде майже лінійним. При збільшенні U c «горловина» каналу звужується, що помітно позначається на зростанні опору каналу, і зростанні струму Ic від U c поступово сповільнюється. Змиканню «горловини» каналу відповідає точка перегину, і вольт-амперна характеристика виходить на ділянку насичення. Напруга U c , відповідне цій точці, називають напругою насичення U c.н .

На ділянці II, коли U c U c.н струм Ic з ростом U c не змінюється. Це пояснюється зростанням диференціального опору каналу за рахунок поширення «горловини» каналу від стоку до витоку. Потенціал «горловини» зберігає значення U c.н , а різниця потенціалів

39

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

U c U c.н падає на ділянці між стоком і «горловиною». Поширення «горловини» у бік

витоку буде відбуватися до тих пір, доки області об'ємного заряду p-n переходів не заповнять весь обсяг провідного каналу або не відбудеться пробій переходів (область Ш).

Розглянемо тепер хід характеристик, коли на затвор подано від’ємне зміщення. У цьому випадку напруга на переході буде визначатися напругою на затворі і падінням напруги вздовж каналу (вздовж осі х) при протіканні струму стоку:

U3. відс. . При цьому напруга U ( X ) буде відповідати напрузі насичення U c.н . Зі сказаного випливає, що

Характеристики польового транзистора не еквідистантні. Це пояснюється нелінійною залежністю ширини p-n-переходу від напруги. Тому при рівному збільшенні відстань між характеристиками не однакова (див. рис. 5.2).

Зі зростанням напруги на затворі пробій p-n переходу відбувається при менших напругах U c .

Характеристика передачі (або стоко-затворні характеристики) показані на рис. 5.3. Вони являють собою залежність струму стоку від напруги. Характер цієї залежності визначається принципом роботи польового транзистора.

Iс

Uс2

Uс1

Рис.5.3. Сімейство характеристик передачі польового транзистора.

Максимальний струм стоку Ic при заданій напрузі Ic відповідає U3 0 . При збільшенні U3 0 за абсолютним значенням Ic зменшується і, коли U3 U3. відс. , струм стоку стає рівним нулю.

Підготовка до виконання лабораторної роботи

40