12571

Исследование статических и динамических характеристик полупроводниковых диодов и транзисторов

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа №1 Исследование статических и динамических характеристик полупроводниковых диодов и транзисторов Цель работы: Цель работы: исследование вольтамперных и динамических характеристик работы полупроводниковых диодов и транзисторов а также общи...

Русский

2013-05-02

274 KB

132 чел.

Лабораторная работа №1

Исследование статических и динамических характеристик полупроводниковых диодов и транзисторов

Цель работы: Цель работы: исследование вольт-амперных и динамических характеристик работы полупроводниковых  диодов и транзисторов, а также общих принципов их использования в электронных цепях.

Полупроводниковые диоды

Диод представляет собой полупроводниковый элемент с двумя выводами, один из которых называют  анодом (А), а другой – катодом  (К). Различают  дискретные диоды в виде отдельного элемента, предназначенного для монтажа на плате и заключенного в собственный корпус, и интегральные диоды, которые вместе с другими элементами схемы изготавливаются на общей полупроводниковой подложке. У интегральных диодов имеется третий вывод, необходимый для соединения с общей подложкой.

Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия.. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгаллиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

При большом токе через р-n-переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода имеет вид

где R — сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называют последовательным сопротивлением.

Условное графическое обозначение полупроводникового диода приведено на рис. 1.1 а, а его структура на рис. 1.1 б. Электрод диода, подключенный к области Р, называют анодом, а электрод, подключенный к области N, — катодом. Статическая вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 1.1 в.

Рис. 1.1 Условное обозначение полупроводникового диода (а), его структура (б) и вольт-амперная характеристика (в)

Силовые диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

  •  падение напряжения Unp на диоде при некотором значении прямого тока;
  •  обратный ток Iобр при некотором значении обратного напряжения;
  •  среднее значение прямого тока Iпр.ср;
  •  импульсное обратное напряжение Uoбpм.

К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

  •  время восстановления tвос обратного напряжения;
  •  время нарастания прямого тока tнар;
  •  время рассасывания избыточного заряда базы tрас.

Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода, которая приведена на рис. 1.1 в

Динамические характеристики диода

Время обратного восстановления диода tвос является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока Iпр на заданное обратное напряжение Uобр. Графики такого переключения приведены на рис. Схема испытания, представляет собой однополупериодный выпрямитель, работающий на резистивную нагрузку и питаемый от источника напряжения прямоугольный формы.

Напряжение на входе схемы в момент времени t=0 скачком приобретает положительное значение Um. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течение времени tнар. Совместно с нарастанием тока в диоде снижается напряжение на диоде, которое после tнар становится равным Unp. В момент времени t1 в цепи устанавливается стационарный режим, при котором ток диода i=Iн - Um/Rн.

Такое положение сохраняется вплоть до момента времени t2, когда полярность напряжения питания меняется на противоположную. Однако заряды, накопленные на границе p-n-перехода, некоторое время поддерживают диод в открытом состоянии, но направление тока в диоде меняется на противоположное. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе p-n -перехода (т. е. разряд эквивалентной емкости). После интервала времени рассасывани начинается процесс выключения диода, т. е. процесс восстановления его запирающих свойств

Стабилитроны

Стабилитрон – это диод с точно заданным напряжением пробоя, рассчитанный на непрерывную работу в области пробоя и предназначенный для стабилизации или ограничения напряжения. Напряжение пробоя UBR стабилитронов обозначается символом UZ  и у стандартных образцов составляет  UZ  ≈ 3…400 В. Условное графическое обозначение и вольтамперная характеристика стабилитрона представлены на рис. 1.3 .

Рис. 1.3 Стабилитрон: а – условное обозначение; б – вольтамперная характеристика

Напряжение зенеровского пробоя UZ  зависит от температуры. Температурный коэффициент описывает относительное изменение напряжения пробоя при постоянном токе:

Дифференциальное сопротивление в области пробоя rZ  соответствует обратной величине наклона вольтамперной характеристики.

Рис. 1. 4. Стабилизация напряжения с помощью стабилитрона: а – схема; б – вольтамперная характеристика

Биполярные транзисторы

Транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами, имеющий три вывода. В зависимости от чередования областей полупроводников с различными типами электропроводности различают транзисторы типа p-n-p и типа n-p-n. Их схематическое устройство и условное графическое обозначение показано на рисунке 4.2.

Центральный слой транзистора называют  базой (Б), наружный слой, являющийся источником зарядов (электронов или дырок), – эмиттером(Э), а наружный слой, принимающий заряды, – коллектором(К).

На переход эмиттер – база напряжение источника Еэ подается в прямом направлении, и прямое сопротивление перехода мало, поэтому даже при малых Еэ возникает значительный ток эмиттер – база Iэ. На переход коллектор-база напряжение источника Ек подается в обратном направлении.

Рассмотрим работу транзистора типа p-n-p (рисунок 1.5) (транзистор типа n-p-n работает аналогично). При отсутствии источника Еэ эмиттерный ток Iэ=0, и в транзисторе через коллекторный переход в обратном направлении протекает малый ток (у кремниевых транзисторов Iко=0,1 ... 10 мкА).

При подключении источника Еэ возникает эмиттерный ток Iэ: дырки преодолевают переход эмиттер-база и попадают в область базы, где частично рекомбинируют со свободными электронами базы. Убыль электронов в базе пополняется электронами, поступающими из внешней цепи, образуя ток базы Iб. Благодаря диффузии часть дырок в базе, продолжая движение, доходит до коллектора и под действием электрического поля источника Ек проходит коллекторный p-n-переход. В цепи база-коллектор протекает ток Iк=IэIб.

Соотношение между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуют коэффициентом передачи тока

Так как IкIэ, то для биполярных транзисторов = 0,9 ... 0,995, и ток коллектора Iк=Iко+IэIэ.

Рассмотренная схема включения транзистора, где база является общим электродом для эмиттерной и коллекторной цепей, называется схемой с общей базой. Ее применяют крайне редко из-за низкого коэффициента передачи тока.

Существует три способа включения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (электрод, находящийся на входе и выходе схемы одновременно, определяет название схемы). Основной является схема с общим эмиттером (рис. 1.6,а), в которой входной ток равен току базы

Iб=IэIк=Iэ–(Iко+Iэ)=(1–)IэIкоIэIк.

Широкое применение схемы с общим эмиттером обусловлено малым входным (управляющим) током Iб. Коэффициент передачи тока для схемы с общим эмиттером =Iк/Iб колеблется в пределах 10 ... 200.

Выходные характеристики отражают зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при Iб=const (рис. 1.6,в).

Режимы насыщения и отсечки

Для перехода из линейного режима в режим насыщения необходимо увеличивать ток базы до тех пор, пока напряжение на коллекторе не понизится до такого значения, при котором произойдет отпирание коллекторного перехода. Такая ситуация может возникнуть в схеме когда в коллекторной цепи включено сопротивление нагрузки RH. В этом случае увеличение тока базы Iб приведет к увеличению тока коллектора Iк. В результате увеличится падение напряжения на нагрузке Кн и уменьшится напряжение на коллекторе Ukэ. Условием насыщения является

.

При глубоком насыщении транзистора выполняется условие Uk6>0. В любом случае при переходе в режим насыщения в базе протекает избыточный ток, т. е. ток базы превышает значение, необходимое для получения данного тока коллектора при работе транзистора в линейном режиме.

При глубоком насыщении транзистора в базе накапливается большое количество неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора.

Поскольку в режиме насыщения напряжение между коллектором и эмиттером достаточно малое, то в этом режиме транзистор можно заменить замкнутым ключом, на котором падает небольшое напряжение. Схема замещения транзистора в режиме насыщения приведена на рис.. В соответствии с этой схемой замещения напряжение на насыщенном ключе определяется по формуле

Другим ключевым режимом биполярного транзистора является режим отсечки. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения. Граничным режимом в этом случае является выполнение условия Ubэ = 0. В режиме отсечки транзистор можно заменить разомкнутым ключом, схема замещения которого приведена на рис.1.7 б. В соответствии с этой схемой замещения транзистор в режиме отсечки имеет некоторое достаточно большое сопротивление Ra и параллельно включенный ему генератор небольшого тока утечки  На вольт-амперных характеристиках транзистора, приведенных на рис. 1.6 а, режиму отсечки соответствует горизонтальная линия при Iб=0.


Динамические характеристики биполярного транзистора.

Динамические характеристики транзистора по-разному описывают его поведение в линейном или ключевом режимах. Для ключевых режимов очень важным является время переключения транзистора из одного состояния в другое. В то же время для усилительного режима транзистора более важными являются его свойства, которые показывают возможность транзистора усиливать сигналы различных частот.

Процессы включения и выключения транзисторного ключа показаны на рис. 1.8. При включении транзистора (рис. 1.8 а) в его базу подается прямоугольный импульс тока с крутым фронтом. Ток коллектора достигает установившегося значения не сразу после подачи тока в базу. Имеется некоторое время задержки t3 спустя которое появляется ток в коллекторе. Затем ток в коллекторе плавно нарастает и после времени tнар достигает установившегося значения Ik вкл, таким образом

При выключении транзистора на его базу подается обратное напряжение, в результате чего ток базы меняет свое направление и становится равным Iб.вык. Пока происходит рассасывание неосновных носителей заряда в базе, этот ток не меняет своего значения. Это время называется временем рассасывания tрас. После окончания процесса рассасывания происходит спад тока базы, который продолжается в течение времени tcп. Таким образом, время выключения транзистора равно


Порядок выполнения работы

Исследование статических характеристики биполярного транзистора.

Для моделирования статических характеристик в редакторе  Micro-Cap создать схему рис 1. Поскольку входное сопротивление транзистора мало, при исследовании  целесообразно использовать в качестве независимой переменной не напряжение, а ток. Поэтому к базе транзистора на рис. 1 подключен источник тока.

Исследование входной характеристики биполярного транзистора. В пункте меню Analisys необходимо задать режим моделирования по постоянному току (DC..). В качестве независимого источника выбрать источник тока в цепи базы транзистора. Диапазон изменения тока базы задается в диапазоне 0-5 мА.

Входную характеристику необходимо получить при двух значениях напряжения на коллекторе 0 В  и 10В. Для этого в задать необходимые значения напряжения источника напряжения в цепи коллектора.

Исследование выходных характеристик биполярного транзистора. В пункте меню Annalyses необходимо задать режим моделирования DC Analys а. В качестве независимого источника выбрать источник напряжения в цепи коллектора. Диапазон изменения напряжения на коллекторе  задается в диапазоне 0 - 20 В.

В качестве параметра использовать ряд значений тока базы. Рекомендуется задать четыре значения тока базы в диапазоне 0- 5 мА.

Исследование динамических характеристик биполярного транзистора.

Для исследования динамических характеристик создать схему Рис. 2. Напряжение источника питания Ec выбрать в диапазоне 10 – 20 В. Амплитуду генератора прямоугольных импульсов Eb выбрать в диапазоне 3 – 5В.  Частота генератора выбирается в диапазоне 10 –20 мГц.

Рассчитать сопротивления резисторов R1 и R2. Сопротивление резистора R2 выбрать таким образом чтобы ток через него Ic=Ec/R2 был  порядка 10-20 мА. Сопротивление резистора R1 рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить режим насыщения транзистора:

R1 < (Eb/Ec)*h21* R2

где  h21  = Ic/Ib– коэффициент усиления транзистора по току. Этот коэффициент определить по выходным характеристикам транзистора, полученным при исследовании статических характеристик.( h21 = Ic/Ib)

Задать в Orcad Capture/Setup режим моделирования переходных процессовTransient. Получить временные диаграммы токов Ib, Ic  и напряжений Eb, Uc.

По временным диаграммам определить напряжение эмиттер-база Ueb и эмиттер- коллектор Uec.  Проверить условие насыщения транзистора. Критерием режима насыщения является:   Ueb <= Uec

Определить время рассасывания неосновных носителей при запирании транзистора. Это время определяется как разность между моментном спада напряжения генератора прямоугольных импульсов и моментом начала нарастания напряжения на коллекторе транзистора.

Определить длительности переднего и заднего фронтов напряжения на коллекторе транзистора.

Повторить измерения еще для двух значений R1. Сопротивление резистора R1 увеличить в два и четыре раза относительно расчетного. Оценить влияние величины резистора R1 на длительности фронтов и время рассасывания.

Содержание отчета

В отчете привести схемы моделирования и следующие характеристики:

  1.  Статические характеристики (входные и выходные)
  2.  Динамические характеристики. (Временные диаграммы Ic, Uc, Ib, Ub/)

В отчете должны быть приведены также расчеты, произведенные при выполнении работы.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

79966. ИНФОРМАЦИОННАЯ СРЕДА ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ИЗДЕЛИЙ 248.5 KB
  Процессы и этапы жизненного цикла изделий Одним из направлений повышения эффективности промышленного сектора экономики является применение современных информационных технологий для обеспечения процессов протекающих в ходе всего ЖЦ продукции и ее компонентов. Понятие ЖЦ изделий для САLS ИПИконцепции является фундаментальным. Эти процессы осуществляются от момента выявления потребностей общества в определенных изделиях до удовлетворения этих потребностей и утилизации изделий. Рассмотрим в самом...
79968. ОСНОВНЫЕ ДЕТАЛИ И СБОРОЧНЫЕ ЕДИНИЦЫ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ 270 KB
  Механическими передачами или просто передачами называют механизмы для передачи энергии от машины – двигателя к машинеорудию как правило с преобразованием скоростей моментов а иногда с преобразованием видов движения. Передачи между машинойдвигателем и машинойорудием вводят по следующим причинам: скорость исполнительного органа в процессе работы машиныорудия необходимо изменять например у автомобиля грузоподъемного крана токарного станка а скорость машиныдвигателя чаще постоянна например у электродвигателей; нередко от...
79969. Основні завдання, які необхідно вирішувати в технологічній частині дипломної роботи магістра і бакалавра 369 KB
  Студент вивчає виробничий і технологічний процеси цеху заводу для чого використовує технологічні регламенти виробництва деталей будівельних матеріалів хімічних продуктів маршрутні і операційні карти обробки деталей. При описі технологічної частини проектів виконуваних за даними машинобудівних підприємств розробка технологічного заходу супроводжується необхідними розрахунками складанням маршрутних карт поопераційних карт визначенням штучного часу обробки заготовок деталей штучнокалькуляційного часу. Методичні рекомендації до...
79970. Общие принципы построения технологий 146.5 KB
  Общие принципы построения технологий Введение Обычно под производством понимают процессы создания чеголибо материального или духовного для удовлетворения потребностей. Общим для технологий всех видов есть то что они являются продуктом умственной деятельности человека. Неоценимо значение технологий так как им принадлежит определяющая роль в обеспечении качества и конкурентоспособности продукции они являются важнейшим фактором в развитии общества. Проведение глубоких качественных преобразований в экономике возможно лишь на базе современных...
79971. Технологические системы и современное производство 145.5 KB
  Технологические системы и современное производство Понятие ldquo;технологическая системаrdquo; Следствием НТП является интенсификация всех сфер производства и формирование высоко эффективных технологических систем на основе новой техники. Такие системы не изолированы они включают также людей участвующих в процессе взаимодействуют с окружающей средой гео био атмосферой и другими внешними системами. Отношение между элементами определяется целью то есть результатом действия системы в виде объекта предмета энергии информации...
79972. Основы создания ресурсосберегающих и безотходных технологий 55 KB
  Основы создания ресурсосберегающих и безотходных технологий Значение материальных ресурсов в жизнедеятельности человека Для производства требуемого продукта необходимо взаимодействие трех составных частей: рабочей силы предметов труда сырье материалы полуфабрикаты комплектующие энергоресурсы информация и др. Отсутствие или ограниченное наличие какогонибудь из перечисленных ресурсов создает общенациональную или даже глобальную проблему связанную с экономической независимостью государства и нации. Решение экономических социальных и...
79973. Основы технологий машиностроительного производства 112 KB
  С технологической точки зрения сборочная единица собирается отдельно независимо от других элементов и в дальнейшем в процессе сборки выступает как одно целое. Производственный и технологический процессы Производственный процесс – это совокупность взаимосвязанных действий человека и оборудования направленных на превращение исходных сырья материалов полуфабрикатов в готовое изделие соответствующее определенному служебному назначению. В производственный процесс входят основной и вспомогательный процессы. Основные процессы – это те...
79974. Качество продукции машиностроения 464 KB
  При изготовлении заготовок при механической обработке контроле сборке возникают различного рода погрешности как отклонения параметров от требуемых. В зависимости от причин их вызывающих погрешности можно разделить на следующие виды: систематические постоянные и изменяемые закономерно и случайные. Систематические постоянные погрешности не изменяются при обработке заготовок в одной партии. Они возникают под воздействием постоянно действующих факторов погрешности оборудования оснастки управляющих программ станков с ЧПУ.