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

135 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

84436. МЕТОД РАСЧЕТА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ДОБАВЛЕННОЙ СТОИМОСТИ (EVA) 56.72 KB
  Управление факторами влияющими на стоимость компании. Это объяснялось тем что существующие до этого времени методы оценки деятельности фирмы уже не могли удовлетворять растущим требованиям менеджеров поскольку не позволяли оценивать деятельность компании в долгосрочном периоде.
84437. БИЗНЕС-ПЛАН ФИРМЫ «ФОТОС» 369.5 KB
  Результатом настоящего проекта будет являться открытие нового фотосалона и реализация фото-продукции и фото-услуг. Данный фотосалон будет выгодно отличаться от конкурентов наличием новейшего оборудования, позволяющем печатать на множестве различных твердых материалов...
84438. Многофункциональные аварийно-спасательные суда 3.63 MB
  Многофункциональное аварийно-спасательное судно - предназначено для борьбы с аварийными разливами нефти и спасательных операций. Его характерной особенностью является «косой» дизайн с асимметричным корпусом и несколькими винторулевыми колонками, что позволяет судну работать на переднем и заднем ходу...
84439. Усилитель звуковых частот (УЗЧ) 1.56 MB
  Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются, также, усилителями звуковой частоты, кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике...
84440. Анализ финансового состояния ООО «ОКОР» 627 KB
  Особо внимание уделяется эффективности использования оборотных средств, так как рациональное оборотных средств влияет на основные показатели хозяйственной деятельности промышленного предприятия: на рост объема производства, снижение себестоимости продукции, повышение рентабельности...
84441. Решение инженерной задачи методами вычислительной математики 459 KB
  В результате выполнения курсовой работы должен появиться навык и умение практического использования полученных знаний для решения некоторых теоретических и практических задач. Результаты сравнения представить в виде таблицы относительных погрешностей решения.
84442. Понятие алгоритма. Алгоритмизация 118.84 KB
  Вывод об алгоритмизации как части этапа программирования Алгоритмизация Понятие алгоритма Алгоритм - это последовательность команд выполнение которых приводит к решению поставленной задачи. Понятие алгоритма относится к первоначальным основным базисным понятиям математики.
84443. Бизнес-план «Сказочный дом» 733.84 KB
  В этих условиях музей должен доказывать конкурентоспособность. Это возможно с внедрением в управление современного менеджмента и маркетинга, а также за счет постоянной работы по созданию имиджа современного, интересного для населения музея.
84444. Рассчет налогов и платежей предприятия при обычной системе налогообложения 83.1 KB
  В процессе выполнения курсовой работы студент должен рассчитать все налоги и платежи, которые необходимо уплатить предприятию при обычной системе налогообложения и при применении специальных налоговых режимов. По условию курсовой работы предприятие занимается грузовыми автомобильными перевозками, выполняет работы по техническому обслуживанию и текущему ремонту автомобилей, а также имеет платную стоянку на 15 машиномест площадью 250 кв. м. Для охраны платной стоянки привлекается частное охранное предприятие (ЧОП).