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

21833. СТРОИТЕЛЬСТВО ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В УСЛОЖНЁННЫХ УСЛОВИЯХ СТРОИТЕЛЬСТВА 50.5 KB
  Возведение строительных объектов в условиях плотной городской застройки. При строительстве в условиях плотной городской застройки возникает ряд факторов соблюдение которых обеспечивает качество и долговечность не только непосредственно возводимых объектов но и окружающих их соружений. Для ограничения складских площадей можно организовывать монтаж строительных конструкций с колёс применять максимально укрупнённые элементы применять апробированные в аналогичных условиях передовые строительные технологии.
21834. ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ 40 KB
  При составлении строительной технологической документации и выборе технологий выполнения тех или иных строительных процессов необходимо учитывать следующие факторы: наличие повышенного шумового фона сопровождающего почти все механизированные строительномонтажные работы; динамическое воздействие работающих механизмов на окружающие строения и грунты; выброс в атмосферу большого количества пылевых частиц различных фракций и газов от двигателей внутреннего сгорания; выработка большого количества строительных отходов в том числе...
21835. КОМПЛЕКСНАЯ МЕХАНИЗАЦИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ 81.5 KB
  Общие положения Возведение зданий и сооружений невозможно без применения различых машин механизмов и приспособлений облегчающих ведение строительно монтажных работ. Это способ механизированного производства работ при котором все основные и вспомогательные процессы и операции выполняются комплектами машин и механизмов взаимоувязанными по своей производительности и эксплуатациионным параметрам. За расчётный параметр принимается объём работ выполняемый основной ведущей машиной в единицу времени. При подборе комплекта машин и механизмов...
21836. Основные положения технологии возведения зданий и сооружений 105 KB
  Технология возведения зданий и сооружений ТВЗ объединяет простые и сложные технологические процессы различающиеся по основным элементам производства. Технологии возведения зданий и сооружений основываются на целом ряде общих принципов главными из которых являются следующие: технологии строительных процессов должны отвечать современному уровню и быть конкурентноспособны; строительная продукция должна отвечать требованиям государственных стандартов; основным и ведущим строительным процессом является технологический процесс возведения...
21837. Строительное проектирование 57.5 KB
  Она отражает технические объёмнопланировочные конструкционные стоимостные решения по строительному объекту и отвечает на вопрос Что строить; Проектносметная документация разрабатывается на основе СНиП 110195 Инструкция о порядке разработки согласования утверждения и составе проектной документации на строительство предприятий зданий и сооружений. Стоимостная информация Сметная документация СМ стоимость строительства подсчитанная по объёмам строительномонтажных работ. Для возведения зданий и сооружений на современном...
21838. Подготовительные работы 56.5 KB
  Перед началом строительства необходимо выполнить комплекс работ по подготовке строительной площадки. Состав работ носит общий характер для гражданского и промышленного строительства но зависит от местных условий площадки её расположения на рельефе и в городской застройке времени года и вида строительства новое расширение реконструкция. Внутриплощадочные работы: устройство геодезической разбивочной основы; расчистка территории; предварительная вертикальная планировка; водопонижение и водоотвод; перенос транзитных коммуникаций и...
21839. Технологии возведения земляных и подземных сооружений 105.5 KB
  стенка грейфер Схема опускного колодца слабый грунт рабочая нож песчаные сваи ...
21840. Возведение каменных зданий 113 KB
  В зависимости от нагрузки и условий работы для обеспечения устойчивости и повышения несущей способности отдельных элементов столбов стенок простенков их усиливают стальной арматурой. Отделочные и специальные работы отличаются большим разнообразием и выполняются по дизайнпроектам. Таблица 52 Цикл Наименование процессов Очерёдность выполнения работ Подземная часть Устройство котлована траншей под фундаменты. Отделочные и специаль ные работы Отделочные работы: штукатурные малярные плиточные столярные...
21841. Монтаж крупнопанельных зданий 107.5 KB
  Конопатка швови другие работы по стыкам внутри здания. бетонные работы.Специальные работы 1 этапа. Плиточные работы.