Исследование характеристик полупровдниковых приборов

Цель работы

Изучить принцип действия и характеристики биполярного транзистора (БТ), полевого транзистора (ПТ) и тиристора. Определить основные параметры приборов.

Содержание работы

1.1. Исследование входных и выходных характеристик БТ. Определение параметров r_вх, g_вых.

1.2. Исследование усилительных свойств БТ. Определение коэффициента усиления b.

1.3. Снятие выходных и сток-затворных характеристик ПТ с управляющим p-n переходом. Определение параметров I_с.нач., S, U_отс.

1.4. Ознакомление с работой тиристора и определение его параметров U _у.от., I _у.от., U _отк.

Общая часть

2.1. Принцип работы БТ

В зависимости от принципа действия н конструктивных признаков транзисторы подразделяются на два класса: биполярные и полевые.

Биполярными транзисторами называют приборы с тремя слоями полупроводника и двумя взаимодействующими p – n переходами. Ток в этих приборах образуется за счет носителей зарядов двух типов: электронов и дырок. В зависимости от типа электропроводности различают транзисторы структуры p – n – p и n – p – n. В биполярном транзисторе к одному переходу прикладывается небольшое прямое напряжение, а к другому – обратное. При этом переход, к которому приложено прямое напряжение, называют эмиттерным (Э), средний слой – базой (Б), а второй переход, смещенный в обратном направлении, – коллекторным (К). Условные обозначения транзисторов разной проводимости приведены на рис 1.1.

I э

R к

I к

n – p – n p–n–p U _эб = 0,1 – 1 В U _кб = 10 – 100 В

 

Рис. 1.1. Графические обозначения БТ Рис. 1.2. Схема включения БТ

 

При отсутствии входного напряжения (U _эб = 0) ток в эмиттере также отсутствует, а через переход К–Б под действием напряжения U _кб протекает небольшой обратный ток коллектора I _к, обусловленный неосновными носителями.

Если к переходу Э–Б приложить открывающее напряжение (U _эб > 0) (рис. 1.2), возникает значительный прямой ток эмиттера I _э, который частично обусловлен рекомбинацией основных носителей в базе. Большая часть этих носителей заряда проходит через тонкий слой базы, имеющий большое удельное сопротивление, достигает коллектора и под действием U _кб образует основную составляющую выходного тока коллектора:

,

где – коэффициент передачи тока.

Так как напряжение источника питания U _кб в выходной цепи больше, чем во входной, то всякое небольшое изменение входного напряжения вызывает значительные изменения напряжения на нагрузке R _к, включенной в цепь коллектора. На этом основан принцип усиления напряжения в транзисторном каскаде.

Свойства транзистора и его вольт-амперные характеристики зависят от схем включения, среди которых наиболее распространена схема включения с общим эмиттером (ОЭ), исследуемая в данной работе. В этой схеме транзистор имеет большую чувствительность по сравнению с рассмотренной схемой ОБ, входной ток базы значительно меньше тока I _э.

Входные характеристики БТ (рис. 1.3) для схемы ОЭ показывают зависимость I _б = f (U _бэ) при U _кэ=const. Эти характеристики дают возможность определить входное сопротивление БТ по постоянному току r _вх= и по переменному току (дифференциальное) r _вх~:

r _вх= = = tg q; r _вх~ = h ₁₁ = = tg g.

Выходные характеристики БТ отражают зависимость I _к = f (U _кэ) при I _б = const (рис. 1.4) и позволяют определить выходную проводимость по постоянному и переменному току:

g _вых= = = tg q; g _вых~ = h ₂₂ = = tg g.

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.3. Входные Рис. 1.4. Выходные Рис 1.5. График

характеристики БТ характеристики БТ зависимости β = f (I _к)

 

Усилительные свойства БТ характеризуются коэффициентом передачи тока b (рис. 1.5).

2.2. Принцип работы ПТ

Приборы, работа которых основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала электрическим полем, называются полевыми транзисторами. У них в создании тока участвуют носители заряда только одного типа: дырки или электроны, в зависимости от типа полупроводника в канале.

Полевые транзисторы бывают двух видов: с управляющим p – n переходом и с изолированным затвором.

Транзистор с управляющим p – n переходом представляет собой пластинку из полупроводникового материала (рис. 1.6), имеющего электропроводность определенного типа, от концов которой сделаны два вывода: электроды стока (С) и истока (И). Вдоль пластины выполнен электрический p – n переход, от которого сделан третий вывод – затвор (З). Внешнее напряжение U _си вызывает между электродами стока и истока протекание электрического тока, а напряжение, приложенное к затвору, смещает электрический переход в обратном направлении. Сопротивление области полупроводника, расположенной под электрическим переходом, которая носит название канала, зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода и области, обедненной носителями, увеличиваются с увеличением приложенного к нему обратного напряжения U _зи, а часть канала, проводящая ток I _с, уменьшается. Напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока I _с становится практически равным нулю, называют напряжением отсечки U _отс. В зависимости от типа проводимости различают n - и p - канальные транзисторы. Условные графические обозначения полевых транзисторов с управляющим p – n переходом приведены на рис. 1.7.

Выходные характеристики полевого транзистора I _с = f (U _си) аналогичны характеристикам биполярного транзистора, с тем отличием, что вместо I _б фигурирует напряжение на затворе U _зи (рис. 1.3).

С

I с

З

n –канальный p –канальный

p

p

n

n

U си

И

U зи

Рис. 1.6. Структура ПТ Рис. 1.7. Графические обозначения ПТ

 

Входные характеристики полевого транзистора интереса не представляют, поскольку полностью совпадают с обратно смещенной ветвью p – n перехода. Вместо них используется характеристика передачи или

сток-затворная. Вид этих характеристик представлен на рис. 1.8 и 1.9.

 

Рис. 1.9. Сток–затворная характеристика ПТ

Рис. 1.8. Выходные характеристики ПТ

 

 

2.3. Принцип действия тиристора

Тиристорами называются четырехслойные полупроводниковые приборы с тремя p – n переходами, предназначенные для использования в качестве электронных ключей. В отличие от транзисторов, плавное увеличение управляющего напряжения или тока приводит к скачкообразному изменению выходного тока, то есть включению тиристора. Это происходит за счет наличия положительной обратной связи во внутренней структуре тиристора. После включения тиристор остается во включенном состоянии сколь угодно долго, даже после снятия напряжения управления U _у. Для того, чтобы выключить тиристор, надо уменьшить протекающий через него анодный ток ниже некоторого критического значения, либо подать в цепь управляющего электрода импульс тока противоположной полярности. Тиристоры, включаемые подачей такого импульса, называют запираемыми. Условное обозначение тиристора приведено на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Графическое обозначение тринистора

Основными параметрами тиристора являются: открывающее напряжение управляющего электрода U _у.от, открывающий ток управляющего электрода I _у.от и напряжение на аноде открытого тиристора U _отк.

Порядок проведения работы

3.1. Снять и построить характеристики биполярного транзистора КТ603А проводимости n – p – n, включенного по схеме с ОЭ. Для этого собрать на стенде с помощью перемычек схему для исследования транзистора (рис.1.11) и включить источники питания цепи базы U ₁ и коллекторной цепи U ₂ положительной полярности.

3.1.1. Входные характеристики I _б = f (U _бэ) снять при двух значениях коллекторного напряжения U _кэ = const (табл. 1.1).

Таблица 1.1

 

 

I б, мкА									U кэ, В
U бэ, В

 

Установка тока базы I _б производится регулятором напряжения R ₁, а измерение этого тока осуществляется методом измерения падения напряжения. Для этого на резисторе R ₃ = 10 кОм, включенном в цепь базы, измеряется внешним вольтметром падение напряжения D U, а затем значение тока I _б определяется по формуле

I _б = = 0,1D U (мкА),

где D U – показания вольтметра (мВ).

+ U 1

+ U 2

R 2

U кэ

R 3

R 1

Δ U

U бэ

Рис. 1.11. Схема для исследования БТ

 

После установки I _б один провод вольтметра из гнезда источника питания U ₁ переключается на общий провод (эмиттер) и измеряется напряжение U _бэ. Коллекторное напряжение U _к устанавливается регулятором R ₂ и измеряется внешним вольтметром.

По экспериментальным данным определить входное сопротивление транзистора по постоянному току r _вх= и по переменному току r _вх~ = h ₁₁ при I _б = 60 мкА, U _кэ = 4 В.

3.1.2. Выходные характеристики I _к = f (U _кэ) снять при трех значениях тока базы I _б (табл. 1.2).

Измерение напряжения U _кэ и тока I _б производится с помощью внешнего вольтметра, а коллекторного тока I _к – встроенным миллиамперметром (шкала 0 – 10 мА).

По подученным данным определить выходную проводимость транзистора g _вых= и g _вых~ = h ₂₂ при U _кэ = 4 В, I _б = 75 мкА.

Таблица 1.2

 

 

 

U кэ, В		0,2	0,4	0,6	0,8				I б, мкА
I к, мА

 

3.1.3. Статическая токовая характеристика I _к = f (I _б) снимается при U _кэ=4В (табл. 1.3).

Таблица 1.3

 

I к, мА
I б, мкА
b

 

Ток базы I _б изменять таким образом, чтобы фиксировать коллекторный ток I _к через 1мА по встроенному миллиамперметру.

По полученным данным определить коэффициент передачи тока b = h ₂₁ = D I _к/D I _б, занести результаты в табл. 1.3 и построить график b = f (I _к).

3.2. Снять и построить характеристики полевого транзистора КП103М с каналом p –типа. Для этого собрать с помощью перемычек схему измерений и включить источники положительного напряжения затвора U ₁ и отрицательного напряжения стока U ₂. Включить отрицательную полярность напряжения U ₂ питания и миллиамперметра (рис. 1.12).

3.2.1. Выходные характеристики I _с = f (U _си) снять при трех значениях напряжения на затворе U _зи = const (табл. 1.4).

Напряжение стока U _си и затвора U _зи измерять внешним вольтметром, а ток стока I _с – внешним миллиамперметром.

3.2.2. Статическая сток-затворная характеристика I _с = f (U _з) снимается при двух значениях напряжения стока U _си = const (табл. 1.5).

По полученным данным определить параметры полевого транзистора: крутизну характеристики, при U _зи = 0, начальный ток стока I _с.нач. при U _зи = 0 и напряжение отсечки U _з.отс.

–U 2 = 8 В

+ U 1 = 5 В

R 3

R 1

U сн

R 2

 

I с

U зн

 

Рис. 1.12. Схема для исследования ПТ

 

Таблица 1.4

 

U си, В		0,2	0,4	0,6	0,8						U зи, В
I c, мА

 

Таблица 1.5

 

U зи, В		0,5		1,5		2,5		3,5		4,5	U си, В
I c, мА

 

3.3. Исследовать режим работы тринистора КУ101Е при открывании по управляющему электроду. Для этого собрать схему измерений и включить источники управляющего напряжения U ₁ и анодного напряжения U ₂ положительной полярности (рис. 1.13).

3.3.1. Определить отпирающий ток управляющего электрода I _у. от тринистора. Для этого установить регулятором напряжения R ₂ на аноде тринистора U _а = 8 В при отсутствии управляющего сигнала (U ₁ = 0).

I a

R 3

R 1

R 4

R 2

+ U 2

+ U 1

 

 

U a

 

U y

Δ U

 

Рис. 1.13. Схема для измерения параметров тринистора

 

Постепенно увеличивать напряжение на управляющем электроде U _y

регулятором R ₁ до отпирания тринистора в момент резкого увеличения анодного тока I _а, который регистрируется по миллиамперметру. Зафиксировать при этом отпирающий ток I _у.от, для чего измерить внешним вольтметром падение напряжения D U на резисторе R ₃ = 10 кОм и затем использовать формулу

I _у.от = = 0,1D U (мкА), где D U – мВ.

Измерить также внешним вольтметром отпирающее напряжение на управляющем электроде U _у.от и напряжение на аноде открытого тринистора U _отк = U _пр относительно катода.

3.3.2. Убедиться, что тринистор остается открытым после снятия управляющего сигнала, для чего выключить источник напряжения U ₁. Закрыть тринистор по аноду, выключив и включив источник напряжения U ₂. Состояние тринистора регистрировать по миллиамперметру.

Содержание отчета

1. Экспериментальные таблицы – 5 шт.

2. Графики входных и выходных характеристик биполярного транзистора.

3. График зависимости коэффициента передачи биполярного транзистора по току от тока коллектора.

4. Определение параметров БТ: r _вх=, r _вх~, g _вых=, g _вых~.

5. Сток-затворная и входная характеристики полевого транзистора.

6. Определение параметров ПТ: S, I _{с. нач}, U _отс.

7. Значения параметров включения тиристора: U _{у. от}, I _{у. от}, U _отк.

8. Исследуемые схемы – 3 шт.

5. Контрольные вопросы

1. Какой вид имеют входные характеристики германиевого и кремниевого биполярного транзисторов?

2. Как определяется и от чего зависит входное сопротивление транзистора, что оно означает на графике входной характеристики?

3. Какой вид имеют выходные характеристики транзистора?

4. Как определяется выходная проводимость транзистора?

5. Как определяется коэффициент передачи тока и от чего он зависит?

6. Перечислить предельные параметры биполярного транзистора.

7. Какой вид имеют сток-затворные характеристики полевого транзистора с каналом p -типа и n -типа?

8. Перечислить основные параметры полевого транзистора.

9. Как отличаются входные сопротивления полевого и биполярного транзисторов?

10. Перечислить основные параметры тиристора, в том числе предельные.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2