Диодные включения транзисторов

Для создания интегрального диода достаточно сформировать только один p-n- переход. Однако при изготовлении микросхем желательно все элементы формировать в едином технологическом процессе. Поэтому наиболее экономично использовать биполярный транзистор в диодном включении.

При этом характеристики диода-транзистора можно изменять, используя тот или иной p-n- переход путем применения одного из шести возможных вариантов включения (рис. 15).

 

Рис. 15. Транзистор в диодном включении

 

Первые два варианта анализируются наиболее просто. Так как один из переходов замкнут, то напряжение на нем равно нулю, т. е. закороченные p-n- переходы не оказывают никакого влияния на вольт-амперные характеристики рабочих p-n- переходов. В вариантах (в) и (г) второй p-n- переход никуда не подключается и влияет на рабочий переход, снижая ток насыщения получающегося диода.

Последний вариант (е) получается, если в технологическом процессе формирования транзисторной структуры исключить эмиттерную диффузию. Поскольку остается только один p‑n‑ переход, никакого влияния на него не оказывается, и вольт-амперная характеристика точно такая же, как и при закороченных выводах эмиттер—база.

Отмечая особенности рассмотренных вариантов, можно сказать, что наибольший ток пропускает диод варианта (д), наибольшим быстродействием обладает диод варианта (а), а наибольшие пробивные напряжения имеют диоды вариантов (б, г, е).

 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

1. Определение вольт-амперных характеристик диодных структур транзисторов и характерных электрических параметров их. Исследование изменения электрических свойств диодов в зависимости от температуры.

2. Определение входных и выходных вольт-амперных характеристик транзисторных структур и исследование изменения электрических свойств транзисторов в зависимости от температуры.

 

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

 

Лабораторная установка включает в себя измерительный блок и персональный компьютер (ПК).

Измерительный блок содержит управляемый источник тока, коммутатор образцов и преобразователь ток – напряжение. Управляемый источник тока предназначен для задания тока азы исследуемых транзисторов. Коммутатор схем включения служит для задания схемы эксперимента. Выбор необходимого объекта происходит с помощью коммутатора образцов. Измерение тока производится при помощи преобразователя трок – напряжение. Образцы помещены в термостат, там же расположен и датчик температуры. Необходимый режим работы термостата задается узлом управления нагревателя.

ОПИСАНИЕ ПРОГРАМНОГО ИНТЕРФЕЙСА

Основное меню

Главное окно программы содержит меню, которое включает следующие пункты: Измерение, Настройки, Окно, Помощь. Некоторые из них содержат подменю. Описание команд меню приведено в таблице 1.

 

Таблица 1

Пункт меню	Подменю	Действие
Измерение	База данных	Открывает окно базы данных
	Осциллограф	Открывает окно осциллографа
	Подключиться	Команда подключения клиента к серверу
	Отключиться	Команда отключения клиента от сервера
	Разговор с оператором	Открывает окно диалога между кли­ентом и сервером
	Выход	Выход из программы
Настройки	Параметры	Выводит на экран окно параметров установки и сведений об исследуе­мых образцах
	Термостат	Открывает окно настройки термо­стата
Окно	Каскадом Упорядочить все Закрыть все База данных	Команды управления расположени­ем на экране открытых окон прило­жения
Помощь	О программе	Приводит к появлению на экране окна с информацией о разработчике программы
	Содержание	Открывает электронную справоч­ную систему программы

Панель инструментов

Ниже строки меню находится панель инструментов, где располагаются кнопки, описанные в таблице 2.

 

Таблица 2
Кнопка	Наименование	Действие
	Осциллограф	Открывает окно осциллографа
	База данных	Открывает окно базы данных
	Параметры	Выводит на экран окно параметров установ­ки и сведений об исследуемых образцах
	Содержание	Открывает электронную справочную систе­му программы
	Подключение	Команда подключения клиента к серверу
	Отключение	Команда отключения клиента от сервера
	Разговор с оператором	Открывает окно диалога между клиентом и сервером
	Выход	Выход из программы

Окно базы данных

Окно «База данных» (рис. 16) содержит таблицу записей результатов измерений различных характеристик в базе. Таблица записей включает дату измерений, номер образ­ца и измерения, для которого получена характеристика.

Рис. 16. Окно «База данных»

 

В окне базы данных содержатся следующие кнопки:

	Просмотр;
	Удаление текущей записи.

При нажатии «Просмотр» открывается окно просмотр текущего измерения содер­жащее панель инструментов для редактирования графических характеристик.

 

Таблица 3

Кнопка	Наименование	Действие
	Выбор
	Вращение	Вращение графической зависимости
	Перемещение	Перемещение графической зависимости
	Масштаб	Увеличение масштаба
	Глубина	Отображение осей координат в глубину
	Редактировать	Редактирование графика
	Печать	Вывод графика на принтер
	Копировать	Копирование графика в буфер обмена
	Объем	Трехмерное отображение графиков
	Масштаб	Автомасштаб
Уменьшение масштаба
	Сглаживание	Сглаживание графической зависимости

При нажатии кнопки открывается окно редактирования отображения графика (рис. 17).

Рис. 17. Окно «Редактирования графика»

 

Для редактирования параметров графика, таких как цвет линии, тип линии, толщи­на линии необходимо открыть вкладку «Series» в окне «Editing Chart» на экране монитора появится окно «Series». В этом окне из выпадающего списка меню выбрать серию экспе­риментов, которую необходимо отредактировать.

Рис. 18. Окно настройки параметров графика

Далее нажать кнопку «Border» откроется окно редактирования линии, где можно задать её параметры.

Рис. 19. Окно редактирования линии

 

Окно измерений

При нажатии кнопки открывается окно осциллографа (рис. 20).

Для запуска измерения необходимо нажать кнопку «Обновлять», а при снятии тем­пературных измерений нажать кнопку «Термостат». При нажатии вкладки «Настройки» в окне «Осциллограф» открывается окно настроек текущего измерения, где отображается текущий режим измерения и устанавливается время обновления измерения (рис.21). Если частота процессора невелика, можно увеличить время обновления (например, 3 с). В этом случае ПЭВМ будет успевать обрабатывать измерительную информацию и характе­ристики на экране не будут искажены.

Рис. 20. Окно «Осциллограф»

Рис. 21.Окно «Настройки»

 

Меню настройки

Меню настройки содержит две вкладки:

- Параметры;

- Термостат.

Нажав вкладку «Параметры» открывается окно (рис. 22) содержащее вкладки:

- установки - содержит сведения об IP - адресе сервера и порта;

- образцы - содержит сведения об образцах установленных в термокамере изме­рительного блока.

Нажав вкладку «Термостат» в меню «Настройки» открывается окно настроек па­раметров термостат (рис. 23):

- установка начальной температуры измерений;

- установка конечной температуры измерений;

- установка шага измерения температуры.

Рис. 22. Окно «Параметры»

Рис.23. Окно «Термостат»

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Включить ПК, подать напряжение на измерительный блок с помощью тумблера (загорится сигнальная лампа «Сеть»). Прибор должен быть включен до запуска программы. Запустить программу «Биполярные структуры».

2. Замерить начальную температуру транзисторных структур.

3. Снять ВАХ и записать таблицу значений тока и напряжения указанных преподавателем диодных структур транзисторов.

При этом необходимо задать максимальные значения обратного и прямого напряжений для управляемого источника напряжения (УИН) и предельные значения измеряемого обратного и прямого токов.

Максимальный предел изменения прямого тока – 50 мА, которое достигается при прямом смещении кремниевых структур на 0,7 – 1 В и 0,4 – 0,7 В для германиевых.

Обратный ток для кремниевых переходов составляет десятые – сотые доли микроампер, а у германиевых - единицы - сотни микроампер. На ВАХ диодов должно наблюдаться явление электрического пробоя.

4. Снять входные ВАХ и записать таблицу значений тока и напряжения исследуемого транзистора при двух различных значениях напряжения коллектор - эмиттер U _КЭ. Значение напряжения коллектор - эмиттер записать.

В данной лабораторной работе реализована возможность регистрации входных характеристик биполярных транзисторов в схеме с общим эмиттером. При этом снимается зависимость напряжения база – эмиттер U _БЭ от тока базы I_Б при постоянном напряжении коллектор-эмиттер U _КЭ.

С помощью управляемого источника тока (УИТ) изменяется ток базы транзистора всегда в диапазоне от нуля до 1 мА, а U _БЭ измеряется электронным вольтметром. Можно снять семейство входных характеристик при различных значениях напряжения U _КЭ (от нуля до 5В), задаваемых при помощи УИН.

6. Снять выходные ВАХ и записать таблицу значений тока и напряжения исследуемого транзистора при двух различных значениях тока базы I _Б. Значение тока базы записать.

В данной лабораторной работе реализована возможность регистрации выходных характеристик биполярных транзисторов в схеме с общим эмиттером. При этом снимается зависимость тока коллектора I _К от напряжения коллектор – эмиттер U_{К Э} при постоянном токе базы I _Б.

С помощью УИН изменяется U _КЭ транзистора в диапазоне от нуля до заданного предельного значения, при этом измеряется I _К. Можно снять семейство выходных характеристик при различных значениях I _Б (от нуля до 1 мА), задаваемых УИТ. Выбор необходимых значений I _Б осуществляется путем перемещения движка регулятора тока базы. Правильно выбирайте предел измерения по току коллектора. При смене значения I _Б, как правило, необходимо нажать кнопку “Авто”.

7. Повторить работу по пунктам 3-6 при заданных преподавателем температурах.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

 

Отчет формируется в любом текстовом редакторе.

Часть I «Исследование диодных структур» содержит:

- схемы диодных включений транзисторов с указанием их типов;

- графики ВАХ полупроводниковых диодов при различных температурах;

-сравнительные таблицы электрических параметров полупроводниковых диодов при различных температурах (см. таблицы 4 и 5), используя полученные в ходе лабораторной таблицы значений токов и напряжений. Для сравнения выберите 10 – 15 значений во всем измеряемом диапазоне.

 

Таблица 4. Сравнительная таблица значений тока и напряжения полупроводниковых диодов в прямом включении электрического поля при различных температурах

Прямая ветвь ВАХ
Iпр, мА	Uпр, В
T1=, °С	T2=, °С
Кремневый диод (указать тип)	Германиевый диод (указать тип)	Кремневый диод (указать тип)	Германиевый диод (указать тип)

 

Таблица 5. Сравнительная таблица значений тока и напряжения полупроводниковых диодов в обратном включении электрического поля при различных температурах

Обратная ветвь ВАХ
Uобр, В	Iобр, мкА
T1=, °С	T2=, °С
Кремневый диод (указать тип)	Германиевый диод (указать тип)	Кремневый диод (указать тип)	Германиевый диод (указать тип)

 

- значения напряжений отпирания и пробоя диодов с указанием их на увеличенных ВАХ соответственно прямой и обратной ветвей;

- расчет сопротивления прямой и обратной ветви при различных температурах и фиксированных значениях напряжений, соответственно, прямого и обратного включений, а также график зависимости прямого и обратного сопротивлений от температуры.

В выводах пояснить принцип действия полупроводникового диода, опираясь на его ВАХ, охарактеризовать напряжения отпирания и пробоя. По полученным данным сделать выводы об изменении свойств полупроводниковых материалов в зависимости от температуры и сравнить их с теоретическими данными.

 

Часть II «Исследование транзисторных структур» содержит:

- схемы измерения входных и выходных характеристик транзистора с указанием его типа;

- серии входных ВАХ транзистора при различных значениях напряжения коллектор-эмиттер и температурах;

- сравнительные таблицы входных ВАХ транзистора при двух различных значениях U _КЭ и температуры (см. таблицы 6), используя полученные в ходе лабораторной таблицы значений токов и напряжений. Для сравнения выберите 10 – 15 значений во всем измеряемом диапазоне.

 

Таблица 6. Сравнительная таблица входных ВАХ транзистора (указать тип) при различных температурах

Входные ВАХ
I б, А	U БЭ, В
Т=, °С	Т=, °С
U КЭ=, В	U КЭ=, В	U КЭ=, В	U КЭ=, В

 

- серии выходных ВАХ транзистора при различных значениях тока базы и температурах;

- сравнительные таблицы выходных ВАХ транзистора при двух различных значениях I _б и температуры (см. таблицы 7), используя полученные в ходе лабораторной таблицы значений токов и напряжений. Для сравнения выберите 10 – 15 значений во всем измеряемом диапазоне.

Таблица 7. Сравнительная таблица выходных ВАХ транзистора (указать тип) при различных температурах

Выходные ВАХ
U КЭ, В	I к, А
Т=, °С	Т=, °С
I б =, А	I б =, А	I б =, А	I б =, А

 

В выводах пояснить принцип действия полупроводникового транзистора опираясь на его входные и выходные ВАХ, а также выявить как изменяются электрические свойства транзистора при его нагреве.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. В чем заключается суть зонной теории твердых материалов?

2. Поясните физические процессы, определяющие собственную и примесную проводимости полупроводников с точки зрения кристаллического строения вещества и зонной теории.

3. Как влияют внешние факторы (температура, деформация, свет, электрические поля и др.) на элекропроводимость полупроводников?

4. Что такое электронно-дырочные переход?

5. Какие особенности у перехода металл-полупроводник?

6. Полупроводниковый диод: принцип действия, вольт-амперная характеристика.

7. Биполярный транзистор: его принцип действия, входные и выходные вольт-амперные характеристики, получение диодных структур.

8. Как определить тип электропроводимости полупроводника?

9. Классификация полупроводниковых материалов.

10. Дайте характеристику простым полупроводниковым материалам (германий, кремний, селен).

11. Дайте характеристику группам сложных полупроводниковых материалов.

12. Какие бывают методы очистки полупроводниковых материалов?

13. Каким образом изготовляют монокристаллические полупроводники? Для чего они предназначены?

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Учеб.пособие / Под ред.В.С.Чередниченко. - 4-е изд.,стер. - М.: Омега-Л, 2008.

2. Лахтин Ю.М.
Материаловедение: Учебник / Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева. - 3-е изд.,перераб.и доп.; Репр.изд. - М.: Альянс, 2013. - 528 с.

3. Справочник по электротехническим материалам: В 3-х т. / Под ред.Ю.В.Корицкого, В.В.Пасынкова, Б.М.Тареева. - 3-е изд.,перераб. - Л.: Энергоатомиздат.Ленингр.отд-ние, 1988.

4. Электротехнический справочник: В 3-х т. Т.1: Общие вопросы. Электротехнические материалы / Под общ.ред.И.Н.Орлова(гл.ред.) и др. - 7-е изд.,испр.и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

5. Никулин Н.В. Справочник молодого электрика по электротехническим материалам и изделиям / Н. В. Никулин. - 5-е изд.,перераб.и доп. - М.: Высш.шк., 1982.

6. Харламова Т.Е. Электроматериаловедение. Электротехнические материалы [Электронные текстовые данные]: Учеб.пособие / Т. Е. Харламова; Северо-зап.заочный политехн.ин-т. - СПб.: Изд-во СЗПИ, 1998

7. Алиев И.И. Электротехнические материалы и изделия: Справочник / И. И. Алиев, С. Г. Калганова. - М.: РадиоСофт, 2005.