Before trying some https://slotgamespot.com/ on cash, it's better to begin out from online casino.
Физика примеры решения задач Электротехника Задачи и лабораторные работы Математика примеры решения задач Вычислить интеграл Информатика Компьютерные сети Компьютерная математика
Исследование полевых транзисторов Исследование биполярных транзисторов Полупроводниковые выпрямители Электронный усилитель на транзисторах Лабораторная работа Исследование стабилитронов Исследование варикапов

Методические указания лабораторные работы по электронике

Лабораторная работа.

Исследование влияния пространственного заряда на прохождение тока в диоде.

Теоретическая часть.

Пусть поперечные размеры анода и катода - расстояния между катодом и анодом. Тогда зависимостью всех величин от можно пренебречь, и считать, что потенциал, электрическое поле, скорость и т.д. зависят только от координаты LLxy,zy,x, отсчитываемой от катода к аноду. Будем полагать далее потенциал катода равным нулю, а потенциал анода - фиксированным: . Рассмотрим. как будет меняться распределение потенциала и ток через диод при изменении температуры катода . Предположим для простоты, что эмиссионная способность катода бесконечна, а электроны выходят из катода с нулевой начальной скоростью aU0>=constUaT00=ν.

Пусть сначала 0=T. Тогда, очевидно, электроны из катода выходить не будут и диод представляет собой обычный плоский конденсатор. Поэтому dxUxUa=)( - линейная функция. Увеличим теперь температуру катода до . Тогда из катода вследствие явления термоэлектронной эмиссии начнут выходить электроны и появится электронный ток. Если невелика, то пространственный заряд в диоде и его поле малы, поэтому и электрическое поле 1T1TρEEEx= для электрона на всем промежутке катод-анод остается ускоряющим. В результате все электроны, вышедшие из катода, доходят до анода. Такой режим работы диода называется режимом насыщения или режимом температурного ограничения эмиссии, поскольку в этом случае ток через диод полностью определяется температурой катода.

Рассмотрим, как изменится распределение потенциала при . По принципу суперпозиции полное поле в диоде представляется как сумма полей, создаваемых поверхностными зарядами на электродах и объемными зарядами движущихся от катода к аноду электронов с плотностью 1TT=ρ. Выделим из потока электронов плоский слой толщиной . Т.к. электроны – отрицательно заряженные частицы, то собственное кулоновское поле слоя направлено к слою. А поле зарядов на электродах - от анода к катоду. В результате слева от слоя и направлены в противоположные стороны и вычитаются, а справа – в одну сторону и складываются. Поскольку полное поле , то легко понять, что при dxρEelEρEelEgradUEEEel−=+=ρ1TT= кривая распределения потенциала начинает «провисать». При увеличении T до величина 2T||ρ растет и провисание увеличивается. Наконец при некоторой 3TT= наступает момент, когда кривая касается оси )(xUx при 0=x, т.е. поле на катоде 0)0(==EEk (dxdUE в нашем случае). Увеличим еще температуру до 34TTT>=. Очевидно, величина ||ρ еще более увеличится, и мы получим распределение потенциала с минимумом в прикатодной области. Однако, поскольку 00=ν, эмитированные электроны не смогут преодолеть отрицательный минимум потенциала у катода и вернутся в катод, а поступление электронов в пространство катод-анод прекратится. В результате пространственный dКатод (К) Анод (А) zyx

заряд у катода начнет рассасываться, а распределение подниматься, пока не достигнет положения, соответствующего , когда электрическое поле на катоде становится ускоряющим. После этого начинается выход электронов из катода, увеличится и кривая опять опустится вниз, пока не образуется минимум потенциала и т.д. Очевидно, при )(xU2T2T)(xU34TTT>= ни состояние описываемое кривой 2, ни состояние описываемое кривой 4 не могут быть устойчивыми. Поэтому в диоде устанавливается состояние с 0)0(==EEk. Таким образом, какую бы мы ни задавали, распределение поля, потенциала, пространственного заряда меняться не будут. Значит не будет меняться и ток через диод. Т.е. при ток диода перестает зависеть от температуры катода и определяется только потенциалом . Такой режим работы диода называется режимом ограничения тока пространственным зарядом. 3TT>3TT>aU

В реальных системах, конечно, эмиттированные из катода электроны обладают некоторой начальной тепловой скоростью 00≠ν. В результате этого режиму ограничения тока пространственным зарядом соответствует распределение с минимумом потенциала в прикатодной области. Т.к. средняя тепловая энергия электронов )(xUekT~, то глубина минимума также будет ekT~ (при большей глубине минимума электроны не смогут его преодолеть). При типичных температурах катода KTο3000≤BekT2.01.0−≈. Соответственно глубина минимума также составляет доли вольта, а расстояние от точки минимума до катода . Поэтому при анодных напряжениях в десятки и сотни вольт в упрощенной теории начальными скоростями можно пренебречь, и заменить действительную кривую на распределение, соответствующее с dx<<min)(xU3TT=0=dxdU при . 0=x

Для завершения качественного описания вольт-амперной характеристики нам осталось рассмотреть режимы с 0<aU. В этом случае между катодом и анодом возникает тормозящее поле с потенциальным барьером высотой |. Если бы электроны не обладали начальными тепловыми скоростями, то они не смогли бы преодолеть барьер и ток анода был бы равен нулю. Но электроны при выходе из катода имеют максвелловское распределение скоростей, простирающееся, в принципе, до сколь угодно больших энергий . Однако число таких электронов экспоненциально убывает с ростом . До анода, очевидно, могут дойти лишь те частицы, у которых |aUeTWTW||22axTUemW>=ν, поэтому анодный ток в этом случае будет экспоненциально убывающей функцией и, как правило на 2-3 порядка меньше, чем при . Режим работы диода с получил название режима начальных токов. ||aU0>aU0<aU

Таким образом, по мере изменения от aU∞− до ∞+ диод последовательно проходит 3 режима: режим начальных токов, режим ограничения тока пространственным зарядом и, наконец, режим насыщения.

Методики экспериментов и результаты измерений

1. Снимаем ВАХ по схеме 1 при токе накала Jн=1,48 А.

2. Снимаем ВАХ по схеме 2 при токе накала Jн=1,5 А.

3.Снимаем ВАХ по схеме 3.

1.При токе накала Jн=1,42 A

2.При токе накала Jн=1,46 А

3.При токе накала Jн=1,5 А

 

4.Снимаем зависимость анодного тока от тока накала при постоянном анодном напряжении (схема 3).

 

5.По полученным данным построим прямую Ричардсона.

6. Построим теоретические ВАХ для задания 1 по закону “3/2” для эквипотенциального

катода

и для задания 3,используя таблицу значений F(Ua/Uf).

Лабораторное задание

 и методические указания

Собрать на монтажном стенде схему УННЧ согласно рис. 8.1. Номинальные значения резисторов и емкостей схемы, а также напряжение источника питания указаны по вариантам в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Eп, В

6

7

8

9

10

11

12

6

7

R1, кОм

9,1

43

18

13

24

9,1

30

18

30

R2, кОм

3

4,3

5,6

4,3

3,6

3

11

5,6

11

Rэ, кОм

560

100

750

560

820

430

470

910

270

Rн, кОм

2,0

2,2

2,4

2,7

3,0

2,0

2,2

2,4

2,7

Rн1, кОм

2

22

24

27

3

2

22

24

27

Ср1, Ср1 мкФ

5,0

5,0

1,0

5,0

0,5

5,0

5.0

0,5

5,0

Сэ, мкФ

10,0

10,0

3,0

10,0

20,0

5,0

10,0

20,0

5,0

Rг, Ом

110

160

200

330

510

130

750

510

160

Rг1, кОм

1,2

1,3

1,5

3,3

5,1

1,3

7,5

5,1

1,6

Rн1, кОм

10

11

12

13

15

10

11

12

13

Собрать измерительную схему. Для этого вход усилителя подключить к выходу ГНЧ, а выход усилителя – к осциллографу. Проверить работоспособность схемы УННЧ и при необходимости произвести ее настройку.

Снять и построить графически амплитудную характеристику усилительного каскада Uвых=f(Uвх) при частоте входного сигнала Uвх=1000 Гц. Напряжение Uвх изменять до появления заметных нелинейных искажений в выходном сигнале, который наблюдается на экране осциллографа. По амплитудной характеристике определить линейный участок усиления.

Изменяя частоту входного сигнала от 20 Гц до 20 кГц снять и построить графически АЧХ усилительного каскада K=j(f). Определить полосу пропускания УННЧ и сравнить с заданной. АЧХ снимается при значении напряжения Uвх, соответствующем середине линейного участка амплитудной характеристики.

Экспериментально определить входное сопротивление Rвх и выходное сопротивления Rвых усилительного каскада по методике изложенной в лабораторной работе № 7.

По данным измерений п. 3 и п. 5 определить коэффициенты усиления УННЧ по напряжению K, току Ki, мощности Kр.

Контрольные вопросы

Почему усилитель с включением транзистора по схеме с ОК называют эмиттерным повторителем?

Какие особенности каскада с ОК можно выделить при сравнении его с каскадом с ОЭ?

В каких случаях используется эмиттерный повторитель?

Как влияет сопротивление нагрузки на величину входного сопротивления эмиттерного повторителя?

Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Цель работы: изучение принципа действия, исследование статических характеристик и определение дифференциальных параметров биполярных транзисторов, включенных по схемам: общая база (ОБ) и общий эмиттер (ОЭ) [1-4].

Краткие сведения из теории

Биполярный транзистор – это система двух взаимодействующих p-n переходов. Такая система может иметь две разновидности (рис. 1). Вариант, представленный на рис. 1а, называется транзистором типа p-n-p, а вариант, представленный на рис. 1б, - транзистором типа n-p-n. Современная промышленность выпускает как p-n-p, так и n-p-n транзисторы. Однако преобладающим типом (особенно, в микроэлектронике) является n-p-n транзистор как более технологичный и имеющий более высокие параметры. Отдельные области, составляющие транзисторную структуру, носят названия эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К), а соответствующие p-n переходы – эмиттерный переход (ЭП) и коллекторный переход (КП). Для краткости слово «биполярный» в названиях таких транзисторов нередко опускается. Условные графические обозначения транзисторов различных типов на принципиальных электрических схемах показаны на рис. 2.

В настоящее время наибольшее применение в электронной аппаратуре нашли кремниевые биполярные транзисторы, довольно широко употребляются германиевые, а другие полупроводниковые материалы (GaAs и т.п.) для изготовления биполярных транзисторов пока используются редко.

Для изучения работы биполярного транзистора удобно рассматривать транзистор, выполненный в виде бруска, имеющего постоянное поперечное сечение. Хотя современные транзисторы имеют более сложную форму, такая модель вполне адекватно отражает все основные физические процессы в транзисторе. Более того, в ХХ веке транзисторы подобного типа выпускались промышленностью и использовались в реальной электронной аппаратуре.

Толщина базы в современных транзисторах весьма мала. Однако поскольку наиболее важные для работы транзистора физические процессы происходят именно в базе, то при рассмотрении этих процессов имеет смысл использовать рисунки, выполненные с нарушением геометрических пропорций с тем, чтобы толщина и объем базы на рисунках были бы существенно увеличены.

  При наличии двух p-n переходов для работы транзистора требуется два источника питания. В зависимости от полярности напряжений на переходах транзистора различают некоторые режимы его работы (таблица 1). В таблице 1 знак «плюс» означает положительное напряжение на соответствующем p-n переходе, а знак «минус» – отрицательное. При этом положительным напряжением на переходе считается такое, при котором положительный полюс источника питания подключен к p-области, а отрицательный – к n-области. При положительном напряжении на p-n переходе через него протекает сравнительно большой ток основных носителей (p-n переход открыт), при отрицательном напряжении – намного меньший ток неосновных носителей (p-n переход закрыт).

Таблица 1

Номер п./п.

Режим работы

ЭП

КП

1

Режим отсечки

_

_

2

Режим насыщения

+

+

3

Активный усилительный режим

+

_

4

Инверсный режим

_

+

В реальной аппаратуре используются все четыре режима работы. Наиболее важным из них является активный усилительный режим, который лежит в основе работы аналоговых схем (усилители, генераторы и т.д.). Режимы отсечки и насыщения используются в основном в импульсной и цифровой технике (при этом следует иметь в виду, что в настоящее время большинство цифровых устройств реализуются на основе не биполярных, а МДП-транзисторов). Инверсный режим применяется сравнительно редко, главным образом, в электронных коммутаторах и в интегральных микросхемах семейства ТТЛ.

Классическим вариантом биполярного транзистора является бездрейфовый транзистор, в базе которого концентрация примесей одинакова по всему объему базы. На рисунке 3 показан бездрейфофый транзистор типа n-p-n, работающий в активном усилительном режиме. К эмиттерному переходу приложено прямое напряжение UБЭ. Это напряжение невелико: (0,1…0,3 В) для германиевых транзисторов и (0,5…0,7 В) для кремниевых. К коллекторному переходу приложено обратное напряжение UКБ, величина которого для различных типов транзисторов может изменяться в широких пределах от нескольких вольт до 1 кВ и даже больше, хотя чаще всего UКБ не превышает 30 В.

Концентрация электронов в эмиттере гораздо больше, чем в базе, однако диффузии электронов из эмиттера в базу препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода. Под действием прямого напряжения UБЭ этот потенциальный барьер уменьшается, и электроны из области эмиттера переходят в область базы. При этом концентрация электронов в области базы вблизи эмиттерного перехода резко увеличивается. А концентрация электронов вблизи коллекторного перехода, наоборот, весьма мала, так как при обратном смещении на p-n переходе концентрация электронов на границе p-n перехода со стороны p-области оказывается даже меньше концентрации неосновных носителей в этой области. Неодинаковая концентрация электронов в различных местах базы приводит к диффузии электронов через область базы от эмиттерного перехода к коллекторному. В коллекторном переходе имеется электрическое поле, которое для электронов является ускоряющим. Поэтому электроны, попадающие в коллекторный переход из области базы, выбрасываются в область коллектора, образуя коллекторный ток IK. Толщина базы транзистора весьма мала (обычно десятые и даже сотые доли микрометра), а разность между концентрациями электронов вблизи эмиттерного и коллекторного перехода составляет несколько порядков, поэтому процесс диффузии электронов протекает очень интенсивно и почти весь ток эмиттера замыкается не через базу и базовый вывод, а через область коллектора.

Так как электрическое поле коллекторного перехода перебрасывает через этот переход все электроны, которые в него попадут, то величина тока IK зависит не от напряжения на коллекторном переходе, а от числа электронов, которые попадут в этот переход из области базы. Это число определяется током эмиттера IЭ, который в свою очередь определяется напряжением UБЭ, регулирующим переход электронов из эмиттера в базу. Таким образом, транзистор оказывается прибором управляемым, поскольку изменение напряжения в одной цепи (в цепи база-эмиттер) приводит к изменению тока в другой цепи (в цепи коллектора). Более того, транзистор оказывается прибором усилительным, поскольку мощность, затрачиваемая на управление в эмиттерной цепи, меньше мощности, выделяемой в выходной коллекторной цепи.

Как известно, любой электронный прибор является усилительным в том и только в том случае, когда мощность в выходной цепи прибора превышает мощность, затрачиваемую на управление в его входной цепи. Увеличение только тока или напряжения на выходе по сравнению с входом еще не означает, что прибор является усилительным. Так, трансформатор не является усилителем, хотя с его помощью и можно увеличить ток или напряжение на выходе.

В транзисторе мощность сигнала во входной цепи определяется как Рвх=Jэ2Rвх, а мощность сигнала в выходной цепи – Рвых=Jк2Rн, где Jэ и Jк – действующие значения токов эмиттера и коллектора, Rвх – входное сопротивление транзистора, Rн – сопротивление нагрузки в его выходной цепи. Величина Rвх – это сравнительно небольшое сопротивление открытого эмиттерного перехода. Величина Rн для эффективной передачи мощности в нагрузку должна быть сравнима с выходным сопротивлением транзистора, в качестве которого выступает сопротивление закрытого коллекторного перехода, которое весьма велико. Так как Jэ≈Jк, а Rн>>Rвх, то Рвых>Рвх и усиление по мощности имеет место. Физически увеличение мощности сигнала на выходе по сравнению с мощностью сигнала на входе получается за счет энергии мощного источника питания, включенного в выходной цепи, т.е. за счет источника UКБ.

Отдельные составляющие токов, протекающих в биполярном транзисторе в активном усилительном режиме, показаны на рис. 3. В этом (и только в этом!) режиме ток коллектора связан с током эмиттера соотношением

 (1)

где IКБ0 – ток обратно смещенного коллекторного перехода. Ток IКБ0 замыкается через цепь базы и является неуправляемым. Как в любом обратно смещенном p-n переходе ток IКБ0 является током неосновных носителей, поэтому он очень мал, но резко (по экспоненциальному закону) растет с увеличением температуры. На практике при проектировании электронных устройств на кремниевых транзисторах при температуре меньше 70…80оС этим током пренебрегают и считают IКБ0=0. Однако с повышением температуры ток IКБ0 возрастает и при температуре, большей 100…120оС его влияние на работу схемы становится существенным. Коэффициент α называется коэффициентом передачи эмиттерного тока. Для большинства транзисторов, выпускаемых промышленностью, его численная величина лежит в пределах от 0,95 до 0,995.

Так как α<1, то IК<IЭ, что означает, что часть тока эмиттера не доходит до коллектора, а замыкается через цепь базы. Наличие этого тока ухудшает усилительные свойства транзистора, так как протекание тока в цепи эмиттер-база приводит к расходу мощности во входной цепи, но не приводит к появлению дополнительной мощности на выходе, поскольку через выходную цепь этот ток не протекает.

Основной причиной появления тока базы является рекомбинация. Некоторые электроны при диффузии через легированную акцепторами область базы встречаются с дырками и рекомбинируют. При рекомбинации свободный электрон становится связанным с атомом полупроводника. Этот электрон остается в области базы, создавая в ней дополнительный отрицательный заряд. Электрическое поле этого заряда выталкивает из базы другой электрон, восстанавливая тем самым электрическое равновесие. Так как все электроны абсолютно одинаковы, то с точки зрения токов во внешней цепи этот процесс эквивалентен движению электронов из эмиттера в базу и далее во внешнюю цепь через базовый вывод.

Другой составляющей базового тока является дырочная компонента тока эмиттера, непосредственно протекающая по цепи база-эмиттер через прямо смещенный эмиттерный переход. Эта компонента не протекает через цепь коллектора, а значит, также уменьшает величину α. Однако в реальных транзисторах этим можно пренебречь, поскольку современные транзисторы проектируются так, что в общем токе эмиттера доля дырочной компоненты составляет менее 0,01%.

Если учесть, что IЭ=IК+IБ, то из формулы (1) можно получить выражение, связывающее токи базы и эмиттера

 (2)

Так как основной причиной появления тока базы является рекомбинация, то для повышения величины α следует уменьшать толщину базы и концентрацию примесей в ней, что, кроме того, уменьшает и дырочную компоненту тока эмиттера.

Любой транзистор, работающий в схеме усилителя, можно представить в виде четырехполюсника, имеющего два входных и два выходных зажима. Однако физическая структура транзистора содержит только три вывода (Э, Б и К), поэтому один из этих выводов должен быть подключен одновременно и к входу, и к выходу четырехполюсника. В качестве электрода, общего для входа и выхода, в принципе можно выбрать любой вывод транзистора, а значит, возможны три схемы включения транзистора (рис. 4): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Принципиальная разница между этими схемами заключается в различном выборе входных и выходных переменных, вследствие чего один и тот же конкретный транзистор в различных схемах включения обладает различными свойствами. Например, входной ток в схеме с ОБ – это ток IЭ, а в схеме с ОЭ – IБ. Выходное напряжение в схеме с ОБ – это напряжение UКБ, а в схеме с ОЭ – UКЭ. Входное напряжение в схеме с ОБ – это UЭБ, а в схеме с ОЭ – UБЭ. Эти напряжения приложены к одним и тем же выводам транзистора, но полярность входного напряжения в схемах с ОБ и ОЭ оказывается противоположной: UБЭ=-UЭБ.


Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике