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 № 1

Исследование полевых транзисторов

Цель работы: изучение принципов действия, измерение характеристик и определение основных параметров полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и полевого транзистора с изолированным затвором

Краткие сведения из теории

Полевые транзисторы  представляют собой полупроводниковые приборы, в которых прохождение тока обусловлено дрейфом основных носителей заряда под действием продольного электрического поля. Управление током в полевых транзисторах осуществляется путем изменения электропроводности токопроводящего участка полупроводника поперечным электрическим полем. Это поле создается напряжением, приложенным к управляющему электроду.

Существуют два типа полевых транзисторов: с управляющим p-n-переходом и изолированным затвором структуры металл – диэлектрик - полупроводник, называемые кратко МДП–транзисторами. Вторым элементом в обозначении полевых транзисторов является буква «П», например, КП103, 2П301. Соединение фаз звездой Обмотки фаз генераторов можно было бы соединить с тремя приемниками электроэнергии шестью проводами (рис. 3.4а) и получить таким путем три независимые фазные цепи. Практически подобное соединение применяется лишь в редких случаях, но помощью такой схемы нагляднее представить условия, возникающие при объединении цепей трехфазную систему

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом могут быть изготовлены на основе кристалла полупроводника n- или p-типа. Упрощенная структура кристалла полевого транзистора с управляющим p-n-переходом, изготовленного на основе полупроводника n-типа, показана на рис. 1.1.

Транзистор состоит из области n-типа и двух областей p-типа. Области p-типа соединяются вместе и образуют управляющий электрод, называемый  затвором (З).

На границах раздела полупроводников n- и p-типа образуются запирающие слои, которые обладают высоким сопротивлением. Область полупроводника n-типа, заключенная между p-n-переходами, называется каналом (К). Если к каналу подключить источник постоянного тока (рис. 1.1), то в канале создается продольное электрическое поле, под действием которого электроны перемещаются в канале в сторону положительного полюса подключенного источника.

Область полупроводника, от которой начинают движение основные носители заряда в канале, называется истоком (И), а область, к которой эти носители движутся, - стоком (С). Движение основных носителей заряда в канале за счет напряжения Uси приложенного к стоку относительно истока обусловливает прохождение тока стока Iс в канале и в цепи стока.

На затвор относительно истока подается напряжение Uзи, смещающее p-n-переходы затвор-канал в обратном направлении. При увеличении напряжения Uзи смещающее обратное напряжение на p-n-переходах увеличивается, запирающие слои расширяются, уменьшая при этом сечение канала. В результате этого электропроводность канала и проходящий через него ток уменьшаются. Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно управлять током, проходящим через канал полевого транзистора. При некотором напряжении на затворе может произойти смыкание областей объемного заряда, т.е. канал перекрывается. Напряжение на затворе (при напряжении ), приводящее к перекрытию канала называется напряжением отсечки и обозначается как Uзи отс.

Очевидно, что эффективное управление сечением канала происходит в том случае, если запирающий слой p-n-перехода располагается в основном в исходном полупроводнике. Это достигается выбором концентраций доноров и акцепторов таким образом, чтобы выполнялось условие Nа >> Nд, где Nа – концентрация акцепторов, а Nд – концентрация доноров. При выполнении этого условия глубину проникновения области объемного заряда в основной полупроводник (при напряжении ) можно определить по формуле

 

где Uк – контактная разность потенциалов; q – заряд электрона.

Поскольку в запирающем слое отсутствуют подвижные носители зарядов, ширина канала, определяющая его площадь сечения и сопротивление, находится из соотношения

  (1.1)

 

где d – расстояние между p-областями (рис. 1.1).

Когда напряжение на затворе (при напряжении ) становится равным Uзи отс, канал перекрывается,   и из уравнения (1.1) следует

   (1.2)

Равенство (1.2) позволяет оценить значение напряжения отсечки. Поскольку контактная разность потенциалов составляет десятые доли вольта, можно считать, что

  (1.3)

Используя равенства (1.1) и (1.3), можно определить ширину канала:

  (1.4)

Уравнение (1.4) связывает wк с Uзи, когда  и . При Uси > 0 в канале проходит ток стока Iс. Если рассмотреть сечение канала на расстоянии х от истока, то можно утверждать, что на участке канала от истока до сечения падает напряжение U(х), пропорциональное сопротивлению данного участка канала и току Iс. В сечении х напряжение на управляющем p-n-переходе складывается из напряжений Uзи и U(х). В этом случае вместо соотношения (1.4) для определения ширины канала следует пользоваться уравнением

  (1.5)

Напряжение U(x) при изменении x от 0 до l (l – длина канала) изменяется от 0 до Uси. Поэтому при Uси > 0 ширина запирающего слоя увеличивается, а сечение канала уменьшается при приближении к стоку (рис. 1.2). Согласно уравнения (1.5), на самом узком участке канала его ширина связана с напряжениями Uзи и Uси соотношением

   (1.6)

Таким образом, ширина канала, определяющая его сопротивление и ток стока Iс, зависит от напряжений Uзи и Uси.

Осциллографические развертки. Одновременное воздействие на электронный луч двух переменных напряжений uх и uу, приложенных соответственно к X и Y пластинам ЭЛТ, вызывает появление на экране осциллограммы в виде фигуры (или линии). Вид этой фигуры в каждом конкретном случае зависит от формы, частоты и величины каждого из приложенных к отклоняющим пластинам напряжений. При этом исследуемое напряжение, поступающее по каналу Y, представляется на экране развернутым по оси Х в соответствии с законом изменения напряжения развертки. В зависимости от формы напряжения развертки различают линейную (или пилообразную) и синусоидальную развертки. Чаще всего используется линейная периодическая развертка. Напряжение этой развертки имеет форму пилообразного импульса, т. е. нарастает прямо пропорционально времени и очень быстро уменьшается до нуля после достижения своего максимального значения (рис. 1.2). При такой развертке, в отсутствие входного сигнала, луч движется по экрану осциллографа с равномерной скоростью, достигает края экрана и мгновенно перебрасывается в начальную точку. Далее процесс периодически повторяется, и в результате луч чертит на экране трубки прямую линию. Напряжение развертки, как уже отмечалось, подается, как правило, на пластины Х, и поэтому линия развертки расположена горизонтально.

С помощью линейной непрерывной развертки удобно наблюдать непрерывные периодические импульсы с малой скважностью, т. е. когда мало отношение периода повторения импульсов Та к его длительности tи. Наблюдение же импульсов большой скважности, а также непериодических и однократных процессов осуществляют, применяя ждущую линейную развертку. При ждущей развертке ее напряжение в виде одиночного пилообразного импульса и исследуемый сигнал должны синхронно поступать на соответствующие пластины ЭЛТ, а ее длительность и скорость должны соответствовать аналогичным параметрам сигнала.

Измерение фазового сдвига с помощью осциллографа. С помощью осциллографа можно приближенно измерять фазовый сдвиг между двумя синусоидальными сигналами. Для этого используется метод линейной развертки и метод эллипса.

Метод линейной развертки. Для проведения фазовых измерений этим методом необходим двухлучевой осциллограф. Подавая сигналы uу1 и uy2, сдвиг фаз между которыми необходимо измерить, на входы Y1 и Y2 выбирают частоту развертки такой, чтобы обеспечить удобное измерение по шкале экрана осциллографа отрезков ab и ac (рис. 1.3). При этом обычно амплитуды сигналов подбираются одинаковыми. Тогда фазовый сдвиг j в градусах определяется с помощью соотношения

 

(1.3)

Метод эллипса. Существует несколько разновидностей этого метода. Остановимся на одном из них.

При подаче на входы Х и Y (при отключенной развертке) двух напряжений ux и uy, сдвинутых друг относительно друга на некоторый угол j, на экране осциллографа появляется фигура Лиссажу в виде определенным образом ориентированного эллипса. Если центр эллипса совмещен с условным началом координат экрана, то фазовый сдвиг j можно определить по формуле

 

(1.4)

где A и B – измеряемые отрезки, показанные на рис. 1.4. Для удобства определения их длин коэффициенты усиления усилителей Х и Y подбирают таким образом, чтобы эллипс вписался в квадрат.


Следует отметить, что рассмотренный метод эллипса позволяет лишь приближенно (с погрешностью 5÷10 %) оценить величину фазового сдвига без определения его знака. Основными причинами погрешности метода являются неточность в определении длин измеряемых отрезков, деформация эллипса из-за негармоничности исследуемых напряжений, неидентичность фазовых характеристик каналов Х и Y.

В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока за счет односторонней проводимости диодов.

 

 Рис.5 

  На рис. 5 приведена схема однополупериодного выпрямителя. Работа выпрямителя происходит следующим образом. Если генератор вырабатывает синусоидальное  напряжение,

  e(t) = Еm sin w t,

 то в течение положительного (+) полупериода напряжение для диода является прямым, его сопротивление мало, и через резистор проходит ток, который создает на резисторе RН падение напряжения Uвых , повторяющее входное напряжение e(t). В следующий, отрицательный (-) полупериод, напряжение для диода является обратным, сопротивление диода велико, тока практически нет и, следовательно, Uвых = 0. Таким образом, через диод и RН протекает пульсирующий выпрямленный ток. Он создает на резисторе RН пульсирующее выпрямленное напряжение Uвых .

Полезной частью выпрямленного напряжения является его постоянная составляющая или среднее значение U ср (за полупериод):

  Ucp = Umax / p  =0,318 Umax   

Таким образом, U ср составляет около 30% от максимального значения.

Выпрямленное напряжение обычно используется в качестве напряжения питания электронных схем.

Высокочастотные (универсальные) и импульсные диоды применяют для выпрямления токов, модуляции и детектирования сигналов с частотами до нескольких сотен мегагерц. Импульсные диоды используют в качестве ключевых элементов в устройствах с микросекундной и наносекундной длительностью импульсов. Их основные параметры:

Максимально допустимые обратные напряжения  Uобр. mах (Uобр. и mах) – постоянные (импульсные) обратные напряжения, превышение которых приводит к его немедленному повреждению.

Постоянное прямое напряжение Uпр – падение напряжения на диоде при протекании через него постоянного прямого тока Iпр – заданного ТУ.

Постоянный обратный ток Iобр — ток через диод при постоянном обратном напряжении (Uобр мах). Чем меньше Iобр , тем качественнее диод.

Емкость диода Сд — емкость между выводами при заданном напряжении. При увеличении обратного напряжения (по модулю) емкость Сд уменьшается.

При коротких импульсах необходимо учитывать инерционность процессов включения и выключения диода, что характеризуется следующими параметрами.

1)  Время установления прямого напряжения на диоде (tуст ) – время, за которое напряжение на диоде при включении прямого тока достигает своего стационарного значения с заданной точностью (рис. 6,а).

 а б

 Рис. 6 

Это время связанно со скоростью диффузии и состоит в уменьшении сопротивления области базы за счёт накопления в ней неосновных носителей заряда, инжектируемых эмиттером. Первоначально оно высоко, т.к. мала концентрация носителей заряда. После подачи прямого напряжения концентрация неосновных носителей заряда в базе увеличивается, это снижает прямое сопротивление диода.

2)  Время восстановления обратного сопротивления диода (tвосст.) определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения полярности приложенного напряжения с прямого на обратное достигает своего стационарного значения с заданной точностью (рис. 6, б), обычно 10% от максимального обратного тока. Это время связано с рассасыванием в базе неосновных носителей заряда, накопленных при протекании прямого тока. Оно состоит из двух составляющих tвосст.= t1.+ t2., где t1. – время рассасывания, за которое концентрация неосновных носителей заряда на границе р-п-перехода обращается в ноль; t2. – время разряда диффузионной емкости, связанное рассасыванием неосновных зарядов в объеме базы диода. В целом время восстановления это время выключения диода.

Там, где требуется малое время переключения, используют диоды Шотки. Они имеют переход металл — полупроводник, который обладает выпрямительным эффектом. Накопление заряда в переходе этого типа выражено слабо. Поэтому время переключения может быть уменьшено до значения порядка 100 пс. Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее около 0,3 В.


Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике