Порядок выполнения работы

1. Вычертить табл. 6 и 7 для получения прямой и об­ратной ветвей ВАХ туннельного диода.

2. Вычертить систему координат (рис. 18) для изо­бражения ВАХ туннельного диода (масштаб по осям: — в 1 см 2 мА; — в 1 см 0,1 В).

3. Зарисовать схемы для получения ВАХ туннельного диода (см. рис. 14, а, б).

4. Собрать схему, показанную на рис. 14, а, пользуясь графическими обозначениями на сменной панели 87Л- 01/3, снять прямую ветвь ВАХ и занести результаты из­мерений в табл. 6.

5. Собрать схему, показанную на рис. 14,6, снять обратную ветвь ВАХ и занести результаты измерений в табл. 7.

6. Построить ВАХ туннельного диода в координатных осях (рис. 18).

Методические указания

1. При выполнении п. 4 используют:

— генератор тока стенда;

— АВМ1 на пределе измерения «10 мА»;

— АВМ2 на пределе измерения «1 В»; — туннельный диод АИ301Г (или обращенный АИ402Г).

2. Высокое выходное сопротивление ГТ не позволяет снимать падающий участок ВАХ туннельного диода, по­этому прямую ветвь ВАХ снимают в такой последова­тельности:

осторожно увеличивают от нуля ток ГТ, следя за по­казаниями прибора PV1. При достижении пика ВАХ происходит скачкообразный переброс стрелки этого при­бора, определяемый разностью напряжений т. е. диод оказывается в режиме, соответствующем диф­фузионной ветви ВАХ;

осторожно снижают ток ГТ, следя за показаниями прибора PV1. При токе I_в происходит обратный переброс стрелки, т. е. диод оказывается в режиме, соответствую­щем первой восходящей ветви ВАХ.

Эти операции выполняют несколько раз, уточняя па­раметры туннельного диода в точках пика и впадины его ВАХ. При построении ВАХ точки пика и впадины следует соединить пунктирной линией.

3. При выполнении п. 5 в качестве используют генератор ГН1 стенда, на выходе которого перед изме­рениями устанавливают по ИВ стенда нулевое напряже­ние (переключатель ИВ следует перевести в положение «ГН1 1 В»). Остальные приборы те же, что и при вы­полнении п. 4.

4. Вольт-амперную характеристику обращенного дио­да снимают аналогично.

Контрольные вопросы

1. Из каких полупроводниковых материалов изготовляют тун­нельные и обращенные диоды?

2. В чем состоит туннельный эффект? При каких условиях возникают прямой и обратный туннель­ные токи?

3. Каков физический смысл отрицательного сопротивления?

4. Чем туннельный диод отличается от обращенного?

Лабораторная работа №5 Исследование биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой

Цель работы — снятие и анализ входных и выход­ных характеристик транзистора, включенного с ОБ; опре­деление по ним h-параметров (рис. 24).

Пояснения. Биполярные транзисторы являются наи­более универсальными и распространенными полупро­водниковыми приборами, предназначенными для усиле­ния и генерирования электрических колебаний, и имеют трехслойную р-п-р- или п-р-п-структуру (рис. 25а,б). Каждый слой имеет вывод, название которого совпадает с названием слоя или области транзистора. Среднюю область транзистора называют базой, а крайние — эмит­тером и коллектором. Эти транзисторы получили назва­ние биполярных потому, что перенос тока в них осу­ществляется носителями заряда двух типов: электронами и дырками.

Биполярный транзистор имеет два р-п-перехода — эмиттерный П1 и коллекторный П2 — и два запирающих слоя с контактными разностями потенциалов обусловливающих напряженности электриче ских полей в них. Ширина переходов и ширина базовой области В зависимости от выполняемых в схеме функций тран­зистор может работать в трех режимах.

В активном режиме транзистор работает в уси­лителях, когда требуется усиление электрических сигна­лов с минимальным искажением их формы. При этом на эмиттерный переход подают внешнее напряжение в пря­мом направлении, а на коллекторный — в обратном (рис. 26, а). Основные носители эмиттера под действием напряжения преодолевают эмиттерный переход, а им навстречу движутся основные носители базы, которых значительно меньше, поскольку концентрация примеси в базе мала. Часть дырок эмиттера рекомбинирует с элек­тронами базы вблизи перехода П1, а остальные инжек­тируются (впрыскиваются) в базовую область.

На пути к коллекторному переходу часть дырок эмиттера рекомбинирует с электронами базы (в реальных транзисторах от 0,1 до 0,001 количества носителей заря­да, покинувших эмиттер). Остальные дырки достигают коллекторного перехода, на который подано обратное напряжение и с ускорением перебрасываются в кол­лектор полем перехода П2.

Таким образом, ток основных носителей, покидаю­щих эмиттер, частично теряется в переходе П1 и базе на рекомбинацию, эти потери составляют ток базы I_Б. Остальная его часть достигает коллектора, где рекомби­нирует с электронами, поступающими в него из внешней цепи в виде тока Уход дырок из эмиттера восполняется генерацией пар

электрон—дырка в эмиттерной области, и отводом электронов во внешнюю цепь в виде тока Расход электронов базы на рекомбинацию компенси­руется их притоком в виде тока

Токи транзистора, работающего в активном режиме, связаны уравнением

которое можно переписать в приращениях:

Таким образом, при появлении переменной составляющей входного тока транзистора (в рассматриваемом случае это ток эмитте­ра) появляется переменная составляющая выходного (коллекторного) тока. Если в цепь коллектора включить резистор, то падение напряжения на нем окажется Значительно больше переменного напряжения вход­ного сигнала, т. е. транзистор усиливает входной сигнал (рис. 26, б).

В активном режиме транзистор управляется в любой момент процесса усиления, т. е. каждому изменению входного сигнала соответствует изменение выходного.

В режиме насыщения (рис. 26, в) на оба пере­хода транзистора подается прямое напряжение. При этом в базу инжектируются потоки основных носителей эмит­тера и коллектора и сопротивление промежутка коллек­тор — эмиттер транзистора резко уменьшается. В этом режиме транзистор не управляется. Режим насыщения используют в тех случаях, когда необходимо уменьшить почти до нуля сопротивление цепи, в которую включен транзистор.

В режиме отсечки (рис. 26,г) оба перехода транзистора закрыты, так как на них подаются обратные напряжения. В этом режиме транзистор обладает большим сопротивлением. Обратные токи эмиттерного и коллекторного переходов малы (особенно крем­ниевых транзисторов).

При включении биполярного транзистора в электри­ческую схему образуется две цепи: управляющая и уп­равляемая. В управляющей цепи действует входной сиг­нал, который обычно подают на эмиттер или базу. В уп­равляемой цепи (коллекторной или эмиттерной) форми­руется выходной сигнал, поступающий затем на вход следующего каскада или в нагрузку. Третий электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей.

Широко распространены три схемы включения тран­зисторов: с общей базой (рис. 27,а), общим эмиттером (рис. 27,б) и общим коллектором (рис. 27, в). Для ра­счета транзисторных схем используют два семейст­ва вольт-амперных характеристик: входные и выход­ные.

Входные характеристики транзистора показывают за­висимости тока входного электрода от напряжения меж­ду ним и общим электродом при постоянном напряже­нии на выходном электроде. Для схемы с ОБ это зависи­мость тока эмиттера от напряжения между ним и базой при постоянном напряжении на коллекторе (рис. 28, а):

Выходные характеристики транзистора показывают зависимость тока выходного электрода от напряжения между ним и общим электродом. Снимают выходные характеристики для ряда постоянных токов входного электрода. Для схемы с ОБ это зависимости тока кол­лектора от напряжения между ним и базой при постоян­ных значениях тока эмиттера (рис. 28,б):

при

В режиме усиления малых сигналов, когда нелиней­ностью ВАХ можно пренебречь, транзистор, включенный с ОБ, эквивалентно представляют в виде линейного четырехполюсника (рис. 29), входные и выходные пара­метры которого связаны следующими уравнениями:

Физический смысл h-параметров транзистора состоит в следующем:

— входное сопротивление в режиме короткого замыкания на выходе;

— коэффициент внутренней обратной связи в ре­жиме холостого хода на входе;

— коэффициент передачи тока в режиме корот­кого замыкания на выходе;

— выходная проводимость транзистора в режиме холостого хода на входе.

Рассчитывают h-параметры для схемы с ОБ по фор­мулам

Аналитический расчет h-параметров сложен и неточен. Намного проще их получают измерением или по ВАХ.

Для определения на входной характеристике, соответствующей среднему значению коллекторного на­пряжения, обозначают рабочую точку А (р.т) транзис­тора (рис. 30, а), которая задается средними значения­ми входного тока и входного напряжения Через рабочую точку А (р. т) проводят касательную и строят треугольник BCD. Затем, используя формулу (3), находят

Для определения необходимо построить две вход­ные характеристики для двух значений напряжения на выходном электроде (рис. 30. б). Через рабочую точку А (р. т) проводят линию что соответствует холостому ходу на входе транзистора по переменному току. Точки пересечения характеристики этой линии проецируют на ось и определяют Затем, ис­пользуя формулу (4), находят приняв

Для определения h_21Б семейство выходных характе­ристик в области рабочей точки пересекают линией , что соответствует короткому замыканию по переменному току на выходе транзистора (рис. 30, в). Затем по формуле (5) находят графически опреде­лив ΔI_к и вычислив h_21Б

Для определена h_22Б (рис. 30, г)снимают выходную характеристику для тока эмиттера в рабочей точке, а затем находят ΔI_к и ΔU_кб и по формуле (6) рассчитывают h_22Б.