2. Підготовка до роботи

2.1. Користуючись навчальними посібниками [1-7], вивчити прин-цип дії, схеми ввімкнення, основні характеристики і параметри, властивості та області застосування напівпровідникових діодів.

2.2. Накреслити схему електричного кола для проведення експе-рименту (рис. 5). В даній схемі транзистор VT1 разом з резисторами R1, R2, R3 утворюють джерело регульованої напруги. Транзистор працює як повторювач напруги. Струм через діод та напруга на ньому вимірюються відповідно міліамперметром PA1 та вольтметром PV1. Діоди, які досліджують (Д311А, КД510А, АЛ307Б, КС133А), під’єднують за допомогою перемикача S.

3. Проведення експерименту

3.1. За схемою (рис.5) скласти електричне коло для проведення досліджень діодів.

3.2. Експериментально зняти вольт-амперні характеристики крем-нієвого та германієвого діодів, кремнієвого стабілітрона, світлодіода. Записати типи досліджуваних діодів.

3.3. Змінюючи за допомогою потенціометра струм через діод у ме-жах від 0 до 10мА, зняти залежність прямого струму діода від напруги Іпр=f(Uпр) для досліджуваних діодів. Для стабілітрона зняти також і зворотну вітку вольт-амперної характеристики I_зв=ƒ(U_зв).

Результати вимірювань для кожного з діодів записати у таблицю.

Iпр,мА	0	0.05	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Uпр,В

3.4. Помістити діод у нагрівач (дротяний резистор типу ПЕВ-7-330 Ом), під`єднавши його до джерела живлення ~24В. Через 5 хв. зняти вольт-амперну характеристику діода КД510А, як і в п.3.3.

3.5. За результатами експерименту побудувати вольт-амперні харак-теристики.

3.6. Визначити диференціальний опір та опір постійному струмові на лінійній частині вольт-амперної характеристики кремнієвого діода та на зворотній характеристиці стабілітрона.

3.7. Порівняти експериментально отримані результати з теоретич-ними та зробити висновки.

4. Контрольні запитання

1. Опишіть процеси в р-n переході за відсутності зовнішньої напруги при його прямому і зворотному ввімкненнях.

2. Нарисуйте ВАХ ідеального діода.

3. Чим відрізняються характеристики ідеального діода і р-n переходу?

4. Охарактеризуйте температурні й частотні властивості р-n переходу.

5. Як позначають на схемах напівпровідникові діоди?

6. У чому полягає принцип дії напівпровідникових діодів?

7. Назвіть основні параметри і характеристики напівпровідникових діодів.

8. Як можна визначити основні параметри напівпровідникових діодів?

5. Рекомендована література

1. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. – СПб.: КОРОНА, 1998.-400с.

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. -М. : Высшая школа, 1991.-622с.

3. Жеребцов И.П. Основы электроники.-Л. : Энергоатомиздат, 1985.-352с.

4. Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. В 2 ч.-К.: Высшая школа, 1989. Ч.1-432с.

5. Руденко В.С., Сенько В.И., Трифонюк В.В. Основы промышленной электроники.-К.: Высшая школа. 1985.-400с.

6. Забродин Ю. С. Промышленная электроника: Учебник для вузов.-М: Высшая школа, 1982.-496с.

7. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств/ Под ред. А.А.Куликовского.-М.:Энергия, 1977.-576с.

Лабораторна робота № 2

ДОСЛІДЖЕННЯ БІПОЛЯРНИХ ТРАНЗИСТОРІВ У СХЕМАХ ЗІ СПІЛЬНОЮ БАЗОЮ ТА СПІЛЬНИМ ЕМІТЕРОМ

Мета роботи: вивчення принципу дії основних властивостей біполярних транзисторів; дослідження вольт-амперних характеристик біполярних транзисторів у схемі зі спільною базою та спільним емітером; визначення h-параметрів транзисторів за допомогою вольт-амперних характеристик.

1. Теоретичні відомості

1.1. Фізичні процеси в біполярних транзисторах (БТ)

Біполярні транзистори - це напівпровідникові прилади з двома взаємодіючими p-n-переходами і трьома виводами, призначеними для підсилення електричних сигналів. БТ - це монокристал напівпровідника, який складається з трьох областей, що чергуються (рис.1). Внутрішню область монокристала транзистора, розташовану між р-n-переходами, називають базою. Зовнішню область, призначену для інжектування носіїв у базу, називають емітером, р-n-перехід між емітером і базою називають емітерним. Іншу зовнішня область, яка втягує носії з бази (екстракція носіїв), називають колектором, а перехід між базою і колектором називають колекторним.

У процесі виготовлення транзистора база виконується дуже тонкою. Концентрація основних носіїв в емітері значно більша за концентрацію основних носіїв у базі. Площа колекторного переходу більша, ніж емітерного, що підвищує коефіцієнт переносу носіїв із емітера в колектор.

Залежно від типу електропровідності областей напівпровідника, що чергуються, розрізняють транзистори p-n-p і n-p-n типів.

Розглянемо фізичні процеси в транзисторі p-n-p типу. В підсилювальному режимі роботи транзистора емітерний перехід зміщують у прямому напрямі, а колекторний - у зворотному (рис. 1).

В результаті зменшення потенціального бар`єра емітерного переходу дірки з емітера дифундують у базу (інжекція дірок), а електрони - з бази в емітер. Оскільки концентрація дірок в емітері значно перевищує концентрацію електронів у базі, то потік дірок у базу є значно інтенсивнішим від потоку електронів із бази в емітер, тобто інжекція має практично односторонній характер. У загальному через емітерний перехід протікає струм I_e=I_ep+I_en, де I_ep - діркова складова емітерного струму, I_en - його електронна складова. Чим менша складова I_en, тим ефективніша робота емітера.

Для кількісного оцінювання ефективності роботи емітера вводять коефіцієнт інжекції

. (1)

Інжектовані дірки проникають у базу, де вони є неосновними носіями. В базі невелика частина дірок починає рекомбінувати з електронами. Цей процес викликає додатковий приплив електронів від зовнішнього джерела Е_еб в базову область, тобто з`являється базовий струм. Процес рекомбінації відбувається не миттєво і пов`язаний з часом життя неосновних носіїв. Оскільки товщина бази є дуже малою, то час проходження бази інжектованими дірками значно менший, ніж час їх життя. Тому більшість дірок, не встигнувши рекомбінувати, досягають області колекторного переходу, де вони потрапляють у прискорююче поле цього колекторного переходу і втягуються ним у колектор (процес екстракції дірок з бази). В колекторі починає протікати струм І_к.

Рис. 1. Фізичні процеси у транзисторі

Відносне число дірок, які досягають колектора, характеризують коефіцієнтом переносу

, (2)

де p_к і p_е - концентрації дірок, що пройшли через колекторний та емітерний переходи.

Якби рекомбінація у базі була відсутня й існувала чисто одностороння інжекція, то всі дірки, інжектовані емітером, досягали б колекторного переходу, тоді струм колектора І_к дорівнював би струму емітера І_е. В дійсності ж тільки частину  струму емітера складають дірки і тільки частина  їх доходить до колекторного переходу. Тому струм колектора складає лише частину емітерного струму, а саме:

; . (3)

Коефіцієнт  називають коефіцієнтом передавання емітерного струму. Він є одним із основних параметрів транзистора і показує, яку частину емітерного струму І_е складає колекторний струм І_к:

. (4)

Через колекторний перехід, крім розглянутого струму, викликаного інжектованими в базу дірками, протікає також некерований зворотний струм І_ко зворотно зміщеного колекторного переходу. Причини його виникнення ті ж, що і в окремому p-n переході. Тому результуючий струм колекторного кола дорівнює

. (5)

Струм І_ко є дуже малий, тому можна з достатньою для практики точністю вважати, що І_к=І_е.

Крім струмів І_е і І_к в транзисторі також необхідно враховувати струм бази І_б, зумовлений рекомбінацією дірок з електронами бази. Оскільки за рахунок рекомбінації порушується електронейтральність бази, для її відновлення від зовнішнього джерела Е_еб в базу надходять електрони, створюючи базовий струм І_б.

Отже, емітерний струм І_е розгалужується на дві складові - колекторний струм І_к і базовий струм І_б, тобто

. (6)

Із (4) і (6) випливає:

. (7)

Враховуючи, що через базу протікає також і струм зворотно зміщеного колекторного переходу, можна записати:

. (8)

Вирази (5) і (6) свідчать, що струми в транзисторі пов`язані лінійними співвідношеннями.

Перетворимо ці вирази так, щоб встановити залежність між струмом колектора І_к і струмом бази І_б. Для цього підставимо (6) в (5). Отримаємо:

,

звідки випливає:

. (9)

Позначимо коефіцієнт передавання базового струму 

. (10)

Тоді з виразу (9) випливає:

, (11)

де .

Враховуючи, що І_кео є малим порівняно з І_б, залежність струму колектора від струму бази можна записати у вигляді:

.

Коефіцієнт =10300 і більше. Його називають коефіцієнтом підсилення транзистора.

Транзистор використовують для підсилення потужності електричного сигналу. Змінюючи невелику вхідну напругу u_вх на емітерному переході, можна змінювати струм І_е, а, отже, і струм І_к. Змінна складова колекторного струму створює змінну складову спаду напруги u_к на опорі R_к. При цьому енергія джерела живлення спрямовується в навантаження R_к. І хоч І_к І_е (відсутнє підсилення по струму), приріст напруги на колекторі i_кR_к буде набагато більший за приріст напруги на емітері u_e=u_вх. Тому потужність змінної (підсиленої) складової в колі колектора буде набагато більша від потужності вхідного сигналу.

Рис. 2. Умовні позначення транзисторів на принципових схемах:

а) транзистор p-n-p типу; б) транзистор n-p-n типу

Принцип дії транзистора n-p-n типу аналогічний, лише напрями струмів, знаки носіїв зарядів та іонів домішок і полярність прикладених напруг будуть протилежними до тих, які мають місце в розглянутому p-n-p транзисторі. На принципових схемах транзистори зображують у вигляді умовних позначень (рис.2), де стрілка вказує напрям протікання струму емітера.