Исследование статических и динамических характеристик полупроводниковых диодов и транзисторов
Цель работы: Цель работы: исследование вольт-амперных и динамических характеристик работы полупроводниковых диодов и транзисторов, а также общих принципов их использования в электронных цепях.
Полупроводниковые диоды
Диод представляет собой полупроводниковый элемент с двумя выводами, один из которых называют анодом (А), а другой – катодом (К). Различают дискретные диоды в виде отдельного элемента, предназначенного для монтажа на плате и заключенного в собственный корпус, и интегральные диоды, которые вместе с другими элементами схемы изготавливаются на общей полупроводниковой подложке. У интегральных диодов имеется третий вывод, необходимый для соединения с общей подложкой.
Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия.. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шотки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгаллиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.
При большом токе через р-n-переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебрегать им нельзя. Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода имеет вид
где R — сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называют последовательным сопротивлением.
Условное графическое обозначение полупроводникового диода приведено на рис. 1.1 а, а его структура на рис. 1.1 б. Электрод диода, подключенный к области Р, называют анодом, а электрод, подключенный к области N, — катодом. Статическая вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 1.1 в.
Рис. 1.1 Условное обозначение полупроводникового диода (а),его структура (б) и вольт-амперная характеристика (в)
Силовые диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:
· падение напряжения Unp на диоде при некотором значении прямого тока;
· обратный ток Iобр при некотором значении обратного напряжения;
· среднее значение прямого тока Iпр.ср;
· импульсное обратное напряжение Uoбpм.
К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики. К таким параметрам относятся:
· время восстановления tвос обратного напряжения;
· время нарастания прямого тока tнар;
· время рассасывания избыточного заряда базы tрас.
Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода, которая приведена на рис. 1.1 в
Динамические характеристики диода
|
Время обратного восстановления диода tвос является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока Iпр на заданное обратное напряжение Uобр. Графики такого переключения приведены на рис. Схема испытания, представляет собой однополупериодный выпрямитель, работающий на резистивную нагрузку Rн и питаемый от источника напряжения прямоугольный формы.
Напряжение на входе схемы в момент времени t=0 скачком приобретает положительное значение Um. Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течение времени tнар. Совместно с нарастанием тока в диоде снижается напряжение на диоде, которое после tнар становится равным Unp. В момент времени t1 в цепи устанавливается стационарный режим, при котором ток диода i=Iн - Um/Rн.
Такое положение сохраняется вплоть до момента времени t2, когда полярность напряжения питания меняется на противоположную. Однако заряды, накопленные на границе p-n -перехода, некоторое время поддерживают диод в открытом состоянии, но направление тока в диоде меняется на противоположное. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе p-n -перехода (т. е. разряд эквивалентной емкости). После интервала времени рассасывани начинается процесс выключения диода, т. е. процесс восстановления его запирающих свойств
Стабилитроны
Стабилитрон – это диод с точно заданным напряжением пробоя, рассчитанный на непрерывную работу в области пробоя и предназначенный для стабилизации или ограничения напряжения. Напряжение пробоя UBR стабилитронов обозначается символом UZ и у стандартных образцов составляет UZ ≈ 3…400 В. Условное графическое обозначение и вольтамперная характеристика стабилитрона представлены на рис. 1.3.
Рис. 1.3 Стабилитрон: а – условное обозначение; б – вольтамперная характеристика
Напряжение зенеровского пробоя UZ зависит от температуры. Температурный коэффициент описывает относительное изменение напряжения пробоя при постоянном токе:
Дифференциальное сопротивление в области пробоя rZ соответствует обратной величине наклона вольтамперной характеристики.
Рис. 1. 4. Стабилизация напряжения с помощью стабилитрона: а – схема; б – вольтамперная характеристика
Биполярные транзисторы
Транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя p-n -переходами, имеющий три вывода. В зависимости от чередования областей полупроводников с различными типами электропроводности различают транзисторы типа p-n-p и типа n-p-n. Их схематическое устройство и условное графическое обозначение показано на рисунке 4.2.
Центральный слой транзистора называют базой (Б), наружный слой, являющийся источником зарядов (электронов или дырок), – эмиттером(Э), а наружный слой, принимающий заряды, – коллектором(К).
На переход эмиттер – база напряжение источника Е э подается в прямом направлении, и прямое сопротивление перехода мало, поэтому даже при малых Е э возникает значительный ток эмиттер – база Iэ. На переход коллектор-база напряжение источника Е к подается в обратном направлении.
Рассмотрим работу транзистора типа p-n-p (рисунок 1.5) (транзистор типа n-p-n работает аналогично). При отсутствии источника Е э эмиттерный ток I э=0, и в транзисторе через коллекторный переход в обратном направлении протекает малый ток (у кремниевых транзисторов I к о = 0,1... 10 мкА).
При подключении источника Еэ возникает эмиттерный ток I э: дырки преодолевают переход эмиттер-база и попадают в область базы, где частично рекомбинируют со свободными электронами базы. Убыль электронов в базе пополняется электронами, поступающими из внешней цепи, образуя ток базы I б. Благодаря диффузии часть дырок в базе, продолжая движение, доходит до коллектора и под действием электрического поля источника Е к проходит коллекторный p-n -переход. В цепи база-коллектор протекает ток I к= I э– I б.
Соотношение между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуют коэффициентом передачи тока
Так как D I к<D I э, то для биполярных транзисторов a= 0,9... 0,995, и ток коллектора I к= I ко+a I э» I э.
Рассмотренная схема включения транзистора, где база является общим электродом для эмиттерной и коллекторной цепей, называется схемой с общей базой. Ее применяют крайне редко из-за низкого коэффициента передачи тока.
Существует три способа включения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (электрод, находящийся на входе и выходе схемы одновременно, определяет название схемы). Основной является схема с общим эмиттером (рис. 1.6,а), в которой входной ток равен току базы
I б= I э– I к= I э–(I ко+a I э)=(1–a) I э– I ко<< I э» I к.
Широкое применение схемы с общим эмиттером обусловлено малым входным (управляющим) током I б. Коэффициент передачи тока для схемы с общим эмиттером b=D I к/D I б колеблется в пределах 10... 200.
Выходные характеристики отражают зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при I б=const (рис. 1.6,в).
Режимы насыщения и отсечки
Для перехода из линейного режима в режим насыщения необходимо увеличивать ток базы до тех пор, пока напряжение на коллекторе не понизится до такого значения, при котором произойдет отпирание коллекторного перехода. Такая ситуация может возникнуть в схеме когда в коллекторной цепи включено сопротивление нагрузки Rн. В этом случае увеличение тока базы Iб приведет к увеличению тока коллектора Iк. В результате увеличится падение напряжения на нагрузке Rн и уменьшится напряжение на коллекторе Ukэ. Условием насыщения является
.
При глубоком насыщении транзистора выполняется условие Ukб>0. В любом случае при переходе в режим насыщения в базе протекает избыточный ток, т. е. ток базы превышает значение, необходимое для получения данного тока коллектора при работе транзистора в линейном режиме.
При глубоком насыщении транзистора в базе накапливается большое количество неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора.
Поскольку в режиме насыщения напряжение между коллектором и эмиттером достаточно малое, то в этом режиме транзистор можно заменить замкнутым ключом, на котором падает небольшое напряжение. Схема замещения транзистора в режиме насыщения приведена на рис.. В соответствии с этой схемой замещения напряжение на насыщенном ключе определяется по формуле
Другим ключевым режимом биполярного транзистора является режим отсечки. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения. Граничным режимом в этом случае является выполнение условия Ubэ = 0. В режиме отсечки транзистор можно заменить разомкнутым ключом, схема замещения которого приведена на рис.1.7 б. В соответствии с этой схемой замещения транзистор в режиме отсечки имеет некоторое достаточно большое сопротивление Ro и параллельно включенный ему генератор небольшого тока утечки На вольт-амперных характеристиках транзистора, приведенных на рис. 1.6а, режиму отсечки соответствует горизонтальная линия при Iб=0.