Характеристики и параметры оптрона.

Оптрон можно рассматривать как четырехполюсник, свойства которого описываются входной, передаточной и выходной характеристиками.

Входной характеристикой является ВАХ светодиода, выходной – соответствующая характеристика фотоприемника при заданном входном токе оптрона.

Передаточная характеристика – это зависимость I_вых = f(I_вх).

Рис. 1.19 Передаточная характеристика диодного оптрона.

Для диодного оптрона наблюдается хорошая линейность передаточной характеристики (рис.1.19).

Передаточные параметры в зависимости от типа оптрона определяются:

· коэффициентом передачи по току I_вых/I_вх для диодных и транзисторных оптронов (К_i - диодных 0,2 ÷ 0,005, у транзисторных - до 1);

· отношением темнового сопротивления к световому для резисторных R_т/R_c;

· минимально допустимым входным током управления для тиристорных;

К передаточным относятся параметры характеризующие быстродействие оптрона: время включения и выключения.

Качество гальванической развязки характеризуется параметрами изоляции:

· напряжением изоляции U_из;

· сопротивлением изоляции R_из (10¹² – 10¹⁴ Ом)

· проходной емкостью (C_пр » 1 ÷ 2 пФ).

Основными параметрами для входной цепи оптопарявляются:

1. Номинальный входной ток I_{вх ном} – значение тока, рекомендуемое для оптимальной эксплуатации оптопары, а также для снятия ее основных параметров.

2. Входное напряжение U_вх – падение напряжения на излучательном диоде при
протекании номинального входного тока I_{вх ном} .

3. Входная емкость С_вх – емкость между входными выводами оптопары в номинальном режиме.

4. Максимальный входной ток I_{вх макс} – максимальное значение посто­янного прямого тока, при котором сохраняется работоспособность оптопары.

5. Обратное входное напряжение U_{вх обр} максимальное значение об­ратного напряжения любой формы (постоянное, импульсное, синусоидальное и др.), которое длительно выдерживает излучательный диод без нарушения нормальной работы.

Выходными параметрами оптопары являются:

1. Максимально допустимое обратное выходное напряжение U_{вых обр макс} – максимальное значение обратного напряжения любой формы, которое выдерживает фотоприемник без нарушения нормальной работы.

2. Максимально допустимый выходной ток I_{вых макс} – максимальное значение тока,

протекающего через фотоприемник во включенном состоянии оптопары.

3. Ток утечки (темновой ток) на выходе I_ут — ток на выходе оптопары при I_вх =0 и заданном значении и полярности U_{вых .}

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Основные определения

Микроэлектроника – это раздел электроники, охватываю­щий исследования и разработку качественно нового типа элект­ронных приборов (интегральных микросхем) и принципов их применения.

Первые этапы развития микроэлектроники были характер­ны главным образом прогрессом в области технологии ИС. На этих этапах совершенствовались методы изоляции элементов, методы повышения степени интеграции, способы монтажа на­весных компонентов и т.п. Что касается схемотехники (т.е. конфигурации схем, подлежащих интеграции), то на первых порах она заимствовалась из арсенала дискретной транзистор­ной электроники.

Однако вскоре стало ясно, что качественно новой технологи­ческой реализации, свойственной ИС, должны соответствовать адекватные схемные решения. Далеко не все схемы, считавши­еся типичными в дискретной транзисторной электронике, ока­зались приемлемыми в микроэлектронике. И наоборот, многие схемы, которые в дискретной транзисторной электронике счи­тались «экзотическими» и не имели широкого распростране­ния, в микроэлектронике оказались приемлемыми и даже оп­тимальными. Поэтому схемотехника ИС отнюдь не совпадает с обычной транзисторной схемотехникой.

В процессе развития микроэлектроники появилось немало специфических элементов ИС, которые не имеют аналогов в транзисторной схемотехнике и не выпускаются в качестве ди­скретных полупроводниковых приборов (например, многоэмиттерный транзистор, приборы с зарядовой связью и др.). Интег­ральные схемы, в которых используются такие специфические элементы, не могут быть даже промоделированы на дискрет­ных компонентах.

Интегральная микросхема (или просто интегральная схема) - это совокупность, как правило, большого количества взаимо­связанных компонентов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т.п.), изготовленная в едином технологическом цикле, на одной и той же несущей конст­рукции (подложке) и выполняющая определенную функ­цию преобразования информации.

Термин «интегральная схема» (ИС) отражает факт объеди­нения (интеграции) отдельных деталей – компонентов – в конструктивно единый прибор, а также факт усложнения выполняемых этим прибором функций по сравнению с функция­ми отдельных компонентов.

Компоненты, которые входят в состав ИС и, тем самым, не мо­гут быть выделены из нее в качестве самостоятельных изделий, называются элементами ИС, или интегральными элементами. Элементы ИС обладают некоторыми особенностями по сравнению с тран­зисторами и т.д., которые изготавливаются в виде конструктив­но обособленных единиц и соединяются в схему путем пайки.

В основе развития электроники лежит непрерывное усложне­ние функций, выполняемых электронной аппаратурой. На опре­деленных этапах становится невозможным решать новые задачи старыми средствами или, как говорят, на основе старой элемен­тной базы, например с помощью электронных ламп или диск­ретных транзисторов. Основными факторами, лежащими в осно­ве смены элементной базы, являются: надежность, габариты и масса, стоимость и мощность.

Особенностью изделий микроэлектроники является высокая степень сложности выполняемых функций, для чего создаются схемы, в которых количество компонентов исчисляется миллио­нами. Отсюда ясно, что обеспечить надежность функционирова­ния при соединении компонентов вручную – задача невыполни­мая. Единственным способом ее решения является применение качественно новых высоких технологий.

Для изготовления интегральных схем используется группо­вой метод производства и планарная технология.

Групповой метод производства заключается в том, что,

· во-первых, на одной пластине полупроводникового материала одновременно изготавливается большое количество интеграль­ных схем;

· во-вторых, если позволяет технологический процесс, то одновременно обрабатываются десятки таких пластин.

По­сле завершения цикла изготовления ИС пластина разрезается в двух взаимно-перпендикулярных направлениях на отдельные кристаллы (по-английски chip – чип), каждый из которых представляет собой ИС.

Планарная технология – это такая организация техноло­гического процесса, когда все элементы и их составляющие со­здаются в интегральной схеме путем их формирования через плоскость (по-английски плоскость – plane).

Одна или несколько технологических операций при изготов­лении ИС заключается в соединении отдельных элементов в схе­му и присоединении их к специальным контактным площадкам. Поэтому необходимо, чтобы выводы всех элементов и контакт­ные площадки находились в одной плоскости. Такую возмож­ность обеспечивает планарная технология.

Финальная операция – корпусирование – это помещение ИС в корпус с присоединением контактных площадок к нож­кам ИС (рис. 10.1).

Типы Интегральных схем

В процессе развития микроэлектроники (МЭ) номенклатура ИС непрерывно изменялась. Главный тип ИС в настоящее вре­мя – полупроводниковые ИС. Им и будет посвящено основное содержание этого пособия.

Классификация ИС

Классификация ИС может производи­ться по различным признакам, ограничимся здесь лишь одним. По способу изготовления и получаемой при этом структуре раз­личают интегральные схемы двух принципиально разных типов: полупроводниковые и пленочные.

Полупроводниковая ИС – это микросхема, элементы кото­рой выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки (рис. 10.2). Эти ИС составляют основу современной микроэлектроники.

Пленочная ИС – это микросхема, элементы которой выпол­нены в виде разного рода пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки (рис.10.3). В зависимости от спосо­ба нанесения пленок и связанной с этим их толщиной различа­ют тонкопленочные ИС (толщина пленок до 1 - 2 мкм) и толстопленочные ИС (толщина пленок от 10 - 20 мкм и выше).

Поскольку до сих пор никакая комбинация напыленных пленок не позволяет получить активные элементы типа транзи­сторов, пленочные ИС содержат только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и т.п.). Поэтому функции, выполня­емые чисто пленочными ИС, крайне ограничены. Чтобы прео­долеть эти ограничения, пленочную ИС дополняют активными компонентами (отдельными транзисторами или ИС), распола­гая их на той же подложке и соединяя с пленочными элемента­ми. Тогда получается ИС, которую называют гибридной.

Гибридная ИС (или ГИС) – это микросхема, которая пред­ставляет собой комбинацию пленочных пассивных элементов и активных компонентов, расположенных на общей диэлектри­ческой подложке. Дискретные компоненты, входящие в состав гибридной ИС, называют навесными, подчеркивая этим их обо­собленность от основного технологического цикла получения пленочной части схемы.

Еще один тип «смешанных» ИС, в которых сочетаются по­лупроводниковые и пленочные интегральные элементы, назы­вают совмещенными.

Совмещенная ИС – это микросхема, у которой активные элементы выполнены в приповерхностном слое полупроводни­кового кристалла (как у полупроводниковой ИС), а пассивные нанесены в виде пленок на предварительно изолированную по­верхность того же кристалла (как у пленочной ИС).

Совмещенные ИС выгодны тогда, когда необходимы высо­кие номиналы и высокая стабильность сопротивлений и емкостей; эти требования легче обеспечить с помощью пленочных элементов, чем с помощью полупроводниковых.

Во всех типах ИС межсоединения элементов осуществляют­ся с помощью тонких металлических полосок, напыленных или нанесенных на поверхность подложки и в нужных местах контактирующих с соединяемыми элементами. Процесс нане­сения этих соединительных полосок называют металлизацией, а сам «рисунок» межсоединений – металлической разводкой.

Полупроводниковые ИС

В настоящее время различают следу­ющие полупроводниковые ИС: биполярные, МОП (металл-оки­сел-полупроводник) и БИМОП. Последние представляют собой сочетание первых двух, и в них комбинируются положительные их качества.

Технология полупроводниковых ИС основана на легирова­нии полупроводниковой (кремниевой) пластины поочередно донорными и акцепторными примесями, в результате чего под поверхностью образуются тонкие слои с разным типом прово­димости и p-n-переходы на границах слоев. Отдельные слои ис­пользуются в качестве резисторов, а p-n-переходы – в диод­ных и транзисторных структурах.

Легирование пластины приходится осуществлять локально, т.е. на отдельных участках, разделенных достаточно большими расстояниями. Локальное легирование осуществляется с помо­щью специальных масок с отверстиями, через которые атомы примеси проникают в пластину на нужных участках. При изго­товлении полупроводниковых ИС роль маски обычно играет пленка двуокиси кремния Si0₂, покрывающая поверхность крем­ниевой пластины. В этой пленке специальными методами грави­руется необходимая совокупность отверстий различной формы или, как говорят, необходимый рисунок
(рис. 10.4). Отверстия в масках, в частности в окисной пленке, называют окнами.

Кратко охарактеризуем составные части (элементы) полупроводниковых ИС. Основным элементом биполярных ИС является n-p-n-транзистор. На его изготовление ориентируется весь технологический цикл. Все другие элементы должны изго­тавливаться, по возможности, одновременно с этим транзисто­ром, без дополнительных технологических операций.

Основным элементом МДП ИС является МДП-транзистор. Изготовление других элементов также подстраивается под ба­зовый транзистор. Элементы биполярной ИС необходимо тем или иным спосо­бом изолировать друг от друга с тем, чтобы они не взаимодейст­вовали через кристалл.

Элементы МОП ИС не нуждаются в специальной изоляции друг от друга, так как между смежными МОП-транзисторами взаимодействия не существует. В этом – одно из главных преимуществ МОП ИС по сравнению с биполярными.

Характерная особенность полупроводниковых ИС состоит в том, что среди их элементов отсутствуют катушки индуктивно­сти и, тем более, трансформаторы. Это объясняется тем, что до сих пор не удалось использовать в твердом теле какое-либо фи­зическое явление, эквивалентное электромагнитной индукции. Поэтому при разработке ИС стараются реализовать необходи­мую функцию без использования индуктивностей, что в боль­шинстве случаев удается. Если же катушка индуктивности или трансформатор принципиально необходимы, их приходится ис­пользовать в виде навесных компонентов.

Размеры кристаллов у современных полупроводниковых ИС достигают 20 х 20 мм². Чем больше площадь кристалла, тем бо­лее сложную, более многоэлементную ИС можно на нем размес­тить. При одной и той же площади кристалла можно увеличить количество в нем элементов, уменьшая их размеры и расстояния между ними.

Функциональную сложность ИС принято характеризовать степенью интеграции, т.е. количеством элементов (чаще всего транзисторов) на кристалле. Максимальная степень интегра­ции составляет 10⁶ элементов на кристалле. Повышение степе­ни интеграции (а вместе с нею и сложности функций, выполня­емых ИС) – одна из главных тенденций в микроэлектронике.

Для количественной оценки степени интеграции используют условный коэффициент:

k = lg N.

В зависимости от его значения интег­ральные схемы называются по-разному:

Кроме степени интеграции, используют еще такой показа­тель, как плотность упаковки – количество элементов (чаще всего транзисторов) на единицу площади кристалла. Этот пока­затель, который характеризует, главным образом, уровень тех­нологии, в настоящее время составляет до 500 - 1000 элемен­тов на 1 мм².

Гибридные ИС

Пленочные, а значит, и гибридные ИС в за­висимости от технологии изготовления делятся на толсто- и тонкопленочные.

Толстопленочные ГИС (обозначим их ТсГИС) изготавливают­ся весьма просто. На диэлектрическую пластинку-подложку на­носят пасты разного состава. Проводящие пасты обеспечивают межсоединения элементов, обкладки конденсаторов и выводы к штырькам корпуса; резистивные – получение резисторов; диэ­лектрические – изоляцию между обкладками конденсаторов и общую защиту поверхности готовой ГИС. Каждый слой должен иметь свою конфигурацию, свой рисунок. Поэтому при изготов­лении каждого слоя пасту наносят через свою маску (трафа­рет) с окнами в тех местах, куда должна попасть паста данно­го слоя. После этого приклеивают навесные компоненты и сое­диняют их выводы с контактными площадками.

Тонкопленочные ГИС (обозначим их ТкГИС) изготавливают­ся по более сложной технологии, чем ТсГИС. Классическая тонкопленочная технология характерна тем, что пленки осаж­даются на подложку из газовой фазы. Вырастив очередную пленку, меняют химический состав газа и, тем самым, электро­физические свойства следующей пленки. Таким образом, поочередно получают проводящие, резистивные и диэлектрические слои. Конфигурация (рисунок) каждого слоя определяется либо трафаретом, как в случае ТсГИС, либо маской, подобно окисной маске в полупроводниковых ИС (см. рис.143).

Навесные элементы в ТкГИС, как и в ТсГИС, приклеивают на поверхность готовой пленочной части схемы и соединяют с соответствующими контактными площадками элементов.

Степень интеграции ГИС не может оцениваться так же, как в случае полупроводниковых ИС. Тем не менее, существует тер­мин большая ГИС (или БГИС), который означает, что в состав ГИС в качестве навесных компонентов входят не отдельные транзисторы, а целые полупроводниковые ИС.

5.3. Особенности интегральных схем как нового
типа электронных приборов

Поскольку ИС, подобно транзистору, представляет собой кон­структивное единое целое, выполняет определенную функцию и должна удовлетворять определенным требованиям при испыта­ниях, поставках и эксплуатации, она относится к разряду элект­ронных приборов. Однако по сравнению с диодом, транзистором и т.п. ИС является качественно новым типом прибора.

Первая – главная особенность ИС как электронного прибо­ра состоит в том, что она самостоятельно выполняет закончен­ную, часто весьма сложную функцию, тогда как элементарные электронные приборы выполняют аналогичную функцию толь­ко в ансамбле с другими компонентами. Например, отдельный транзистор не может обеспечить усиление сигнала или запоми­нание информации. Для этого нужно из нескольких транзисто­ров, резисторов и других компонентов собрать (спаять) соответ­ствующую схему. В микроэлектронике же указанные функции выполняются одним прибором – интегральной схемой. Она мо­жет быть усилителем, запоминающим устройством и т.п.

Второй важной особенностью ИС является то, что повыше­ние функциональной сложности этого прибора по сравнению с элементарными не сопровождается ухудшением какого-либо из основных показателей (надежности, стоимости и т.п.). Более того, все эти показатели улучшаются.

Поскольку габариты и масса простых и средних ИС близки к габаритам и массе дискретных транзисторов, то можно считать, что в первом приближении выигрыш по этим показателям при переходе от дискретных схем к интегральным определяется степенью интеграции и может достигать сотен и тысяч раз.

Поскольку надежность работы полупроводникового прибора в аппаратуре определяется, прежде всего, количеством паяных и (в меньшей степени) сварных соединений, то ИС, у которых межсоединения элементов осуществляются путем металлиза­ции (т.е. без пайки и сварки), обладают заведомо повышенной надежностью по сравнению с дискретными схемами, выполня­ющими ту же функцию. По мере увеличения степени интегра­ции этот выигрыш возрастает.

Поскольку все элементы ИС изготавливаются в едином тех­нологическом цикле, то количество технологических операций по их изготовлению не намного превышает количество опера­ций по изготовлению отдельного транзистора. Поэтому стои­мость ИС при прочих равных условиях близка к стоимости од­ного транзистора. Значит, в зависимости от степени интегра­ции (или, точнее, от плотности упаковки), стоимость одного элемента ИС по сравнению со стоимостью аналогичного диск­ретного компонента может быть в сотни раз меньше. Такое же соотношение существует между стоимостью ИС и стоимостью аналогичной схемы, выполненной на дискретных компонентах.

Третья особенность ИС состоит в предпочтительности актив­ных элементов перед пассивными – принцип, диаметрально противоположный тому, который свойствен дискретной транзи­сторной технике. В последней активные компоненты, особенно транзисторы, наиболее дорогие, и потому оптимизация схемы при прочих равных условиях состоит в уменьшении количества активных компонентов. В ИС дело обстоит иначе: у них задана стоимость не элемента, а кристалла; поэтому целесообразно раз­мещать на кристалле как можно больше элементов с минималь­ной площадью. Минимальную площадь имеют активные элемен­ты – транзисторы и диоды, а максимальную – пассивные. Сле­довательно, оптимальная ИС – это ИС, у которой сведены к минимуму количество и номиналы резисторов и, особенно, кон­денсаторов.

Точный выигрыш в габаритах и массе трудно оценить теоретическим расче­том, так как ИС имеют другие типоразмеры корпусов и большее число выво­дов, чем элементарные компоненты.

Четвертая особенность ИС связана с тем, что смежные эле­менты расположены друг от друга на расстоянии, измеряемом в микрометрах или долях микрометра. На таких малых расстояниях различие электрофизических свойств материала маловероятно, а, следова­тельно, маловероятен и значительный разброс параметров у смежных элементов. Иначе говоря, параметры смежных элемен­тов взаимосвязаны (коррелированы). Эта корреляция сохраня­ется и при изменении температуры: у смежных элементов тем­пературные коэффициенты параметров практически одинаковы. Корреляция между параметрами смежных элементов использу­ется при проектировании некоторых ИС с целью снизить влия­ние разброса параметров и изменений температуры.

Гибридные ИС тоже представляют собой тип электронных приборов. Однако наличие навесных компонентов делает их ме­нее специфичными, чем полупроводниковые ИС. Остается в силе фундаментальная черта всякой ИС – функциональная сложность прибора, что, как и при использовании полупровод­никовых ИС, качественно меняет структуру электронной аппа­ратуры. Спецификой ГИС как прибора могут быть либо высокие номиналы резисторов и конденсаторов, недостижимые в полу­проводниковых ИС, либо прецизионность резисторов, либо, на­конец, повышенная функциональная сложность. Гибридные ИС – это гиб­кий, дешевый, оперативно проектируемый тип ИС, хорошо при­способленный к решению специальных, частных задач.

ЛАБОРАТОРНые РАБОТы

абораторная работа 1
Исследование работы выпрямительного диода и стабилитрона

1.1 Исследование работы выпрямительного диода.

1.1.2. Порядок выполнения работы

1.1.2.1. Подготовка к проведению измерений

В работе исследуется выпрямительный диод. Исследование ВАХ диода проводится с помощью универсальной установки 87Л-01. Схемы для снятия прямых и обратных характеристик приведены на рис. 1.3 и 1.4.

Рисунок 1.3 Рисунок 1.4

На схемах приняты следующие обозначения: V-исследуемый диод; ГТ-источник постоянного тока (генератор тока), пределы изменения тока 0-10мА; ГН-источник постоянного напряжения (генератор напряжения); РА1, РА2, РU1, PU2-измерительные приборы (выбираются исходя из паспортных данных исследуемого ПД). Схема, приведенная на рис. 1.3. позволяет исследовать работу диода при прямых напряжениях, на рис. 1.4. - при обратных.

1.1.2.2. Исследование прямой ветви ВАХ ПД (см. рис. 1.3.) Снять ВАХ i=f(U) ПД в области прямых напряжений. При эксперименте не превышать допустимое значение прямого тока i_доп. Для этого удобнее задавать значение тока через диод и отмечать получающееся при этом на диоде напряжение. Данные измерений занести в таблицу и на график. Пользуясь полученными данными, определить при i=10мА значение дифференциального сопротивления r_g= .

1.1.2.3 Исследование обратной ветви ВАХ ПД (см. рис. 1.4.) Снять ВАХ i=f(U) ПД в области обратных напряжений. При эксперименте не превышать значение допустимого обратного напряжения U_{обр.доп.}. Данные измерений занести в таблицу и на график.

Пользуясь данными, полученными в предыдущем пункте, определить значение дифференциального сопротивления при U_обр.= -10В. Прямую и обратную характеристики построить на одном графике, выбирая по вертикальным и горизонтальным осям различные масштабы.

1.2 Исследование работы стабилитрона

1.2.2. Порядок выполнения работы

На той же установки 87Л-01 по схеме 1.6. снимается ВАХ стабилитрона и определяется его дифференциальное сопротивление.

Рисунок 1.6

1.2.2.1. Снять ВАХ стабилитрона в области прямых напряжений (см. п. 1.1.2.2)

1.2.2.2. Провести исследование обратной ветви стабилитрона.

Снять ВАХ стабилитрона в области обратных напряжений (ГН2 не подключать, соединить гнезда Х13 и Х14). Так как изменения напряжения U_сm в области стабилизации невелики в широком диапазоне изменения токов диода, изменение приращения этого напряжения △U_cm производится компенсационным способом по схеме рис.1.6. При настройке схемы необходимо установить ток стабилизации, равный I_{cm min.} = 3мА Изменением напряжения на выходе генератора напряжения ГН2 добиться нулевого показания вольтметра PU2. Установить предел измерений прибора PU2 0,5В и, изменяя ток стабилизации, измерить приращение напряжения стабилизации △U_cm . Определить значение дифференциального сопротивления стабилитрона.

Лабораторная работа 2
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Цель работы: изучить методику экспериментального исследования статических характеристик биполярного транзистора и определения по ним h-параметров.

Работа выполняется на универсальной установке 87Л-01 (рис. 1).

Ток базы I_б (входной для данной схемы) подается от генератора тока ГТ, напряжение U_кэ (выходное) – от генератора напряжения ГН2. Измерительные приборы, а также пределы их измерений выбираются исходя из паспортных данных исследуемого транзистора.

Порядок выполнения работ

1.Изучить принцип действия транзистора, обратив внимание на его основное свойство – способность усиливать электрические сигналы.

2.Выписать из справочника основные параметры исследуемого транзистора

3.Для исследования ВАХ транзистора собрать схему с ОЭ (см. рис. 1).

4.Снять семейство входных характеристик при напряжениях U_кэ = 0 и U_кэ = 10 В и управ­ляющую характеристику при напряжении U_кэ =10В. Напряжение U_бэ изменять от нуля до значения, при котором ток коллектора достигает значения I_к.доп для данного транзи­стора. Обе зависимости реко­мендуется воспроизвести на од­ном графике, выбрав разные мас­штабы по оси токов.

5.Снять семейство выходных характеристик транзистора при трех значениях тока базы. Значения токов I_Б, при которых снимаются выходные характеристики, определить так, чтобы наибольшее значение I_Б соответствовало значению I_К, близкому к 0,8×I_К.доп., а наименьшее значение – значению 0,4×I_К.доп.. Третье значение I_Б выбрать среднее между ними (следует помнить, что ток базы и ток коллектора связаны следующим соотношением I_б = I_к / h_21э).

6.По экспериментальным дан­ным построить характеристики.

7.Определить h-параметры транзистора в схеме с ОЭ. Параметры h_22э и h_21э определяют по выходным, а h_11э и h_12э – по входным характеристикам.

1)Определение выходной проводимости транзистора в схеме с ОЭ h_22э.

На линейном участке выходных характеристик транзистора, полу­ченных экспериментально в схеме ОЭ, выбрать рабочую точку А (т.е. задать I_бп и U_кэп), в кото­рой требуется найти h-параметры (рис. 2).

Далее при постоянном токе базы I_бп задать приращение и найти получающееся при этом приращение тока коллектора . Выходная проводимость транзи­стора h_22Э вычисляется по форму­ле:

,

2)Определение коэффициента передачи тока в схеме ОЭ h_21э.

По выходным характеристикам схемы ОЭ (рис. 2) при посто­янном напряжении на коллекторе (U_КЭП=const), определить приращение тока коллектора , переходя вдоль вертикаль­ной оси с характеристики с базовым током I_Б1, до другой -с базовым током I_Б3. Коэффициент передачи тока h_21Э вычисляется по формуле:

.

3)Определение входного сопротивления в схеме с ОЭ h_11э.

На входных, характеристиках транзистора с ОЭ (рис. 3), полу­ченных экспериментально, выбрать ра­бочую точку А, ту же, что и при опре­делении параметра h_22Э.

Задать приращение тока базы ( ) при постоянном напряжении на коллекторе и найти получившееся при этом приращение напряжения базы ( ). Входное сопротивление h_11э оп­ределяется по формуле:

.

4) Определение коэффициента обратной связи по напряжению h_12э.

По входным характеристикам в той же рабочей точке А при постоян­ном токе базы задать приращение напряжения «коллектор – эмиттер» ( ) (перейти на соседнюю характеристику) (рис.3.). Определить получающееся при этом изменение напряжения «база – эмиттер» ( ).

Коэффициент обратной связи по напряжению h_12э находится по формуле:

.

Для маломощных низкочастотных транзисторов, работающих в активном режиме в схеме с ОЭ, значения h-параметров лежат в пределах:

h11э = 10²...10³ Ом; h_12э = 10 ^-4...10 ^-3;

h_21э = 10...100 ; h_22э = 10 ^-5...10 ^-4 Ом ^–1.

Лабораторная работа 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N ПЕРЕХДОМ

4.2. Порядок выполнения работы.

Работа выполняется на универсальной установке 87Л-01.

Схема исследования полевого транзистора показана на рис. 4.5.

4.2.1. Исследовать влияние напряжения на затворе на ток стока.

4.2.1.1. Снять управляющую характеристику транзистора i_C=f(U_ЗИ) при напряжении на стоке U_СИ=6 В. Данные эксперимента занести в таблицу и на график.

4.2.1.2. По данным п. 4.2.1.1. найти напряжение отсечки U_ЗИ0.

Рисунок 4.5

4.2.1.3. Найти значение крутизны S=∆i_C/∆U_ЗИ.

4.2.2. исследовать влияние напряжения на стоке на ток стока.

4.2.2.1 Снять семейство выходных характеристик транзистора i_C=f(U_СИ) при трех значениях напряжения на затворе: U_ЗИ=0,3U_ЗИ0, 0,5U_ЗИ0, 0,7U_ЗИ0.

4.2.2.2 Указать для каждой характеристики границу между линейным режимом и режимом насыщения.

4.2.2.3 Определить значение выходного сопротивления транзистора r_C в линейном диапазоне и в режиме насыщения. Построить зависимость r_C=f(U_ЗИ) для линейного режима.

6. Контрольная работа

Контрольная работа состоит из пяти теоретических вопросов. Перед выполнением контрольной работы необходимо изучить соответствующие разделы курса. Ответы на вопросы должны быть ясными и сформулированными самостоятельно, с указанием использованной литературы. Рекомендуется пояснять ответ рисунками, схемами, графиками и формулами.

Вариант задания соответствует сумме двух последних цифр учебного шифра студенческого билета.

Задание 1

1.Как возникает проводимость химически чистых полупроводников. Как она изменяется при изменении температуры? Процессы генерации и рекомбинации.

2.Для чего вносят примеси в химически чистые полупроводники?

3.При введении какой примеси и как получают полупроводники p-типа Какие носители являются основными.

4. При введении какой примеси и как получают полупроводники n-типа? Какие носители являются основными.

5. Дрейф и диффузия носителей заряда в полупроводниках.

6. Физические основы образования электронно-дырочного перехода. Симметричные и несимметричные p-n-переходы.

7. Физические процессы в p-n-переходе при приложении прямого напряжения.Что такое инжекция неосновных носителей заряда?

8. Физические процессы в p-n-переходе при приложении обратного напряжения.Что такое экстракция неосновных носителей заряда?

9. Теоретическая ВАХ p-n-перехода. Влияние температуры на ВАХ перехода. Выпрямительный диод, его параметры.

10.Емкости p-n-перехода, их вольт-фарадные характеристики. Варикап.

11. Что называется пробоем перехода? Перечислить виды пробоя. Стабилитрон, его ВАХ и параметры.

12. Лавинный, туннельный и тепловой пробои. Условия возникновения, физические процессы, влияние температуры на пробивное напряжение.

Задание 2

13. Структура и принцип действия биполярного бездрейфого транзистора.

14. Нарисовать схемы включения транзистора с ОБ, ОЭ и ОК для
структур p-n-p и n-p-n. Указать полярность напряжений и направления токов при работе транзистора в активном режиме.

15. Из каких компонент состоят токи через эмиттерный и
коллекторный переходы транзистора?

16. Режимы работы биполярного транзистора.

17. Нарисовать и объяснить входные и выходные характеристики
транзистора для схемы ОБ.

18. Нарисовать и объяснить входные и выходные характеристики
транзистора для схем ОЭ.

19. Показать на входных и выходных характеристиках области,
соответствующие режимам: активному, отсечки и насыщения.

20. Изобразить схемы включения биполярных транзисторов. Какими свойствами они отличаются?

21. Объяснить влияние температуры на входные характеристики
биполярного транзистора в схемах включения с ОБ и ОЭ.

22. Объяснить влияние температуры на выходные характеристики
биполярного транзистора в схемах включения с ОБ и ОЭ.

23. Привести систему Н-параметров транзистора, указать физический смысл каждого параметра и показать их определение по характеристикам.

24. Назвать основные типы биполярных транзисторов (с точки зрения
мощностей и частот).

Задание 3

25. Какие существуют виды полевых транзисторов и чем отличается их

устройство?

26. Объяснить принцип действия полевых транзисторов с p-n переходом

27. Приведите эквивалентную схему полевого транзистора с управляющим переходом и объясните физический смысл входящих в нее элементов

28. Объяснить принцип действия полевых МДП транзисторов с индуцированным каналом.

29. Объяснить принцип действия полевых МДП транзисторов со встроенным каналом.