I. Исследование транзистора, включённого по схеме с общей базой.

Лабораторные исследования выполняются на плате П4 с технологической картой 2.4. Инструкции по выполнению задания приведены на технологической карте.

Задание 1(номер 1 на технологической карте) Снять семейство статических входных характеристик транзистора при трёх значениях коллекторного напряжения: U_кб = 0 и двух U_кб ¹ 0. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

Задание 2 (номер 2 на технологической карте). Снять семейство статических выходных характеристик транзистора при трёх значениях тока эмиттера. Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2

Задание 3 По данным таблиц 1 и 2 построить семейства входных и выходных характеристик транзистора, включённого по схеме с ОБ.

Задание 4 На полученных семействах входных и выходных характеристик выполнить построения для расчёта h-параметров транзистора. Выполнить расчёты h-параметров, оценить их значения. Сравнить расчётные значения h-параметров со справочными.

II. Исследование транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером.

Лабораторные исследования выполняются на плате П5 с технологической картой 2.5. Инструкции по выполнению задания приведены на технологической карте.

Задание 1(номер 1 на технологической карте) Снять семейство статических входных характеристик транзистора при трёх значениях коллекторного напряжения: U_кэ= 0 и двух U_кэ ¹ 0. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

Задание 2 (номер 2 на технологической карте) Снять семейство статических выходных характеристик транзистора при трёх значениях тока эмиттера. Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2

Задание 3 По данным таблиц 1 и 2 построить семейства входных и выходных характеристик транзистора, включённого по схеме с ОЭ.

Задание 4 На полученных семействах входных и выходных характеристик выполнить построения для расчёта h-параметров транзистора. Выполнить расчёты h-параметров, оценить их значения. Сравнить расчётные значения h-параметров со справочными. Сравнить h-параметры транзистора в схеме включения с ОБ и с ОЭ. Объяснить полученные результаты.

Вопросы для допуска к работе

1. Изобразить структуры транзисторов p-n-p и n-p-n типа. Объяснить их отличие.

2. Изобразить схемы включения транзисторов с ОБ и с ОЭ. Объяснить полярность питающих напряжений.

3. Изобразить семейства входных и выходных характеристик в схемах включения с ОБ и с ОЭ.

4. Объяснить порядок и методику выполнения работы.

Контрольные вопросы и задания к защите работы

1. Изобразить структуру транзистора p-n-p (n-p-n) типа, включённого по схеме с ОБ. Объяснить полярность питающих напряжений.

2. Объяснить физические процессы, происходящие в эмиттерном переходе транзистора. Какие составляющие тока эмиттера протекают через эмиттерный переход ? Ввести понятие коэффициента инжекции.

3. Объяснить физические процессы, происходящие в базе транзистора. Ввести коэффициент переноса, пояснить его смысл. Рассказать о составляющих тока базы.

4. Объяснить физические процессы, происходящие в коллекторном переходе. Какие составляющие коллекторного тока протекают через коллекторный переход ? Объяснить уравнение I_к = aI_э + I_кбо.

5. Какие требования следует предъявить к структуре транзистора, чтобы обеспечить эффективное управление током коллектора ?

6. Изобразить схему включения транзистора с ОЭ. Пояснить полярность питающих напряжений. Объяснить уравнение I_к = bI_б + (b+1)I_кбо.

7. Объяснить, почему входные характеристики биполярного транзистора напоминают прямую ветвь ВАХ диода ?

8. Объяснить, почему выходные характеристики имеют пологие участки, где ток коллектора практически не зависит от напряжения на коллекторе.

9. Объяснить физический смысл h-параметров. На статических характеристиках показать построения для расчёта h-параметров.

Лабораторная работа 14

Исследование тиристора.

Назначение работы

Целью настоящей работы является изучение принципа функционирования тиристора и его основных параметров. В данной работе снимается семейство вольт-амперных характеристик триодного тиристора и определяются его параметры.

Теоретические сведения

Тиристорами называют полупроводниковые приборы с тремя и более p-n переходами, которые имеют два устойчивых состояния равновесия: состояние с низкой проводимостью и состояние с высокой проводимостью. Переход из одного состояния в другое обусловлен действием внешних факторов: напряжения, света, температуры и т.д.

Существуют несколько разновидностей тиристоров, среди которых наиболее распространёнными являются диодные и триодные тиристоры.

Диодным тиристором (динистором) называется прибор, имеющий два электрода, через которые протекает как основной ток, так и ток управления. Тиристор, имеющий два основных и один управляющий электрод, называется триодным тиристором (тринистором).

На рис. 3.1 показана структура простейшего диодного тиристора, где крайние слои, к которым подводятся металлические контакты, называют анодом и катодом. Эта структура может быть представлена в виде двух частично совмещённых транзисторных структур типа n-p-n и p-n-p. В связи с таким представлением крайние слои тиристорной структуры называют эмиттерными, примыкающие к ним p-n переходы – эмиттерными, центральный переход – коллекторным. Между переходами находятся базовые области.

При отсутствии внешнего напряжения (рис. 3.1, а) на тиристоре вследствие различия концентрации носителей в p- и n- областях через каждый p-n переход будет протекать ток диффузии. Возникшие при этом объёмные электрические заряды создадут поля, препятствующие диффузии основных носителей и вызывающие дрейфовые токи неосновных носителей. В результате на каждом переходе устанавливается состояние термодинамического равновесия, и суммарный ток через каждый переход и через весь прибор будет равен нулю (рис. 3.2).

П1 П2 П3 +- +- +- +- +- +- -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ p n p n A K а)     VT2 A б) K n VT1

Рис. 3.1. Cтруктура диодного тиристора (а), представление его в виде двух транзисторов p-n-p и n-p-n типа (б).

Iа B Rн Еа г)   a) C A Ua Uпроб 0 Uоткр Uвкл Ea                                       Rн       Еа б) Еа в)

Рис. 3.2. Вольт – амперная характеристика тиристора (а) и состояние переходов (б,в,г) в различных режимах.

При подаче на анод отрицательного напряжения (рис. 3.2, б) коллекторный переход смещается в прямом направлении, а оба эмиттерных перехода – в обратном направлении. Вольт – амперная характеристика в этом режиме (рис. 3.2, а) является по существу характеристикой двух последовательно соединённых электронно – дырочных переходов, смещённых в обратном направлении. Ток тиристора невелик, он определяется процессами экстракции и термогенерации неосновных носителей зарядов в этих переходах. Сопротивление тиристора велико, что соответствует закрытому состоянию прибора.

При превышении некоторой величины обратного напряжения U_проб происходит пробой эмиттерных переходов и ток тиристора резко возрастает – это нерабочий режим.

При подаче на анод положительного напряжения коллекторный переход П2 оказывается включенным в обратном направлении, а эмиттерные переходы П1 и П3 – в прямом (рис. 3.2, в). При этом практически всё внешнее напряжение падает на коллекторном переходе П2. Возникает инжекция носителей заряда из эмиттерных областей и, кроме того, в цепи коллекторного перехода протекает небольшой обратный ток I_кбо. Таким образом, полный ток коллекторного перехода

(3.1)

где a₁ и a₂ – коэффициенты передачи токов p-n-p и n-p-n транзисторов.

Так как ток через коллекторный переход диодной структуры равен току анода I_a, с учётом выражения (3.1) можно записать:

(3.2)

Коэффициенты передачи токов a₁ и a₂ в кремниевых структурах сильно зависят от величины тока эмиттера. Как видно из рис.3.3 при малых токах эмиттера коэффициент передачи тока очень мал.

Как видно из рис. 3.3, при малых токах эмиттера коэффициент передачи тока очень мал. Поэтому, пока напряжение Е_а и ток через переходы невелики, суммарный коэффициент передачи тока a = a₁ + a₂ << 1, и ток анода соизмерим с собственным током коллекторного перехода I_кбо.

С повышением анодного напряжения на эмиттерных переходах П1 и П3 увеличивается прямое напряжение, усиливается инжекция носителей заряда. Электроны, инжектируемые n-эмиттером, достигают коллекторного перехода П2 и его полем перебрасываются в n-базу, где образуется неравновесный отрицательный заряд. Этот заряд снижает потенциальный барьер перехода П1, что увеличивает инжекцию дырок p-эмиттером.

a1 1.0   0.8 p-n-p a2 0.6   0.4   0.2 n-p-n   10 100 Iэ, мкА

Рис. 3.3. Зависимости коэффициентов передачи a₁ и a₂ от тока.

Дырки, продиффундировав через n-базу, достигают перехода П2 и его полем перебрасываются в р-базу. Заряд дырок в р-базе снижает потенциальный барьер П3, увеличивая инжекцию электронов n-эмиттером. Таким образом, в тиристорной структуре возникает положительная обратная связь, которая приводит к самопроизвольному лавинному увеличению анодного тока.

С приближением анодного напряжения к некоторой величине U_вкл (точка А на ВАХ), значение a = a₁ + a₂ стремится к единице, процесс регенерации усиливается и ток тиристора в соответствие с выражением (3.2) начинает расти.

В точке А суммарный коэффициент передачи тока a = a₁ + a₂ равен единице, в переходе П2 начинается процесс лавинного размножения носителей, которые разносятся полем перехода П2 в “свои” области – электроны – в n-область, дырки – в р-область. Потенциальные барьеры П1 и П3 снижаются, ещё более увеличивается инжекция из эмиттеров. Накопленные заряды в базах тиристора смещают коллекторный переход в прямом направлении, его сопротивление резко падает. В результате начинается перераспределение напряжения Е_а; напряжение на резисторе R_н возрастает, а напряжение на аноде уменьшается до величины U_a = U_откр (рис. 3.2,а) согласно соотношению:

Тиристор скачком проходит неустойчивый режим, в котором он обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением, и переходит в открытое состояние, то есть в состояние с высокой проводимостью (точка В на ВАХ), где суммарный коэффициент a становится больше единицы (рис. 3.2,г).

Величина тока при этом определяется сопротивлением нагрузки R_н и напряжением питания:

Падение напряжения на открытом тиристоре определяется суммой падений напряжений на трёх прямо смещённых переходах, падением напряжения на базах и выводах и составляет около 1В.

На величину U_вкл можно влиять с помощью управляющего электрода (тринисторный режим). При подаче в цепь управляющего электрода тока управления I_у (рис. 3.4, а) ток через переход П3 увеличивается. Дополнительная инжекция носителей заряда через переход приводит к увеличению анодного тока на величину a₂I_у

Увеличение анодного тока, а значит и тока через запертый коллекторный переход тринистора в первом приближении аналогично приложенному напряжению, так как в обоих случаях увеличивается вероятность лавинного размножения носителей заряда. Поэтому, изменяя ток, можно менять напряжение, при котором происходит переключение тиристора, и тем самым управлять моментом включения. Семейство вольт-амперных характеристик тринистора показано на рис. 3.4, б.

R Ia   p n p n   Еу Iy4 > Iy3> Iy2> Iy1     Iуд Ea Rн   a) Iу4 Iy3 Iy2 Iy1   0 Uвкл3 Uвкл2 Uвкл1 б)

Рис. 3.4. Cхема включения тринистора (а); семейство вольт-амперных характеристик (б).

Чем больше ток в цепи управления, тем сильнее инжекция, тем при меньшем анодном напряжении выполняется условие a₁ + a₂ ³ 1. Увеличивая ток управления до I_y4 (ток спрямления) , можно получить характеристику, аналогичную диодной характеристике. Выключение тиристора обычно производится по анодной цепи, для чего анодный ток должен быть уменьшен до нуля, либо до I_a<I_уд, где I_уд – так называемый удерживающий ток тиристора, то есть минимальный анодный ток, необходимый для поддержания открытого состояния тиристора при заданном режиме управляющего электрода. При этом неравновесные заряды, накопленные в базах при прохождении прямого тока, постепенно рассасываются вследствие рекомбинации носителей заряда, а спустя некоторое время (называемое временем выключения) восстанавливается закрытое состояние тиристора.

Выключить тиристор можно также путём подачи на управляющий электрод напряжения противоположной полярности и создания в его цепи противоположно направленного тока. Это приводит к уменьшению концентрации носителей зарядов в базе и уменьшению коэффициентов a₁ и a₂. При a₁ + a₂ < 1 тиристор выключается, и по цепи протекает малый ток I_кбо. Однако запирающий ток при этом получается одного порядка с анодным током и на запирание расходуется значительная мощность.

Задания к лабораторной работе.

Лабораторные исследования выполняются на плате П6 с технологической картой 2.6. Инструкции по выполнению задания приведены на технологической карте.

Задание 1 Снять зависимость тока анода от напряжения на аноде тиристора при нулевом токе управляющего электрода I_y = 0, а также при трёх значениях управляющего тока, указанных на технологической карте. Результаты измерений занести в таблицу 1. При I_y = 0 по экспериментальным данным определить параметры тиристора U_вкл и I_уд.

Таблица 1

Задание 2 По полученным данным построить семейство вольт-амперных характеристик тиристора. На вольт-амперных характеристиках показать параметры тиристора U_вкл и I_уд. Объяснить их физический смысл. Объяснить влияние I_у на величину U_вкл тиристора.

Вопросы для допуска к работе.

1. Что представляет собой тиристор ?

2. По каким признакам классифицируются тиристоры ?

3. Изобразить вольт-амперную характеристику тиристора.

4. Назвать основные параметры тиристора.

5. Объяснить порядок и методику выполнения работы.

Контрольные вопросы и задания к защите работы.

1. Почему тиристор называют переключающим прибором ? Объяснить с помощью ВАХ прибора.

2. Почему при анодном напряжении от 0 до U_вкл тиристор заперт ? Какой величины ток протекает при этом через прибор, какова природа этого тока ?

3. Объяснить состояние p-n переходов структуры, когда тиристор открыт. Какой величины ток протекает через прибор? Какова природа этого тока ?

4. Какие процессы в структуре тиристора приводят к его переключению из запертого в проводящее состояние ?

5. Какое влияние на работу тиристора оказывает управляющий электрод ? Пояснить с помощью ВАХ тиристора.

6. Каким образом можно выключить тиристор ?

7. Объяснить состояние p-n переходов структуры при обратном включении тиристора. Какой величины ток протекает через прибор? Какова природа этого тока ?

Лабораторная работа 15

Исследование полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

Назначение работы

Целью настоящей работы является изучение принципа функционирования и основных характеристик полевого транзистора. В данной работе снимаются статические характеристики полевого транзистора, включённого по схеме с общим истоком, по полученным характеристикам определяются дифференциальные параметры транзистора.

Общие сведения

Полевыми называются транзисторы, работа которых основана на изменении сопротивления токоведущей области (канала) посредством изменения напряжённости поперечно-приложенного электрического поля. У них в создании электрического тока участвуют носители заряда только одного типа (электроны или дырки), поэтому другое название данного типа транзисторов – униполярные.

Как и большинство транзисторов, полевой транзистор с управляющим p-n переходом изготавливается по планарной технологии (рис.4.1, а). На подложке из р-кремния создаётся тонкий эпитаксиальный слой полупроводника n-типа, выполняющий функции канала, то есть область, сопротивление которой регулируется электрическим полем. Канал изолирован p-n переходами как от подложки, так и от находящейся над ним области затвора (р⁺), под которой создаётся электрическое поле, воздействующее на сопротивление канала. Нижний переход (канал-подложка) служит также для установки начальной толщины канала. Подложка может служить вторым управляющим электродом, либо подключаться к затвору.

Анализ работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом проведём на его модели (рис.4.2,а). Она представляет собой полупроводниковую пластину определённого типа проводимости (n-типа), от концов которой сделаны два вывода – электроды истока и стока. Вдоль пластины выполнен p-n переход, от которого сделан третий вывод – затвор. Между p-n переходом и противоположной гранью пластины располагается область, которая называется каналом.

- И - З + С С     SiO2 З И P+ n - канал   С З И   а) б) р - канал

Рис. 4.1. Структура полевого транзистора с управляющим p-n переходом (а), его условное графическое обозначение (б).

Если подключить к каналу напряжение U_си с полярностью, указанной на рис. 4.2,а , то через канал потечёт ток. Омический контакт, от которого начинают движение основные носители заряда (электроны), называют истоком, а омический контакт, к которому они движутся через канал, называют стоком.

Если типы проводимости областей в рассмотренной структуре поменять на противоположные, то получим полевой транзистор с каналом p-типа, где основными носителями будут дырки. Условные графические обозначения транзисторов с каналами p- и n- типов приведены на рис. 4.1, б.

n + Uзи -                               з     з       n и с и с   з p   - Uси +   а) б)

Рис. 4.2.Включение полевого транзистора с управляющим p-n переходом (а), модель транзистора с двумя p-n переходами (б).

Область затвора в транзисторной структуре всегда легирована значительно сильнее, чем область канала, поэтому область p-n перехода располагается главным образом в n-слое, что позволяет эффективно управлять током стока.

Принцип работы транзистора с управляющим переходом заключается в следующем. Если на затвор подать отрицательное напряжение (рис.4.2), оно сместит переход в обратном направлении. При увеличении обратного напряжения на p-n переходе, он расширяется в основном в сторону канала. При этом уменьшается толщина канала, а следовательно увеличивается его сопротивление. Это приводит к уменьшению тока между истоком и стоком. Наоборот, при уменьшении напряжения на затворе, уменьшается ширина p-n перехода, увеличивается толщина канала, уменьшается его сопротивление. Это приводит к увеличению тока стока.

Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние как управляющее напряжение U_зи, так и напряжение U_си. Влияние напряжений на проводимость канала иллюстрирует рис. 4.3.

n + Uзи - з p з p и с и с   - + Uси а) б) с и з + Uзи - + Uзи -                         з       p               p             с и                                         U1       U2         - Uси +     - Uси +         г) в)

Рис. 4.3. Влияние внешних напряжений на величину проводимости канала.

На рис. 4.3, а внешнее напряжение приложено только между затвором и истоком. Изменение напряжения U_зи приводит к изменению проводимости канала за счёт изменения его сечения равномерно по всей длине канала. Но выходной ток в этом случае I_с = 0, поскольку U_си = 0.

Рис. 4.3, б иллюстрирует изменение сечения канала при воздействии только напряжения U_си (U_зи = 0). При U_си > 0 через канал протекает ток стока I_c, в результате чего создаётся падение напряжения по длине канала. Оно оказывается запирающим для p-n перехода, и это приводит к увеличению ширины p-n перехода по мере приближения к стоку. Аналогичная картина наблюдается и при подключении напряжения U_зи. На рис. 4.3, в видно, что ширина области объёмного заряда вблизи стока больше, чем вблизи истока. Это объясняется тем, что к различным участкам p-n перехода приложено неодинаковое напряжение.

Если считать потенциал истока равным нулю, то потенциал стока равен U_си. Это напряжение распределяется вдоль канала, создавая падения напряжения U₁ и U₂ на разных участках канала. К части p-n перехода со стороны истока приложено напряжение U¢_p-n = U_зи + U₁, а к части p-n перехода со стороны стока U¢¢_p-n = U_зи + U₂ . Так как U₂ > U₁, то U¢¢_p-n > U¢_p-n, и ширина объёмного заряда у стока больше.

Участки пластины, расположенные между p-n переходом и истоком и p-n переходом и стоком, являются пассивными, поэтому их величину сводят к минимуму, а падением напряжения на этих участках пренебрегают. Таким образом U₁ ® 0, а U₂ ® U_си и U¢_p-n = U_зи ; U¢¢_p-n = U_зи + U_си .