Методические указания. Метод указания по лабораторным работам (1). Лабораторная работа 1 исследование диодов и стабилитронов
 Скачать 1.29 Mb.
|
|
Рекомендации по лабораторным работам Лабораторная работа № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИОДОВ И СТАБИЛИТРОНОВ Цель работы: закрепить теоретические знания о диодах и стабилитронах; научиться рассчитывать и измерять токи, напряжения и сопротивления диодов и стабилитронов; экспериментально получить вольтамперные характеристики диода и стабилитрона; исследовать стабилизирующие свойства стабилитрона. Используемое оборудование и средства: персональный компьютер, программа Electronics Workbench. Методические указания: работа выполняется студентами за два часа аудиторных занятий. Краткие теоретические сведения Полупроводниковый диод – это прибор, который образуется путем соединения двух полупроводников с различными типами проводимости p и n, как показано на рис.1.
В n – области основными подвижными носителями электрического заряда являются электроны, в p – области – дырки. На границе соединения n- и p –областей образуется электронно-дырочный, или p-n-переход. Если к p-n—областям не приложено питание (U = 0), то находящиеся вблизи p-n-перехода подвижные носители заряда диффундируют в область с проводимостью, обусловленной носителями противоположного знака и взаиморекомбинируют. Поэтому у p-n-перехода образуется обедненный свободными носителями двойной слой пространственного заряда (рис.1). В p-области этот слой создается оставшимися после рекомбинации свободных носителей отрицательными ионами акцепторной примеси, в n-области – положительными ионами донорной, и его электрическое поле противодействует дальнейшей диффузии. Это поле на рис.1 обозначено Ек (контактное поле). Разность потенциалов между p и n областями, или потенциальный барьер, составляет десятые доли вольта. В полупроводниках постоянно образуются и рекомбинируют тепловые электронно-дырочные пары, создавая неосновные носители (электроны в p-области и дырки в n-области). Неосновные носители, прежде чем успевают рекомбинировать с основными, попадают в контактное поле (Ек) и образуют дрейфовый ток. Таким образом, в полупроводниковом диоде протекают диффузионный (Iдиф) и дрейфовый (Iдр) токи. Если к p-области приложить положительный относительно n-области потенциал (прямое смещение), то поле источника питания (Еп) будет направлено против контактного поля (Ек), как показано на рис.1. С увеличением напряжения прямого смещения поле питания (Еп) увеличивается и все больше компенсирует контактное поле (Ек). Следовательно, потенциальный барьер снижается и далее исчезает, что приводит к диффузии подвижных носителей через переход и увеличению диффузионного тока (Iдиф). Пересекающие переход носители становятся неосновными и рекомбинируют с основными носителями области, в которую они диффундируют. Пополнение рекомбинировавших основных носителей обеспечивается притоком из внешней цепи – через p-n-переход протекает прямой диффузионный ток (правая ветвь вольтамперной характеристики, показанной на рис.2). Если к р-области приложить отрицательный относительно n-области потенциал (обратное смещение), то поле питания (Еп) будет направлено в одном направлении с контактным полем (Ек) и потенциальный барьер будет увеличиваться. С увеличением напряжения обратного смещения диффузионный ток основных носителей убывает и далее совсем прекращается, а дрейфовый ток неосновных носителей (обратный ток) возрастает, быстро достигая насыщения (левая ветвь вольтамперной характеристики рис.2). Таким образом, если диод включен в прямом направлении ("+" к области р, а "-" к области n), то диод открыт и через него протекает прямой ток. При обратном включении ("-" к области р, а "+" к области n) через диод протекает незначительный обратный ток, т.е. фактически диод закрыт. Следовательно, можно считать, что диод пропускает ток только в одном направлении, что позволяет использовать его в качестве выпрямительного элемента. При больших обратных смещениях, приложенных к p-n-переходу, резко возрастает обратный ток. Это происходит потому, что при достаточно сильном электрическом поле, когда неосновные носители ускоряются настолько, что ионизируют атомы полупроводника, возникает электрический пробой. Однако диод сохраняет работоспособность, поскольку выделяемая на p-n-переходе мощность поддерживается на допустимом уровне. Диоды, работающие в таком режиме, называются с т а б и л и т р о н а м и.Вольтамперная характеристика стабилитрона приведена на рис.3. Рабочей является левая ветвь вольтамперной характеристики.  Рис.1.3. Вольтамперная характеристика стабилитрона Если к диоду подключен источник питания Е через резистор R, то через диод будут протекать прямой (Iпр) и обратный (Iобр) токи:  (1) , (2)где Uпр и Uобр – напряжение на диоде при прямом и обратном включении питания соответственно. Вольтамперная характеристика p-n-перехода, а, следовательно, и диода описывается выражением:  , (3)где I – ток через переход при напряжении U; Iо – обратный ток; Ut–температурный потенциал перехода, равный при комнатной температуре 26 мВ. При подключении стабилитрона к источнику питания (Е) через резистор (R) в цепи протекает ток (Iст):  , (4)где Uст – напряжение на стабилитроне. Напряжение стабилизации (Uстаб) стабилитрона определяется точкой на вольтамперной характеристике, в которой ток стабилитрона резко увеличивается. Мощность рассеивания стабилитрона (Рст) вычисляется как произведение тока стабилитрона (Iст) на напряжение стабилитрона (Uст)  (5)Статическое и динамическое сопротивления (Rст и Rд) диода и стабилитрона определяются на основании вольтамперных характеристик и вычисляются по формулам:  (6) , (7)где U – напряжение на диоде или стабилитроне; I – ток через диод или стабилитрон; dU и dI – приращения напряжения и тока. Задание на подготовку к работе Изучить физические процессы, происходящие в p-n-переходе. Изучить сущность проводимых в данной лабораторной работе исследований и нарисовать необходимые схемы и таблицы. Контрольные вопросы Почему в p-n-переходе образуется потенциальный барьер? Чем обусловлен диффузионный ток? Чем обусловлен дрейфовый ток? Как необходимо подключить источник питания к диоду, чтобы p-n-переход был смещен в прямом направлении? Как необходимо подключить источник питания к диоду, чтобы p-n-переход был смещен в обратном направлении? Когда диод открыт (при прямом или обратном смещении)? Дайте определение вольтамперной характеристики диода. Чем отличается стабилитрон от диода? Порядок выполнения работы 1. Измерение напряжения на диоде и вычисление тока через диод: Соберите и включите схему рис.4. Измерьте с помощью мультиметра (М) и запишите напряжение на диоде при прямом смещении ( Uпр). Переверните диод Д1 и снова включите схему. Измерьте и запишите напряжение на диоде Д1 при обратном смещении (Uоб). Используя формулы 1 и 2, вычислите и запишите токи, протекающие через диод, при прямом (Iпр) и обратном (Iоб) смещении. Объясните полученный результат.  Рис.1.4 Схема измерения напряжения на диоде 2. Измерение тока, протекающего через диод, при прямом и обратном включении источника питания: В схеме рис.4 мультиметр (М) включите для измерения тока в цепи (между резистором R и диодом Д1). Включите схему, измерьте и запишите ток диода при прямом включении источника питания (Iпр). Переверните диод, включите схему, измерьте и запишите ток диода при обратном включении источника питания (Iоб). Сравните результаты расчета и эксперимента. 3. Измерение статического сопротивления диода: Переключите мультиметр (М) в режим омметра. Измерьте сопротивление диода в прямом и обратном направлении. 4. Снятие вольтамперной характеристики диода: Соберите и включите схему, изображенную на рис.5.  Рис.1.5 Схема исследования ВАХ диода Последовательно устанавливайте значения ЭДС источника (Е) равными 5В, 4В, 3В, 2В, 1В, 0,5В, 0В. Запишите значения напряжения Uпр и тока Iпрв таблицу 1. Таблица 1
Переверните диод Д1, включите схему и заполните таблицу 2. Таблица 2
По данным таблиц 1 и 2 постройте графики зависимости  и  Проведите касательную линию к графику прямой ветви вольтамперной характеристики в точке Iпр = 4 mА. Используя формулу (7), определите дифференциальное сопротивление диода. Выполните те же расчеты для Iпр=0,4 mА и Iпр=0,2 mА. Аналогично определите дифференциальное сопротивление диода при обратном напряжении 5В. Используя формулу (6), определите статическое сопротивление диода при Iпр = 4 mА. Объясните полученные результаты. 5. Снятие вольтамперной характеристики стабилитрона: Соберите и включите схему, изображенную на рис.6.  Рис.1.6 Схема исследования ВАХ стабилитрона Измерьте значение напряжения на стабилитроне (Uст) при значениях ЭДС источника питания (Е), приведенных в таблице 3, и занесите результаты измерений в ту же таблицу. Таблица 3
Используя формулу (4), вычислите ток стабилитрона (Iст) для каждого значения напряжения Uст и результаты запишите в таблицу 3. По данным таблицы 3 постройте вольтамперную характеристику стабилитрона. Определите по вольтамперной характеристике напряжение стабилизации. Используя формулу (5), вычислите мощность (Рст), рассеиваемую на стабилитроне при напряжении Е = 20 В. Используя формулу (7), определите дифференциальное сопротивление стабилитрона. 6. Исследование стабилизирующих свойств стабилитрона: В схеме рис.6 подключите параллельно стабилитрону сопротивление нагрузки RH = 75 Ом. Установите ЭДС источника питания Е = 20 В, включите схему, измерьте напряжение на стабилитроне и запишите в таблицу 4. Таблица 4
Изменяйте сопротивление нагрузки (RH) в соответствии с таблицей 4, измеряйте и записывайте напряжение на стабилитроне (Uст) для каждого сопротивления нагрузки, в том числе и при коротком замыкании (RH = 0). Рассчитайте и запишите в таблицу 4 токи, протекающие через резисторы R (IR), RH(IH) и ток стабилитрона (Iст) для каждого значения сопротивления нагрузки (RH). Объясните полученные результаты. Содержание отчета Название и цель лабораторной работы. Наименование каждого пункта работы, схемы, результаты расчетов и измерений. Выводы по результатам исследований. Лабораторная работа № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА Цель работы: закрепить теоретические знания о транзисторах; провести анализ зависимости коэффициента усиления транзистора по постоянному току от тока коллектора; экспериментально получить входные и выходные характеристики транзистора; определить коэффициент передачи транзистора по переменному току; исследовать способы задания статического режима транзистора; определить статический коэффициент передачи транзистора по экспериментальным данным. Используемое оборудование и средства: персональный компьютер, программа Electronics Workbench. Методические указания: работа выполняется студентами за два часа аудиторных занятий. Краткие теоретические сведения Б  иполярный транзистор представляет собой монокристалл полупроводника, в котором чередуются три области электронной (n) и дырочной (р) проводимости. Чередование областей определяет тип транзисторов: n-p-n (рис.1,а) и p-n-p (рис.1,б). Рис.2.1 Структурные схемы и обозначения биполярных транзисторов Для подключения к другим элементам и источнику питания транзистор имеет выводы, которые называются коллектором (К), эмиттером (Э) и базой (Б). Ширина базы в сравнении с шириной эмиттера и коллектора очень мала и составляет единицы микрометров. Биполярный транзистор может находится в трех основных состояниях: в открытом состоянии, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном; в состоянии насыщения, когда и эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении; в закрытом состоянии, когда и эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении. Если между базой и эмиттером приложено напряжение UБЭ в прямом направлении (рис.2), то потенциальный барьер эмиттерного перехода понижается и его сопротивление уменьшается.  Рис.2.2 Схема транзистора с общей базой Так как ширина базы меньше диффузионной длины пробега в ней основных носителей, то большинство инжектированных из эмиттера в базу электрических зарядов достигает коллекторного перехода и втягивается в коллектор, создавая ток коллектора Iк. Только незначительная часть электронов рекомбинирует с основными носителями базы (дырками) и обуславливает ток базы IБ. Таким образом, ток эмиттера есть сумма токов базы и коллектора:  (1)Отношение приращения коллекторного тока к приращению эмиттерного тока называется к о э ф ф и ц и е н т о м п е р е д а ч и т о к а э м и т т е р а:  (2)Схема, изображенная на рис.2, называется с х е м о й с о б щ е й б а- з о й (ОБ). Возможны еще две основные схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). В каждой из трех основных схем сигнал на общем электроде принимается за нуль, т.е. общий электрод заземлен. Основными характеристиками транзисторов являются статические выходные характеристики, которые получают экспериментально. Выходная характеристика – это есть зависимость выходного тока транзистора от выходного напряжения. Поскольку для различных схем включения транзистора выходные токи и напряжения различны, то и вид характеристик зависит от вида схемы, по которой включен транзистор. Для схем с общей базой и общим эмиттером семейства выходных статических характеристик показаны на рис.3, а, б соответственно.  Рис.2.3 Выходные характеристики биполярного транзистора Основными параметрами транзисторов в схеме с общей базой являются: - дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока   (3) - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода   (4) - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода    (5)коэффициент внутренней связи по напряжению, характеризующий влияние коллекторного напряжения на эмиттерное  (6) Для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, основными параметрами являются: дифференциальный коэффициент передачи тока базы   (7) дифференциальное входное сопротивление транзистора  (8) дифференциальное внутреннее сопротивление коллектора   (9) Параметры и связаны между собой следующим соотношением  (10)Если транзистор используется в схеме усилителя, то используют крутизну характеристики:   ;  (11) При определении параметров (4-11) с помощью вольтамперных характеристик транзисторов производные заменяют конечными приращениями соответствующих величин. Статические коэффициенты передачи тока эмиттера () и базы () определяются в соответствии с выражениями:  (12)  (13) При выборе рабочей точки в транзисторном каскаде с общим эмиттером с помощью RБ определяют следующие величины: - ток коллектора в режиме насыщения Iкн определяется сопротивлением в цепи коллектора RК  и напряжением источника питания ЕК: ; (14)ток базы, который переводит транзистор в режим насыщения:  ; (15)сопротивление RБН, с помощью которого создается ток IБН RБН ЕК / IБН ; (16) ток коллектора в режиме усиления  ; (17)ток базы в режиме усиления  ; (18)где UБЭО – пороговое напряжение перехода база-эмиттер; ток коллектора в режиме усиления  ; (19)напряжение коллектор-эмиттер (нагрузочная прямая)  (20)При выборе рабочей точки транзистора с помощью делителя определяют следующие величины: ток коллектора в режиме насыщения  ; (21)ток базы, который создает режим насыщения  ; (22)напряжение на базе, которое создает ток IБН  ; (23)напряжение UБ создается делителем напряжения R1 и R2, который можно рассчитать на основании соотношения  ; (24)ток коллектора в режиме усиления  ; (25)где UЭ = IЭ RЭ, IЭ – ток эмиттера. ток базы в режиме усиления  ; (26)напряжение на базе транзистора в режиме усиления  (27)2.Задание на подготовку к работе Изучить характеристики и параметры биполярных транзисторов, включенных по схеме с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Изучить сущность проводимых в данной работе исследований и нарисовать необходимые схемы и таблицы. 3.Контрольные вопросы Назовите условие, при котором транзистор находится в открытом состоянии. Назовите условие, при котором транзистор находится в закрытом состоянии. Назовите условие, при котором транзистор находится в состоянии насыщения. Напишите выражение для коэффициента передачи тока эмиттера (). Напишите выражение для коэффициента передачи тока базы (). Изобразите схему транзистора, включенного по схеме с общим коллектором. Изобразите выходную характеристику транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. 4.Порядок выполнения работы 1. Определение статического коэффициента передачи тока транзистора с общим эмиттером. Соберите и включите схему рис.4. Запишите показания приборов.  Рис.2.4 Схема транзистора с общим эмиттером Используя формулу (13), определите коэффициент передачи транзистора (). Установите ЭДС источника базы ЕБ = 2,68 В. Запишите показания приборов. Используя формулу (13), определите коэффициент передачи тока транзистора (). 2. Измерение обратного тока коллектора. Установите ЭДС источника базы ЕБ = О В. Запишите показания приборов. 3. Снятие выходной характеристики транзистора. Изменяйте ЭДС источника базы ЕБ в соответствии с таблицей 1 и заполните таблицу. |
