Общий порядок выполнения работы

Саратовский государственный технический университет

КОМПЬЮТЕРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Методические указания

к выполнению цикла лабораторных работ

по курсу «Твердотельная электроника»

для студентов специальности 210.105.65

Одобрено

редакционно-издателъским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 2012

ВВЕДЕНИЕ

Настоящие методические указания предназначаются для выполнения учебно-исследовательской лабораторной работы по исследованию статических вольтамперных характеристик (ВАХ) биполярных транзисторов (БТ), выявлению связи величин сигнальных параметров с электрофизическими параметрами их структурных элементов. Эти вопросы изучаются в курсе «Твердотельная электроника" специальности "Электронные приборы и устройства».

Работа выполняется сначала на автоматизированном рабочем месте (АРМ) с компьютерным выводом результатов. Затем с целью определения соответствия результатов автоматизированных и ручных измерений результаты измерения дублируются на стенде с ручными измерениями ВАХ по точкам.

Общие цели и задачи работы

1. Изучение и освоение правил практического обращения с
транзисторными схемами.

2. Углубление представлений о физике процесса токопрохождения в сложных твердотельных структурах.

3. Выработка навыков анализа достоверности полученных результатов.

ОБЩИЙ ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Выполнению работы предшествует ознакомление с установкой и изучение теории соответствующего вопроса. Процесс выполнения работы на АРМ и стенде ЭСЧ делится на следующие этапы:

1) отчет о знании методики выполнения основных процедур предстоящего компьютерного эксперимента;

2) подготовка и включение АРМ, установление с помощью лаборанта его функциональных параметров, получение у преподавателя численных значений задаваемых фиксируемых параметров;

3) компьютерное измерение семейств выходных и входных ВАХ;

4) выключение АРМ и приведение его в порядок;

5) измерение одиночной выходной ВАХ на стенде ЭСЧ;

6) математическая обработка данных и оформление отчета;

7) подготовка к защите отчета и его защита.

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА

Измерения ВАХ транзисторов выполняются на автоматизированном рабочем месте для исследования параметров и характеристик маломощных биполярных транзисторных структур. Они дополняются ручными измерениями на стенде типа ЭСЧ. Методика работы с компьютерным измерителем ВАХ изложена в Инструкции в конце указания (стр.23).

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

Высокое напряжение 220В имеется лишь в розетках сети питания и термостате. При исправных розетках и шнурах питания оно опасности не представляет. Однако при работе необходимо следить за тем, чтобы студент одновременно не касался обеими руками металлических, объектов, целесообразно все операции выполнять одной рукой. Не следует касаться торцевых частей термостата. Запрещается включать установку без предъявления ее лаборанту или преподавателю!

В случае поражения кого-либо в помещении электрическим током немедленно выключить главный рубильник щита лаборатории!

Содержание и оформление отчета о работе

Обязательными разделами отчета являются:

а) титульный лист с наименованием работы и ее целью;

б) схемы экспериментальной установки;

в) справочные данные исследуемых транзисторов и перечень измеряемых ВАХ;

г) результаты экспериментов в виде графиков и таблиц;

д) результаты расчетов величин параметров в заданных преподавателем точках ВАХ;

д) обсуждение достоверности полученных результатов и выводы;

ж) перечень используемых источников.

Исследование биполярного транзистора в статическом режиме

Целью работы является изучение характеристик и параметров биполярных транзисторов в основных схемах включения и приобретение навыков расчета параметров транзистора по его статическим характеристикам; приобретение навыков измерений ВАХ на компьютерной установке; выяснение соответствия поведения ВАХ, полученных при ручной и компьютерной методике их измерений.

Задание для предварительной подготовки

Изучить параграфы 4.1, 4.2, 4.6, 4.8, 4.10, 4.11 учебника [1]; найти разделы справочников [4,5], содержащие данные исследуемого транзистора.

Краткие сведения по теории биполярных транзисторов

Краткая теория

Биполярный транзистор (БТ) это трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя и более переходами, обладающий усилительными свойствами. Три области кристаллической структуры (КС) эмиттер, база и коллектор разделены эмиттерным и коллекторным переходами. Аналогично называются выводы этих областей. Имеются два варианта чередования проводимостей этих областей: p-n-p и n-p-n (рис.1):

Рис. 1. Условная структурная схема БТ: а) p-n-p-типа; б) n-p-n-типа

Семейства статических ВАХ.

Общие сведения

Семейство статических ВАХ БТ состоит из: входных ВАХ ; выходных вольт-амперных характеристик ,характеристик прямой передачи ,и характеристик обратной передачи .

Главными из них являются два первых семейства. В зависимости от знака напряжений, подаваемых на эмиттерный (ЭП) и коллекторный (КП) переходы, различаются четыре режима работы БТ: активный, инверсный, режимы отсечки и насыщения. В данной работе выполняются измерения входных и выходных ВАХ p-n-p транзисторах в активном режиме, когда на ЭП подается прямое, а на КП – обратные смещения.

Особенности токопрохождения в биполярном транзисторе

При включении БТ основные носители заряда (ОНЗ) эмиттера через эмиттерный переход (ЭП) инжектируются в базу. Основная часть потока этого потока через базу попадает в коллектор, создавая ток коллектора. Небольшая часть потока рекомбинирует в базе и совместно с обратным током коллекторного перехода создает ток базы. На рис.2 приведено условное схемное изображение p-n-p транзистора. У n-p-n транзистора стрелка вывода эмиттера направлена от базы.

Рис.2 Условное обозначение транзистора p-n-p-типа

Главной функцией БТ является управление током, протекающим через коллекторный переход. Далее анализируются особенности механизмов токопрохождения применительно к p-n-p транзистору.

Состав статических токов транзистора. Токовые коэффициенты

При подаче постоянного напряжения на выводы БТ ток эмиттера в КС является током инжекции прямо смещённого перехода. Дырки через эмиттерный переход ЭП диффундируют в n-базу и далее в коллекторный переход (КП). При этом малая часть дырок рекомбинирует в базе, и до коллектора дойдёт ток:

, (1)

где и называется коэффициентом передачи тока эмиттера.

Ток этой компоненты переносит информацию от входа к выходу БТ. Меньшая компонента тока называется током рекомбинации:

(2)

Механизм образования тока рекомбинации БТ отличается от аналогичного механизма диода тем, что в основном акты рекомбинации происходят на внутренних стенках базового кристалла. Дырки, попавшие в коллектор, диффундируют через него к контакту вывода. Через вывод коллектора начинает протекать коллекторный ток. В обратно сме-щённом КП возникает обратный ток I_ko, состоящий из токов генерации и насыщения, и замыкающийся через вывод и тело базы. Таков механизм образования токов коллектора и базы.

(3)

Замечание 1. На рис 1. БТ изображен в виде трёхполюсника. В схемах БТ изображаются четырехполюсниками. Для этого один вывод БТ делается общим для входа и выхода. Соответственно схемы с БТ делятся на схемы с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

2. Уравнение (3) называется основным уравнением транзистора с ОБ. Оно выражает зависимость выходного тока от входного через коэффициент передачи тока. Коэффициент называется также коэффициентом передачи тока в схеме ОБ. Рассмотрим особенности семейств ВАХ транзистора для этих схем включения.