Полупроводниковые приборы. Элементная база: Методические указания к лабораторным работам по курсам ''Электроника'' и ''Микроэлектроника и схемотехника''

Министерство образования Российской Федерации ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра промышленной электроники и информационно-измерительной техники

О.Д. Юрк А.Т. Раимова С.С. Якупов

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторным работам по курсам “Электроника” и “Микроэлектроника и схемотехника” ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА

Оренбург 2000

ББК 32.852я7 Ю-74 УДК 621.382.002.56(07)

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА 1 Лабораторная полупроводниковых диодов

работа

№1.

Исследование

Цель работы: изучение наиболее характерных свойств электроннодырочного перехода, определяющих характеристики выпрямительного диода и стабилитрона

1.1 Теоретическое введение Электронно-дырочный переход (р-n - переход) - это контакт двух проводников с различным типом проводимости. Изготовляется он обычно из одного кристалла полупроводника, в котором формируются области с повышенной концентрацией акцепторной примеси (р - область) и донорной ( n область). В зависимости от технологии изготовления существуют различные переходы, примером могут быть резкий или плавный переходы. В резком переходе область изменения концентрации примеси значительно меньше толщины области пространственного заряда, который образуется за счет диффузии электронов и дырок, а в плавном переходе - обратная ситуация. Если переход находится в равновесии (внешнее поле равно 0), то его состояние определяется двумя конкурирующими процессами: 1) диффузия основных носителей - дырок из р - области в n - область и диффузия электронов в обратном направлении; 2) дрейфом не основных носителей под действием электрического поля перехода. В условиях равновесия полный ток через переход (дрейфовый плюс диффузионный) носителей каждого знака равен нулю . I а

I0

0

U Рисунок 1.1

Полупроводниковый кристалл, в котором сформирован электроннодырочный переход и который заключен в корпус с двумя электрическими выводами, представляет собой p-n переход. 2

Если приложить к переходу разность потенциалов U, то полный ток через переход будет определяться по формуле:  ± qU  I = I 0  e kT − 1 ,  

(1.1)

где I0 – ток насыщения; q– заряд электрона; k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура; U – приложенное к переходу внешнее напряжение, причем “+” – соответствует прямому напряжению, “-” - соответствует обратному напряжению.

1.2 Предварительная подготовка к работе Выполнению данной работы должна предшествовать предварительная подготовка, состоящая в изучении студентом теоретического материала и составления по нему конспекта. При изучении материала должны быть рассмотрены и кратко законспектированы следующие основные вопросы: 1) физические процессы, определяющие униполярную проводимость электронно-дырочного перехода; 2) энергетическая диаграмма р-n - перехода; 3) типы пробоя электронно-дырочного перехода и его вольтамперная характеристика; 4) основные параметры, характеризующие выпрямительные диоды и стабилитроны.

Рекомендуемая литература 1. Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы.- М.: Высшая школа, 1966. 2. Гершунский Б.С. Основы электроники.- Киев, 1977. 3. Бикулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов.М.:Радио и связь, 1990. 4. Тутов Н.М. и др. Полупроводниковые приборы.- М.:Энергоатомиздат, 1990. Описание схемы измерения Снятие вольтамперной характеристики диодов производится по схемам:

а)

б)

а)

б)

Рисунок 1.2 Для уменьшения погрешности измерений следует соблюдать включения измерительных приборов. При прямом включении диода по схеме (рис. 1.2а) 3

миллиамперметр измеряет сумму токов, проходящих через вольтметр и диод. Т.к. сопротивления прямо включенного перехода мало по сравнению с внутренним сопротивлением вольтметра, ток через диод значительно превышает ток вольтметра, и погрешность измерения тока будет незначительной. Если по этой же схеме производить измерение обратного тока диода, то погрешность его измерения будет большой ввиду того, что сопротивление обратно смещенного перехода очень велико, и ток вольтметра может в несколько раз превышать ток диода. Поэтому измерение обратного тока диода следует производить по схеме (рис. 1.2б), для которой существует некоторая погрешность измерения напряжения на диоде. Однако эта погрешность очень мала, т.к. падение напряжения на низкоомном миллиамперметре значительно меньше, чем падение напряжения на диоде. При исследовании обратной ветви характеристики стабилитрона от нуля до Uст следует пользоваться схемой на рисунке 1.2б, а при снятии рабочего участка, когда ток стабилитрона начинает резко увеличиваться, необходимо перейти к схеме на рисунке 1.2а, поменяв в ней полярность включения диода. Элементы схемы и измерительные приборы в значительной степени определяются типом исследуемого диода или стабилитрона. В таблицах 1.1 и 1.2 приведены основные параметры некоторых плоскостных диодов и стабилитронов, получивших широкое применение в электронной аппаратуре. Примечание: Значение ЭДС источника постоянного тока, зависит от типа исследуемого полупроводникового прибора. Однако в большинстве случаев достаточно прикладывать к диоду в прямом направлении напряжение порядка 1В, а в обратном - порядка 30 - 40В. Таблица 1.1 - Основные данные плоскостных полупроводниковых диодов Тип диода

Выпрямленный ток ( среднее значение), Iвыпр., А

Обратный ток(среднее значение), Iобр., mА

Наибольшая амплитуда обратного тока, Iобр..max, mА

Вид полупроводника

Постоянное прямое напряжение более, В

Д7А-ДЖ Д 202-Д 205 Д226 Б,Г,Д

0,1-0,3 0,4 0,300

0,1 0,5 0,1

50-400 100-400 400,300,200,10

Германий Кремний Кремний

0,5 1,0 1,0

Таблица 1.2 - Основные данные полупроводниковых стабилитронов Тип стабилитрона

Д219С-Д220С Д223С Д808 - Д813 Д814А - Д814Д Д817 А,Б,В,Г Д815

Напряжение Прямое Максимальный Минимальный Дифференцнальн. стабилизации при напряжение при сопротивление при ТОК ТОК I=5MА I=5mА не токе 50 mА не стабилизации, mА стабилизации, mА более, Ом более,В

7-14 7-8, 50 ДО 11, 5-14 56,68,82,100 8,2

1,0 - 1,5

50

1,0

33-20 40-24

3,0 3,0

6,10,12,15,18 6,10,12,15,18

90,75,60,50 950

5,5,5,5 50

52,60,87,75 1,5

4

1.3 Выполнение работы 1.3.1 Ознакомиться с основными теоретическими положениями по учебнику (см. рекомендуемую литературу) и подготовить ответы к контрольным вопросам . 1.3.2 Выписать из таблиц основные параметры исследуемых типов полупроводниковых приборов . 1.3.3 Включить стенд для исследования вольтамперной характеристики при прямом включении диода. 1.3.4 Снять вольтамперные характеристики двух выпрямительных диодов и двух стабилитронов, обращая внимание на то, чтобы ток не превысил значение Iпр (номинальное значение прямого тока, допустимое при работе диода в однополупериодной схеме выпрямителя) для каждого из исследуемых приборов. 1.3.5 Изменить полярность включения стабилитрона и снять его вольтамперные характеристики при обратном включении диода (рис. 1.2б) и снять вольтамперные характеристики в рабочем участке. Следить за тем, чтобы ток не превышал максимальное значение тока стабилизации Imах. 1.3.6 Включить стенд для исследования вольтамперной характеристики при обратном включении диода (рис. 1.4б) и снять вольтамперные характерис-тики всех исследуемых диодов. Для выпрямительных диодов обратное напряжение не должно превышать допустимую величину Uобр. Для стабилитрона напряжение менять от 0 до Uст.  ± qU  1.3.7 Рассчитать по формуле I = I O  e kT − 1 и построить теоретический  

график ВАХ выпрямительного диода использовав в качестве значения Io экспериментально измеренную величину обратного тока . 1.3.8 Рассчитать для средней точки рабочего участка характеристики стабилитрона статическое сопротивление R. Вычислите на этом участке динамическое сопротивление по формуле r = ∆U ∆I . 1.3.9 При проведении измерений результаты наблюдений записывают в таблицы 1.3 и 1.4. Таблица 1. 3 - Диод типа ... Uпр, B

Iпр, mA

Таблица 1.4 - Диод типа ... Uобр,B

Iобр, mА

1.3.10 Определить коэффициенты выпрямления Кв исследуемых диодов, для чего значения прямого тока и обратного при напряжении 0.1В подставить в формулу: K В = I ПР I ОБР . 5

Определив Кв для двух ( или более) однотипных диодов следует указать , какой из них наиболее пригоден для работы в схемах выпрямителей .

1.4 Содержание отчета 1.4.1 Название и цель работы. 1.4.2 Схемы для снятия характеристик диода. 1.4.3 Таблицы основных данных исследуемых диодов (из таблиц 1.1, 1.2). 1.4.4 Таблицы наблюдений (таблицы 1.3, 1.4). 1.4.5 Вольтамперные характеристики диодов (расчетные и экспериментальные). 1.4.6 Вычисления заданных по работе значений статического сопротивле ния, динамического сопротивления, коэфициента выпрямления. 1.4.7 Краткий вывод по работе.

1.5 Контрольные вопросы 1.5.1. Почему p-n переход часто называют запирающем слоем? 1.5.2. Какое из приведенных утверждений правильное ? а) Электронно-дырочный переход - это слой, обеднённый носителями заряда; б) Электронно-дырочный переход - это слой, обогащённый носителями заряда; 1.5.3. Нарисуйте и обьясните энергетическую диаграмму p-n перехода. 1.5.4. Дайте характеристику обратимому и необратимому пробою p-n перехода.

2 Лабораторная работа №2. Исследование биполярного транзистора Цель работы: изучение особенности работы транзистора в различных включениях и определение его параметров

2.1 Теоретическое введение Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор, содержащий два взаимодействующих p-n перехода и предназначенный для генерации, усиления и преобразования сигналов электромагнитной природы. Термин "биполярный" означает, что физические процессы в приборе обусловлены движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Конструктивно транзистор представляет собой монокристалл полупроводника, в котором сформулированы чередующиеся области с разным типом проводимости. Соответственно различают транзисторы p-n-p типа и n-pn типа. Средняя область, которая делается достаточно тонкой (что принципиально важно для работы транзистора), называется базой. Две другие 6

эмиттер и коллектор. База отделена от эмиттера и коллектора эмиттерным и коллекторным p-n переходами. Из названий, очевидно, что назначение эмиттера - инжектировать носителя заряда в базу, задача коллектора экстракция носителей из базы. В соответствии с наличием трех выводов возможны три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ) (рис. 2.1a), с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 2.1б), с общим коллектором (ОК) (рис 2.1в).

Рисунок 2.1 Существует четыре режима работы биполярных транзисторов: нормальный активный, двойной инжекции, отсечки и инверсный активный. В нормальном активном режиме эмиттерный переход включен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. В режиме двойной инжекции оба перехода включены в прямом направлении. В режиме отсечки оба перехода включены в обратном направлении. В инверсном режиме коллекторный переход включен в прямом направлении, а эмиттерный - в обратном. Поведение транзистора, как и любого другого прибора, в электрической цепи определяется его статическими характеристиками.Статические характеристики - это уравнения, связывающие входные и выходные токи и напряжения.Наиболее часто применяются зависимости входных и выходных токов и напряжений, выраженные в h - параметрах: & U&1 = h11 I& 1 + h12U 2 & & &  I 2 = h21 I 1 + h22U 2

h - параметры имеют простой физический смысл : & h11 = U&1 I& 1 , при U 2 = 0 - входное сопротивление при коротком замыкании выходной цепи; h12 = U&1 U&2 , при I& при 1 = 0 - коэффициент обратной связи по напряжению холостом ходе во входной цепи; h 21 = I&2 I&1 , при U&2 = 0 - коэффициент передачи тока при коротком замыкании выходной цепи; h22 = I&2 U&2 , при I& 1 = 0 - выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи. Итак, для определения h - параметров необходим режим короткого замыкания в выходной цепи и режим холостого хода во входной. Это 7

достаточно просто осуществляется экспериментально, поскольку указанные режимы близки к режимам работы транзистора в реальных схемах.

2.2 Предварительная подготовка к работе Перед выполнением лабораторной работы студент должен познакомиться с основными положениями теории по изучаемому вопросу, сделать конспект и ответить на контрольные вопросы.

Рекомендуемая литература 1 Батушев В.А. Электронные приборы .- М.:Высшая школа , 1969. 2 Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы.- М.:Высшая школа, 1966. 3 Гершунский Б.С. Основы электроники.- Киев , 1977. Схемы исследования транзистора Схема для снятия характеристик транзистора с ОБ приведена на рис. 2.2 (полярность источников питания показана для транзистора типа р-n-р), с ОЭ на рисунке 2.3.

Рисунок 2.2

Рисунок 2.3 Все элементы данной схемы собраны на отдельном стенде, позволяющем включить в любом варианте: ОБ, ОЭ, ОК. Для этого достаточно с помощью гнёзд и штырьков осуществить соответствующее соединение, согласно рис. 2.2 и рис. 2.3. Для набора элементов схемы необходимо знать допустимые значения токов и напряжений исследуемого транзистора. В таблице 2.1 приведены предельно 8

допустимые электрические параметры некоторых плоскостных транзисторов типа р-n-р. Ориентировочные номиналы элементов схемы Е1 = 1 - 5В ; Е2 = 20 - ЗОВ ; R1 и R’1 - низкоомные (несколько десятков Ом), R1 - грубая, а R’1 - точная регулировка напряжения на участке эмиттербаза; R2 - потенциометр высокоомный (единицы килоом). Измерительные приборы подбираются удобным для снятия входных и выходных характеристик: mА1 и mА2 - 30 mА mV - 300 mВ; V - 30 В. Схема для снятия характеристик транзистора с общим эмиттером аналогична схеме, приведенной на рис. 2.2. В этом случае необходимо только потенциометр R1 вывести в крайнее левое положение (на схеме в крайнее верхнее положение), а напряжение на участке база - эмиттер регулировать только потенциометром R’1 (рис. 2.3). Таблица 2.1 Предельно допустимые параметры некоторых транзисторов. Тип тразистора

МП 40(П 14) МП 41(П 15) П 202 П 403 МП 42Б

Наибольший ток коллектора Iк,mА 20 20 2000 10 150

Наибольшее Наибольшее Наибольшее напряжение между напряжение между обратное коллектором и коллектором и напряжение между базой U бк mах ,В эмиттером эмиттером и базой 15 15 15 15 15 15 45 55 45 10 10 1 15 15 0.4

2.3 Выполнение работы 2.3.1 Снятие характеристик и определение параметров транзистора по схеме с общей базой На стенде транзистор включают в схему ОБ согласно рис. 2.2. Устанавливают с помощью потенциометра R2 напряжение на участке базаколлектор Uбк порядка 50-60% от наибольшего значения этого напряжения для данного транзистора (например, для МП 40 или П 14 эти напряжения могут быть равными соответственно 0,5 и 10 В), Поддерживая это напряжение неизмен-ным, изменяют напряжение Uбэ (с помощью R1 и R’1); от 0 до 300-400 mВ через 20-30 mВ). И следят за показаниями миллиамперметра mА1 (ток эмит-тера). Величина этого тока должна изменяться в пределах, достаточных для снятия входной характеристики транзистора. Все измеренные значения заносят в таблицу 2.2. Таблица 2.2 - Входные статические характеристики транзистора Iэ=f(Uэб) при Uкб=const Транзистор типа …. U кб =…...... , B U ` кб = ……… , B U `` кб = …….. , B Uэб , B I э , mA U эб , B I э , mA U эб , B I э , mA Входные статические характеристики снимают для четырех значений тока эмиттера (0,100,150,200 мкА). Эти значения тока устанавливают потенциометрами R1 и R’1 и поддерживают в процессе наблюдений 9

неизменными. Напряжение Uбк изменяют с помощью потенциометра R2 от 0 до 10-15 В через 1-2 В. Данные заносят в таблицу 2.3. Таблица 2.3 - Выходные статические характеристики транзистора Iэ=f(Uкб) при Iэ=const Транзистор типа…… Iэ=……, mkA I’э=……, mkA I’’э=……, mkA I’’’э=……, mkA Uкб, B Iк, mA Uкб, B Iк, mA Uкб, B Iк, mA Uкб, B Iк, mA На основании результатов наблюдений, записанных в таблице 2.2 и 2.3 строят семейства входных и выходных статических характеристик исследуемого транзистора, а по ним определяют h- параметры (h11 и h12) методом характеристического треугольника. Параметры h21 и h22 определяют по выходным характеристикам тем же методом. 2.3.2 Снятие характеристик и определение параметров транзистора по схеме с общим эмиттером Схема для снятия характеристик транзистора с ОЭ приведена на рис. 2.3. Для ее включения необходимо поставить переключатель включений в положение " ОЭ " . Перед снятием входных характеристик заготавливают таблицу наблюдений (таблица 2.4). Таблица 2.4 - Входные статические характеристики транзистора Iб=f(Uбэ) при Uкэ=const Транзистор типа... Uкэ=…… , B U’кэ=…… , B U’’кэ=…… , B Uбэ, mB Iб, mkА Uбэ, mB Iб, mkА Uбэ, mB Iб, mkА Входные статические характеристики снимают для трех значений напряжения Uкэ (например, для транзистора МП 40 эти напряжения могут быть равными соответственно 0.5 и 10 В) устанавливаемых потенциометром R2. Поддерживая каждый раз это напряжение неизменным, изменяют напряжение между базой и эмиттером Uбк с помощью потенциометра R1 от 0 до 200 - 300 mВ (для маломощного транзистора) через 20-30 mВ и следят за показаниями прибора, измеряющего ток базы Iб (до 200 mкА). Данные заносят в таблицу 2.5. Таблица 2.5 - Выходные статические характеристики транзистора Iк=f(Uкб) при Iб=const Транзистор типа …… Iб=….. , mkA I’б=….. , mkA I’’б=….. , mkA I’’’б=….. , mkA Uкэ, B

Iк, mA

Uкэ, mB Iк, mA

Uкэ, B

Iк, mA

Uкэ, B

Iк, mA

Выходные статические характеристики снимают для четырех значений тока базы. Эти значения тока устанавливают потенциометрами R1 и поддерживают в процессе наблюдений неизменными (например, для транзистора МП 40-0, 20, 10

40, 60, 80 mкА). Напряжение Uкэ изменяют с помощью потенциометра R2 от 0 до 10-15В (для маломощных транзисторов) через 4-2 В. На основании результатов наблюдений, записанных в таблицах 2.4 и 2.5 строят семейства входных и выходных статических характеристик транзистора. По построенному семейству выходных характеристик транзистора определяют значение коэффициента усиления по току (β=∆Iк /∆Iб). Входное сопротивление транзистора (Rвх) находят из входных характеристик (Rвх=∆Uбэ/∆Iб).

2.4 Содержание отчета 2.4.1 Точное название работы . 2.4.2 Таблицы основных данных исследуемого транзистора . 2.4.3 Схемы для снятия характеристик транзистора . 2.4.4 Таблицы наблюдений. 2.4.5 Графики входных статических характеристик транзистора, включенного по схеме с ОБ и ОЭ. 2.4.6 Графики выходных статических характеристик транзистора, включенного по схеме с ОБ и ОЭ. 2.4.7 Рассчеты h-параметров, коэффициента усиления по току и входного сопротивления транзистора с ОБ и ОЭ. 2.4.8 Краткие выводы.

2.5 Контрольные вопросы 2.5.1 Перечислите основные режимы работы транзисторов . 2.5.2 Какие факторы определяют усилительные свойства транзистора? 2.5.3 Какими отличительными особенностями характеризуются три схемы включения транзистора ? 2.5.4 Какие существуют семейства статических характеристик транзистора? 2.5.5 Перечислите h - параметры транзистора, объясните их физический смысл и способ их экспериментального определения. 2.5.6 В чем состоит отличие управления током коллектора транзистора от управления анодным током электронной лампы ? 2.5.7 Почему процесс усиления по току осуществляется в схеме включения транзистора с общей базой 2.5.8 Как влияет величина напряжения на участке коллектор - эмиттер на положение входной статической характеристики транзистора ? 2.5.9 Чем объяснить увеличение входного сопротивления транзистора по схеме с общей базой?

3 Лабораторная работа №3. Исследование полевых транзисторов Цель работы: изучение характерных свойств полевых транзисторов и ознакомление с методикой измерения их основных характеристик и параметров 11

3.1 Теоретическое введение Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на полевом эффекте – изменение электропроводимости поверхностного слоя под действием электрического поля, направленного перпендикулярно поверхности. Основой приборов, работающих на полевом эффекте (полевых транзисторов, например) является структура МДП (металл, диэлектрик, полупроводник). Устройство полевого транзистора на основе МДП-структуры показано на рисунке 3.1 Uc -

+ Uз +

исток

p

сток

затвор

-

p

p

SiO2 n - Si

Рисунок 3.1 От биполярного транзистора полевой транзистор отличается: 1) принципом действия: в биполярном транзисторе управление производится входным током, а в полевом транзисторе - входным напряжением или электрическим полем; 2) полевой транзистор (это очень важно!) обладает большим входным напряжением - это сопротивление обратно смещенного p-n перехода; 3) в полевом транзисторе не используется инжекция неосновных носителей заряда - отсюда уменьшение рекомбинационных явлений и низкий уровень шумов (особенно на низких частотах). МДП-транзисторы подразделяются на: полевой транзистор с изолирующим затвором работает на основе появления индуцированного проводящего канала, т.е. заметный ток стока появляется только при определенной полярности и определенном значение напряжения на затворе относительно истока; полевой транзистор с изолирующим затворомтранзистор со встроенным каналом, изготовляемым технологически. Существуют также полевые транзисторы с управляющим p-n переходом. Сущность которого состоит в изменении площади сечения канала в соответствии с изменением напряжения между затвором и истоком Uзu. Легко увидеть, что принципы работы полевых транзисторов с изолированным затвором и управляющим p-n переходом в основном совпадают: 1) цепь управления изолирована от выходной цепи и потребляет ничтожную мощность управления; 12

2) эффект управления сводится к изменению сопротивления проводящего канала; 3) управляющее электрическое поле направлено перпендикулярно выходному току (структура с горизонтальным каналом). Однако, отметим принципиальную разницу: полевой транзистор с управляющим p-n переходом ПТУП - это нормально открытый прибор, а МДПтранзистор с изолированным затвором - нормально закрытый. Отсюда меньше входное сопротивление у ПТУП меньшем по сравнению с сопротивлением у МДПТ, меньшее у него и быстродействие. Есть у ПТУП и преимущества: малый уровень собственных шумов, высокая стабильность параметров во времени, высокая радиационная стойкость.

3.2 Предварительная подготовка к работе В процессе подготовки должны быть рассмотрены следующие основные вопросы: 1) структура полевого транзистора с p-n переходом; 2) различные типы полевых транзисторов; 3) структура МДП-транзистора; 4) отличие между полевыми транзисторами с p-n переходом и МДПтранзистором; 5) статические характеристики полевых транзисторов; 6) основные параметры полевых транзисторов; 7) достоинства и недостатки полевых транзисторов; 8) применение полевых транзисторов в элементарных схемах.

Рекомендуемая литература 1. Батушев В.А. Электронные приборы.- М.: Выс. школа, 1969 г.Гл. IX, §9.3 2. Гершунский Б.С. Основы электроники.- Киев, 1977 г, Гл. X § 10, 11. 3. Пасынков и др. Полупроводниковые приборы.- М.: Выс. школа, 1966 г. Описание схемы измерения В работе исследуются кремниевый полевой транзистор с p-n переходом и МДП - транзисторы со встроенными индуцированными каналами. Снятие статических характеристик полевых транзисторов проводится по схеме, приведенной на рисунке: C

R1 З

mA

И

П

R2 470

4k +

V1

V2

Ec +

Рисунок 3.2

13

Необходимые токи и напряжения устанавливаются с помощью регулируемых источников постоянного напряжения: Ез = 0 – 100 В – напряжение на затворе; Ес = 10 – 15 В – источник стокового напряжения. Подключение транзисторов в схему производится согласно обозначениям, приведенным на рисунке, где З – затвор, С – сток, И – исток, П – подложка (только для МДП – транзистора). Измерительный прибор V2 позволяет измерить напряжение на затворе исследуемого транзистора. Так как входной ток очень мал, его измерение не проводится. Приборы mA и V1 контролируют ток и напряжение в стоковой цепи Ic и Ucu.

3.3 Выполнение работы 3.3.1 Ознакомиться с основными положениями теории полевых транзисторов и ответить на контрольные вопросы. 3.3.2 Выписать из справочного приложения основные параметры и цоколевки исследуемых транзисторов. Нанести на графики для построения стоковых характеристик гиперболу предельного тока Iпред. = Рдоп. / Ucu и ответить максимальное напряжение Ucu max и максимальный ток Ic max. 3.3.3 Собрать схему для снятия статических характеристик. 3.3.4 Исследовать статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом n – типа (КП302АМ; полярность включения указана на стенде). а) Снять стоковые характеристики: Ic=f(Ucu) для трех значений напряжений на затворе (Uзu = 0, U’зu = -1 В, U’’зu = -2 В). Напряжение на стоке не должно превышать 0,9 Ucu max , при этом Ic не должен превосходить максимальное значение. Данные наблюдения заносятся в таблицу 3.1 Ic = f(Uзu) при Uзu = const, транзистор КП302АМ Таблица 3.1 Uзu = 0 B Ucu, B

U’зu = -1 B Ic, mA

Ucu, B

U’’зu = -2 B Ic, mA

Ucu, B

Ic, mA

Примечание: включение транзистора КП302АМ: напряжение на стоке положительное относительно истока, на затворе – отрицательное. б) Снять характеристики передачи тока Ic=f(Uзu) при трех значениях напряжения на стоке (Ucu = 1 B, U’cu = 2 B, U’’cu = 3 B). Напряжение на затворе следует менять от точки запирания до напряжения, при котором ток стока не превышает допустимого, определяемого по формуле Iпред.=Рдоп./Ucu, но не превосходит максимального по паспортным данным. Данные наблюдений заносят в таблицу 3.2 Ic = f(Uзu) при Uсu = const, транзистор КП302АМ. 14

Таблица 3.2 Ucu = 1 B Uзu, B

Ucu = 2 B Ic, mA

Uзu, B

Ucu = 3 B Ic, mA

Uзu, B

Ic, mA

3.3.5 Исследовать статические характеристики транзистора МДП с изолированным затвором и каналом n – типа (КП305Е), для чего повторить пп. 3.3.1 – 3.3.4 Примечание: включение транзистора КП305Ж: напряжение на стоке положительное относительно истока, на затворе - отрицательное или положительное. Данные наблюдения заносят в таблицы 3.3 и 3.4 Ic = f(Uсu) при Uзu = const, транзистор типа КП305Ж. Таблица 3.3 Uзu = 0 B Ucu, B Ic, mA

U’зu = -1 B Ucu, B Ic, mA

U’’зu = -2 B Ucu, B Ic, mA

U’’зu = 1.5 B Ucu, B Ic, mA

Примечание: Изменение полярности включения затвора производят с помощью переключателя «Полярность входного напряжения». Таблица 3.4 Ucu = 1 B Uзu, B

Ucu = 2 B Ic, mA

Uзu, B

Ucu = 3 B Ic, mA

Uзu, B

Ic, mA

3.3.6 Рассчитать в рабочей области характеристик параметры полевых транзисторов. Расчет можно произвести по уравнениям: Крутизна передаточной характеристики: S = ∆ I С ∆U зи , при Ucu = const. Внутреннее сопротивление транзисторов: r = ∆ U CU ∆I C , при Uзu = const. Коэффициент усиления транзисторов: µ = ∆U CU ∆U ЗИ , при Iс = const. Входное сопротивление: RBХ = U ВХ I З , при Ucu = const. Примечание: Rвх считать не нужно. Оно равно 1 – 10 МОм. Эти параметры определяются графически, нахождением соответствующих приращений, т.е. методика определения дифференциальных параметров по левого транзистора совпадает с методикой определения ламповых параметров. 3.3.7 Проверить правильность расчета параметров S,r,µ по формуле: µ = S ⋅r .

3.4 Содержание отчета 3.4.1 Справочные параметры полевых транзисторов и схему исследования характеристик транзисторов. 3.4.2 Таблицы проведенных измерений. 3.4.3 Графики стоковых и передаточных зависимостей исследованных полевых транзисторов. 3.4.4 Сравнение вычисленных и справочных параметров транзисторов. 15

3.4.5 выводы по результатам измерений.

3.5 Контрольные вопросы 3.5.1 Объясните принцип работы полевого транзистора с p-n переходом и МДП–транзистора. 3.5.2 В чем различие характера управления стоковым током в данных транзисторах. 3.5.3 Укажите основные отличия полевых транзисторов от биполярных. 3.5.4 Изобразите и поясните статические сток - истоковые характеристики полевых транзисторов. 3.5.5 Назовите основные дифференциальные параметры полевых транзисторов и способы их определения.

4 Лабораторная работа №4. Исследование тиристоров Цель работы: исследование физических процессов, происходящих внутри объема полупроводника и определяющих его основные характеристики, а также ознакомление с методикой измерения основных параметров и способа переключения тиристора

4.1 Теоретическое введение Тиристор - это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n - переходами, имеющий на ВАХ участок с отрицательным сопротивлением. Тиристоры используются, в основном, в схемах переключения. Существуют двухэлектродные тиристоры - динисторы; трехэлектродные тиристоры - тринисторы, в которых возможно управление напряжением включения тиристора. Разработаны тиристоры, имеющие одинаковые ВАХ при различной полярности приложенного напряжения. Это симметричные тиристоры - симисторы. Включение теристора как это следует из вышесказанного, можно производить: а) путем медленного увеличения анодного напряжения; б)путем подачи напряжения на управляющий электрод. Возможно также включение теристора путем быстрого увеличения анодного напряжения. При этом через прибор будут протекать значительные емкостные токи, приводящие к уменьшению напряжения включения с ростом скорости изменения напряжения ∂U ∂t .

4.2 Предварительная подготовка к работе Перед выполнением лабораторной работы студент должен познакомится с основными положениями теории по изучаемому вопросу, сделать конспект и ответить на контрольные вопросы. При подготовке обратить внимание на следующие положения: 16

а) Применение тиристоров. б) Деление тиристоров на классы. в) Устройство и схематическое изображение управляемых и неуправляемых четырехслойных структур. г) Схемы включения тиристоров. д) Вольт – амперные характеристики динисторов и тринисторов и объяснение их особенностей. е) Способы включения и выключения тиристоров. ж) Параметры тиристоров и их экспериментальное определение.

Рекомендуемая литература 1 Конспект лекций по полупроводниковым приборам. 2 Батушев В.А. Электронные приборы. -М.: Высшая школа, 1969, Гл.IX, на стр2. 3 Гершунский Б.С. Основы электроники.- Киев, 1977, Гл.X, § 10.14. Схема измерений В работе используется триодный тиристор (тринистор), основные электрические параметры которого (КУ201Б) приведены в таблице 4.1 Таблица 4.1 Тип тирис тора

Мате Напряж Отпир. Ток в риал, в открыт. Напряж. закрыт. сост. УЭ при сост. струк тура (В) I =100 (mA) у

mA (В) КУ201 Б КУ202 Л

кремн. p-n-p-n кремн. p-n-p-n

2

6

5

Предельно допустимые значения Мин. ток Прям. Пост. ток Пост. Пост. Обр. ток Ср. расс. напряж. в открыт. прям. обрат. в УЭ мощность (Вт) открыт. На УЭ сост. (A) напряж. напряж. (mA) в закрыт. сост. (В) (В) сост. (В) (mA)

100

10

2

30

10

10

360

25

5

4

5

20

Электрическая схема исследования тиристора приведена на рисунке 4.1.

Еа

Рисунок 4.1 Исследование тиристора проводят с помощью генератора тока, образованного постоянным источником напряжения Еа и сопротивлением R1. Это необходимо для ограничения тока через тиристор в момент включения. К управляющей цепи через включатель В1 подключается источник постоянного напря17

жения Е, ток которого регулируется с помощью сопротивления R3. Измерительные приборы V1, V2, mA1, mA2 контролируют напряжения и токи в соответствующих частях схемы. Цепочка, содержащая сопротивление R2 и выключатель В2, служит для определения тока выключения тиристора.

4.3 Выполнение работы 4.3.1 Выписать из таблицы 4.1 основные параметры тиристора и предельные эксплутационные данные, а также рассчитать предельный ток: I а , пред =

Рдоп

Uа

(4.1)

4.3.2 Собрать схему для снятия вольт – амперных характеристик тиристора, согласно рисунку 4.1. Примерный вид вольт – амперной характеристики тиристора приведен на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 4.3.3 Снять вольт - амперную характеристику тиристора для различных напряжений на управляющем электроде (0; 0,5; 1; 1,5; 2 В). При снятии характеристик следить за тем, чтобы ток тиристора не превышал максимально допустимого тока I a , max . Миллиамперметры mA1 и mA2 должны иметь пределы измерения 20 – 30 mA; вольтметр V1 – 2,5В; V2 – 3,0В. Данные наблюдений занести в таблицу 4.2 Таблица 4.2 ’ U у=0.5В;Iу=… U’’у=1В;Iу=… U’’’у=1.5В;Iу=… U’’’’у=2В;Iу=… Uу=0В;Iу=… Ua, B Ia, mA Ua, B Ia, mA Ua, B Ia, mA Ua, B Ia, mA Ua, B Ia, mA 4.3.4 Используя данные таблицы 4.2 построить пусковую характеристику тиристора, которая показывает зависимость тока через управляющий электрод тиристора во включенном состоянии от анодного тока. 4.3.5 Исследовать способ выключения тиристора за счет уменьшения анодного тока: 1) Включить тумблер В1 и установить с помощью R3 минимальное значение управляющего тока. Изменяя плавно анодное напряжение с помощью R1 18

добиться включения тиристора. После выключения тумблера В1 убедиться, что тиристор остается в открытом состоянии. В противном случае повторить пункт 4.3.5. 2) Плавно изменяя сопротивление R1 добиться отключения тиристора за счет уменьшения анодного тока. Записать это значение и сравнить его с табличными значениями при минимальном значении управляющего тока (таблица 4.2). 4.3.6 Исследовать способ выключения тиристора изменяя анодное напряжение на тиристоре. 1) Повторить последовательность включения тиристора в упражнении 4.3.5. 2) Плавно уменьшая анодное напряжение на источнике Еа, перевести тиристор в закрытое состояние. 3) Затем вновь включить тумблер В1 и повышая анодное напряжение на источнике Еа добиться включения тиристора. 4) Записать значение анодного напряжения, когда тиристор переходит во включенное состояние. 4.3.7 Исследовать способ выключения током управляющего электрода. 1) Включить тумблер В1 и установить с помощью R3 среднее значение управляющего тока. 2) Плавно изменяя анодное напряжение добиться включения тиристора. После выключения тумблера В1 убедиться, что тиристор остался в открытом состоянии. В противном случае повторить пункт 4.3.7 снова. 3) Переключить полярность напряжения на управляющем электроде на положительную. 4) Снова включить тумблер В1. Тиристор должен перейти в закрытое состояние. Если этого не произойдет, плавно уменьшая сопротивление R3, добиться такого значения управляющего тока, при котором произойдет выключение тиристора.

4.4 Содержание отчета 4.4.1 Справочные параметры тиристоров и схема для снятия характеристик. 4.4.2 Таблицы измеренных зависимостей. 4.4.3 Графики экспериментальных зависимостей: I a = f (U a ) ; I у , выкл. = f (I a ) - пусковая характеристика. 4.4.4 Сравнительные данные по токам выключения тиристора током управляющего электрода. 4.4.5 Выводы по результатам измерений.

4.5 Контрольные вопросы 4.5.1 Каковы особенности вольт – амперных характеристик неуправляемого тиристора? 4.5.2 Какие составляющие токов протекают в управляемом тиристоре? 4.5.3 Какими способами можно включить тиристор? 4.5.4 Какими способами можно выключить тиристор? 19

4.5.5 Как меняется вольт – амперная характеристика триодного тиристора при изменении напряжения на управляющем электроде? 4.5.6 Начертите схему включения тиристора, выполняющего роль ключа. 4.5.7 Начертите схему включения тиристора для определения его параметров.

5 Лабораторная работа №5. Исследование фоторезисторов и фотодиодов Цель работы: Исследование характеристик и определение основных параметров фоторезисторов – полупроводниковых приборов, сопротивление которых зависит от освещенности, и фотодиодов – фотоэлектрических полупроводниковых приборов с электронно-дырочным переходом

5.1 Теоретическое введение Фотоэлектронные приборы преобразуют лучистую энергию (чаще всего в видимой части спектра) в электрическую. К фотоэлектронным приборам относятся электронные, ионные и полупроводниковые фотоэлементы. Основными характеристиками фотоэлементов являются световая, спектральная, вольтамперная и частотная. В полупроводниковых фотоэлементах используется явление внутреннего фотоэффекта – изменение электрической проводимости или появление э.д.с. при воздействии светового излучения на полупроводниковое вещество. К полупроводниковым фотоэлементам относятся фоторезисторы, фотогальванические (вентильные) элементы, фотодиоды и фототранзисторы. Фоторезисторы изготавливаются из одного слоя полупроводника, а фотогальванические элементы, фотодиоды, фототранзисторы создаются на базе p-n – переходов. Фоторезистор является прибором, построенным из полупроводника одной проводимости. Достоинствами фоторезисторов являются большая чувствительность, простота конструкции и использования, что определяет их применение для регистрации наличия светового потока. К существенным недостаткам фоторезисторов относятся нелинейность световой характеристики, большая инерционность, сильная температурная зависимость. Фотодиоды – это полупроводниковые диоды с одним p-n – переходом. Фотодиод фактически включается как резистор, но световое излучение сильнее влияет на p-n – переход, нежели электрическое поле, поэтому чувствительность фотодиодов высокая (до 20 mA/лм). Достоинства фотодиодов – высокая чувствительность, хорошие частотные свойства, малые габариты. Недостаток сильная температурная зависимость.

5.2 Предварительная подготовка к работе Выполнению данной лабораторной работы должно предшествовать предварительная подготовка теоретического материала. 20

Рекомендуемая литератур: 1. Батушев В.А. Электронные приборы. -.: Высшая школа, 1969. 2. Гершунский Б.С. Основы электроники. – Киев, 1977 Измерительная лабораторная установка Спектральную характеристику фоторезистора – зависимость тока от длины волны излучения при постоянном световом потоке и напряжении, исследуют с помощью схемы, приведенной на рисунке 5.1

PR

Рисунок 5.1 Световой поток от лампы накаливания (ЛН) поступает через светофильтр М на фоторезистор R (из сернистого кадмия). Устройство, содержащее набор сменных светофильтров позволяет выделить из светового потока лампы накаливания определенную спектральную составляющую. Изменяя длину волны падающего на фоторезистор света и измеряя при этом сопротивление фоторезистора омметром PR можно снять спектральную характеристику фоторезистора. Световую характеристику фоторезистора – зависимость электрического тока от светового потока при постоянном напряжении на приборе и неизменном спектральном составе светового потока, исследуют с помощью той же схемы. Изменяя размер диафрагмы осветителя, можно изменять освещенность фоторезистора и измерять при этом сопротивление фоторезистора омметром PR. Спектральную характеристику фотодиода – зависимость фототока короткого замыкания от длинны волны падающего излучения исследуют с помощью схемы, приведенной на рисунке 5.2

Рисунок 5.2 Измеряя длину волны падающего на фотодиод излучения и измеряя при этом фототоки короткого замыкания микроамперметром РА, можно получить спектральную характеристику фотодиода. Световые характеристики фотодиода – зависимости фототока короткого PA замыкания и напряжения холостого хода от освещенности исследуют также с 21

помощью той же схемы. Интенсивность падающего излучения на заданной длине волны λ изменяют с помощью входной диафрагмы осветителя. При измерении напряжения холостого хода вместо микроамперметра РА к фотодиоду надо подключить вольтметр. Все измерительные схемы реализуются на базе спектрального фотометра ФАС-1, содержащего источники излучения УФО и ЛН. Измерение освещенности исследуемого объекта осуществляется регулятором “Диафрагма УФО”, а измерение относительной величины светового потока производится стрелочным прибором, установленном на лицевом щите фотометра (по шкале %т).

5.3 Выполнение работы Исследование спектральной и световой характеристик фоторезистора 1. Подключить фотометр ФАС-1 к сети, включить “сеть 220В” и дать прибору прогреться в течение 2-3 мин. 2. Установить переключатель источников излучения в положение “ЛН”, а регулятор диафрагмы УФО в положение, соответствующее максимуму. 3. Установить дисковый переключатель светофильтров в положение соответствующее минимуму. 4. Установить переключатель чувствительности в положение 1, а рычаг установки фотоэлементов в среднее положение (соответствует белой риске на рычаге перемещения фотоэлементов). 5. Регулятором “установки нуля” выставить стрелку измерительного прибора на нуль. 6. Включить высокое напряжение на ФЭУ, установив выключатель напряжения в положение “В.Н”. 7. Плавно переместить задвижку ФЭУ в положение “открыто” и с помощью регулятора диафрагмы ФЭУ установить стрелку прибора на отметке 100%. 8. Установить светофильтр 436 нм. 9. Установить фоторезистор ФСК-12, передвинув рычаг переключения фотоэлементов влево до упора. Подключить к гнездам ФСК омметр (с множителем х 104Ω) последовательно соединенным с источником постоянного напряжения 20-30 В и установленным отсчетным нулем и измерить сопротивление при освещенности его светом с длиной волны 436 нм. 10. С помощью дискового переключателя установить светофильтр 546 нм и вновь измерить сопротивление фоторезистора. Аналогичные измерения провести для всех последующих светофильтров. Результат занести в таблицу 5.1 Таблица 5.1 λ, нм λ , кОм Ф, % 100 80 60 40

436

546

579

600

500

313

366

R, кОм

R, кОм

R, кОм

R, кОм

R, кОм

R, кОм

R, кОм

22

11. Вновь установить рычаг установки фотоэлементов в среднее положение (соответствует белой риске на рычаге) и после вновь установленного дискового переключателя в положение “0” (405) регулятором диафрагмы УФО уменьшить световой поток на 20% (т.е. установить на 80%). Измерить сопротивление фоторезистора для установленного светового потока включая все последующие светофильтры. Уменьшая на 20% таким образом, вновь световой поток и измеряя для каждого светофильтра сопротивление фоторезистора, заполнить таблицу 1. полностью. Исследование спектральной и световой характеристик фотодиода 1. Выполнить пункты п.п. 2,3,4,5,6,7,8 из предыдущего задания. 2. Установить фотодиод ФД-26к, передвинув рычаг переключения фотоэлементов вправо до упора. Подключить к гнездам ФД микроамперметр и измерить фототок короткого замыкания при всех имеющихся светофильтрах для световых потоков, указанных в п.11. Результаты занести в таблицу 5.2 Таблица 5.2 λ, нм I,mkA Ф, % 100 80 60 40

436

546

579

600

500

313

366

I,mkA

I,mkA

I,mkA

I,mkA

I,mkA

I,mkA

I,mkA

3 Подключить фотодиод к вольтметру и исследовать зависимость напряжения холостого хода от освещенности при тех же самых значениях световых потоков. Обработка экспериментальных результатов 1. Для всех длин волн и всех значений световых потоков вычислить

1 λ λ ⋅ , где - геометрический параметр R S S λ полупроводникового образца (для фоторезистора из сернистого кадмия ≈ 1 ). S

фотопроводимость фоторезистора: σ =

2. Построить семейство световых характеристик фоторезистора (зависимость фотопроводимости δ от относительного светового потока Ф для различных длин волн λ). 3. Из полученных световых характеристик построить спектральные характеристики для трех значений световых потоков. 4. Рассчитать приведенный фототок короткого замыкания фотодиода в ′ = I КЗ Фλ . Построить спектральные условных единицах по формуле I КЗ характеристики фотодиодов (зависимости приведенного тока от длинны волны для трех значений световых потоков). 5. Построить световые характеристики фотодиода для всех длин волн ′ от величины падающего на фотодиод света (зависимости приведенного тока I КЗ светового потока Фλ). 23

6. Из спектральных характеристик фоторезистора и фотодиода определить ширину запрещенной зоны исходных полупроводниковых материалов. Для полупроводников с непрямой структурой энергетических зон, к которым относится кремний, а также для полупроводников с прямой структурой энергетических зон, таких как сернистый кадмий ( CdS ), длина волны, соответствующая ширине запрещенной зоны, определяется как точка пересечения с осью абсцисс прямой, экстраполирующей длинноволновый крутопадающий участок спектральной характеристики. По полученным значениям длин волн рассчитать ширину запрещенной зоны по формуле ∆E = 1240 λ , где ∆Ε –ширина запрещенной зоны в электроно – вольтах, λ – длина волны в нанометрах. Сравнить полученные результаты со справочными данными.

5.4 Содержание отчета 5.4.1 Точное название и цель работы 5.4.2 Справочные параметры полупроводниковых фотоэлементов и схемы исследования характеристик. 5.4.3 Таблицы проведенных измерений. 5.4.4 Графики световых и спектральных зависимостей исследованных фоторезистора и фотодиода. 5.4.5 расчет по спектральным характеристикам ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов исследованных приборов. 5.4.6 Выводы по результатам измерений.

5.5 Контрольные вопросы 5.5.1 Укажите основные характеристики и параметры фотоэлементов? 5.5.2 Каковы физические основы работы фоторезисторов и фотодиодов? 5.5.3 Как объяснить спектральную характеристику фоторезистора и фотодиода? 5.5.4 Какой из исследуемых фотоэлементов имеет наибольшую чувствительность? Какие экспериментальные данные об этом свидетельствуют? 5.5.5 Какие причины вызывают возникновение темнового тока? Как его можно обнаружить в эксперименте? 5.5.6 Какой фотоэлемент обеспечивает наибольшую линейность световой характеристики? 5.5.7 Сравните преимущества и недостатки электронных и полупроводниковых фотоэлементов? 5.5.8 Зачем прикладывают напряжения к фоторезистору и фотодиоду? Накладываются ли ограничения на величину приложенного напряжения? 5.5.9 Какой фотоэлемент допускает изменение полярности приложенного напряжения? 5.5.10 Какие режимы работы фотодиода возможны? 5.5.11 На основе, каких материалов изготавливают фоторезисторы и фотодиоды? 24

5.5.12 Укажите области применения фоторезисторов и фотодиодов?

6 Лабораторная работа №6. Исследование транзисторной, тиристорной и диодной оптопар Цель работы: Исследование статических характеристик транзисторной, тиристорной и диодной оптопар, составляющих основу элементной базы оптоэлектроники

6.1 Теоретическое введение Оптопары или оптроны – это класс приборов, сочетающих в себе светодиод и фотоприемник (фотодиод, фототиристор, фототранзистор). Условные графические изображения перечисленных оптронов показаны соответственно на рисунке 6.1(а,б,в).

Рисунок 6.1 Элементарная оптопара состоит из управляемого источника света и фотодвух(трех)полюсника. Она является структурным элементом цепей оптоэлектроники. На оптопарах могут быть собраны оптоэлектронные схемы разной сложности и разного назначения. Светодиоды - полупроводниковые приборы, с p-n – переходом, излучающие свет при прохождении через них прямого тока. В светодиодах происходит непосредственное преобразование электрической энергии в световую. Вольтамперная характеристика светодиода аналогична вольтамперной характеристике германиевого диода, которая одновременно является входной характеристикой исследуемых в работе оптопар. Фотодиод представляет собой полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности p-n – перехода. Фотодиод сочетает в себе достоинства полупроводниковых приборов с более высокой чувствительностью по сравнению с электровакуумными фотоэлементами и фоторезисторами. Фотодиод является составной частью диодной оптопары и выполняет роль фотоприемника. Транзисторная оптопара – это полупроводниковый оптоэлектронный прибор, состоящий из оптически связанных между собой управляемого полупроводникового излучателя света (светодиод) и полупроводникового приемника излучения (фототранзистор).

25

Фототранзистор представляет собой трехслойный полупроводниковый прибор с двумя p-n – переходами, предназначенный для преобразования лучистой энергии и усиления фототока. Двухполюсная схема включения фототранзистора показана на рисунке 6.2

Рисунок 6.2 В состав исследуемой оптопары (АОТ 110Б) входит фототранзистор с базовым выводом. Фототранзистор, снабженный тремя выводами, предоставляет дополнительные возможности его исследования, основанные на том, что, помимо светового сигнала, на его вход можно подать электрический сигнал. Основными характеристиками транзисторной оптопары являются зависимости коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером (выходные характеристики I ВЫХ = f (U ВЫХ ) ) и зависимости выходного тока от тока утечки ( I ВЫХ = f (IУТ ) ) при постоянном выходном напряжении. Тиристорная оптопара – это быстродействующий и высокочувствительный полупроводниковый переключатель, управляемый входным током, проходящем в светодиоде. В состав оптопары входят оптически связанные светодиод и фототиристор. Фототиристор в тиристорной оптопаре может находиться либо в закрытом, либо в открытом состоянии. При переходе фототиристора в открытое состояние его сопротивление резко уменьшается, а ток через фототиристор возрастает.

6.2 Предварительная подготовка к работе Рекомендуемая литература 1. Жеребцов И.П. Основы электроники . - М.: Высшая школа, 1979 Установка для измерений Исследование различных оптопар производится на установке, схема которой приведена на рисунке 6.3

Рисунок 6.3 26

Входной ток оптопары устанавливают регулируемым источником постоянного тока G1 и измеряют миллиамперметром РА1. Напряжение в выходной цепи оптопары обеспечивается регулируемым источником напряжения G2 и измеряется многопредельным вольтметром РИ, ток – прибором РА2. Установка имеет сбоку гнезда для подключения внешних вольтметра и миллиамперметра при измерении входного напряжения и тока утечки, который изменяется регулятором “ток утечки”.

6.3 Выполнение работы Перед включением и после каждого исследования необходимо вывести в крайнее левое положение регуляторы напряжения АОТ, АОУ, АОД и регулятор входного тока светоизлучающего диода. Переключателем “исслед. ОП” включить в схему исследуемую оптопару, установив предел измерения миллиамперметра РА2 20mA. Исследование выходных статических характеристик транзисторной оптопары Установить переключатель “исслед. ОП” в положение АОТ и подключить к гнездам “ток утечки” внешний микроамперметр на 200 мкА, соблюдая полярность. Тумблер включения вольтметра РИ установить в положение 1. С помощью регулируемого источника постоянного тока G1 установить необходимое значение входного тока (см. таблицу 1). Изменяя регулятором “вход. напр.” Постоянное напряжение на коллекторе фототранзистора U ВЫХ от 0 до 8В при постоянном токе I ВХ и максимальном значении тока утечки IУТ , измерить выходной ток оптопары миллиамперметром РА2. Результаты занести в таблицу 6.1. Таблица 6.1 I ВХ =0

IУТ , MAX = U ВЫХ ,В

I ВЫХ ,мА

Тип прибора АОТ110Б I ВХ =5мА I ВХ =10мА IУТ , MAX = IУТ , MAX = U ВЫХ ,В I ВЫХ ,мА U ВЫХ ,В I ВЫХ ,мА

I ВХ =15мА

IУТ , MAX = U ВЫХ ,В

I ВЫХ ,мА

Исследование выходных статических характеристик тиристорной оптопары. При переходе фототиристора в открытое состояние его сопротивление резко уменьшается, а ток возрастает. Поэтому необходимо следить за показаниями миллиамперметра РА2, не допускать его перегрузки во избежании выхода прибора из строя. Установить переключатель “исслед. ОП” в положение АОУ. С помощью регулируемого источника постоянного тока G1 установить входной ток оптопары I ВХ =7 мА. Установить предел измерения миллиамперметра РА2 20 мА. Перевести тумблер подключения вольтметра в положение 2. 27

Регулятором “вход. напр.” плавно увеличивая напряжение на фототиристоре, перевести его в открытое состояние, зафиксировав напряжение включения U ВКЛ (если тиристор не открылся, то нужно на ширину стрелки увеличить входной ток). Возвратить фототиристор в закрытое состояние регулятором напряжения. То же для входного тока 6,75 и 7,25 мА. Результаты занести в таблицу 6.2. Таблица 6.2 I ВХ , мА

Тип прибора АОУ103В 7,50 7,75

8,00

U ВКЛ , В

Исследовать выходную характеристику оптопары в закрытом состоянии фототиристора, зафиксировав несколько значений выходного напряжения и соответствующих выходных токов. Эти исследования провести при входных токах оптопары, отмеченных в таблице 2, не допуская перехода фототиристора в открытое состояние. Результаты занести в таблицу 6.3. Таблица 6.3 I ВХ =6,75 мА U ВЫХ , В I ВЫХ , мА

I ВХ =7,00 мА U ВЫХ , В

I ВЫХ , мА

I ВХ =7,25 мА U ВЫХ , В

I ВЫХ , мА

Тоже для открытого состояния. Исследование статических характеристик диодной оптопары. Исследовать ВАХ излучающего светодиода оптопары. Для этого подключить внешний вольтметр на 3В к гнездам “вход. напр.”, а переключатель “исслед. ОП” перевести в положение АОД. Плавно изменяя входной ток от 0 до 20 мА зафиксировать соответствующие входные напряжения. Результаты занести в таблицу 6.4. Таблица 6.4 Тип прибора АОД101Г ВАХ излучающего диода I ВХ , мА 3,5 5 7,5 10 12,5 U ВХ , В

15

Исследовать зависимость выходного тока от входного тока при нулевом выходном напряжении. Для этого переключатель “ветвь АОД” установить в положение “обр.”, и предел измерения миллиамперметра РА2 установить 1 мА. Плавно изменяя входной ток оптопары от 0 до 20 мА при U ВЫХ =0, зафиксировать соответствующие значения выходного тока. Результаты занести в таблицу 6.5. Таблица 6.5 28

I ВХ , мА

Характеристика передачи тока 5 10 15

0

20

I ВЫХ , мА

Исследовать изменения обратной ветви ВАХ фотодиода оптопары в зависимости от входного тока (через светоизлучающий диод) зафиксировать при каждом входном токе ряд значений обратных напряжений, изменяющихся от 0 до 8В через 1В и соответствующих им обратных токов измеряемых миллиамперметром РА2 с пределом измерения 1мА. Результаты занести в таблицу 6.6. Таблица 6.6 I ВХ =0 I ОБР , мА U ОБР , В

I ВХ =5 мА

I ОБР , мА

U ОБР , В

I ВХ =10 мА

I ОБР , мА

U ОБР , В

I ВХ =20 мА

I ОБР , мА

U ОБР , В

Тоже самое выполнить для оптопары с фотодиодом, включенном в прямом направлении, записав результаты в таблицу аналогично таблице 6. При этом переключатель “ветвь АОД” установить в положение “прям.”, а предел измерения миллиамперметра РА2 – 20мА. Положение переключателя включения вольтметра РИ установить 1. Обработка экспериментальных результатов и расчет параметров 1. По данным таблицы 6.1 построить статические характеристики транзисторной оптопары I ВЫХ = f (U ВЫХ ) при I ВХ = const и IУТ = const . 2. Из полученного в п.1 графика построить характеристики передачи тока фототранзистора I ВЫХ = f (IУТ ) для напряжения U ВЫХ = 2; 5 и 8 В. подсчитать по ним коэффициент усиления по току и сделать вывод о его изменении. 3. По данным таблицы 6.3 построить выходные характеристики (статические) тиристорной оптопары I ВЫХ = f (U ВЫХ ) при I ВХ = const (6,75; 7,00; 7,25 мА). При этом учесть зафиксированные напряжения включения тиристора (см. табл. 6.2). 4. По данным таблиц 6.4 и 6.5 построить ВАХ светоизлучающего светодиода диодной оптопары U ВХ = f (I ВХ ) и график зависимости I ВЫХ от I ВХ диодной оптопары и подсчитать коэффициент передачи тока α. Полученные в этом пункте данные сравнить со справочными и сделать вывод. 5. По данным таблицы 6.6 для обратного и прямого тока построить на одном графике выходные статические характеристики диодной оптопары, выбрав соответствующий масштаб для различных токов через излучающий светодиод. По полученным данным рассчитать коэффициент передачи по току K I диодной оптопары при обратном напряжении на фотодиоде ( U ОБР =4В) и построить зависимость K I =

I ВЫХ = f (I ВХ ) . I ВХ

6.4 Содержание отчета 6.4.1 Точное название и цель работы. 29

6.4.2 Схемы для проведения исследований. 6.4.3 Таблица проведенных измерений. 6.4.4 Полученные в ходе работы характеристики приборов. 6.4.5 Расчет заданных в работе параметров. 6.4.6 Краткие выводы.

6.5 Контрольные вопросы 6.5.1. Объясните принцип действия и выходные статические характеристики исследуемых оптопар. 6.5.2. Можно ли использовать свойства фотодиода, если к нему подведено прямое напряжение? 6.5.3. Объясните механизм работы светодиодов. Укажите возможности практического применения светодиодов. 6.5.4. Какую роль играют светодиоды в оптопарах? 6.5.5. Охарактеризуйте функциональные возможности оптопары с одно и двух переходным фототранзистором. 6.5.6. Объясните механизм возникновения тока утечки в транзисторной оптопаре с трехвыводным транзистором. Почему выходной ток оптопары зависит от тока утечки? 6.5.7. Объясните причины нелинейности зависимости выходной фото – ЭДС от входного тока диодной оптопары. 6.5.8. Чем объяснить увеличение интегральной чувствительности фототранзистора по сравнению с фотодиодом? 6.5.9. Объясните физический смысл вольт – амперной характеристики тиристора. 6.5.10. Каковы отличительные особенности в работе тиристорной оптопары от управляемого тиристора? 6.5.11. Сравните различные типы оптопар по выходным и входным цепям.

30