Дослідження напівпровідникових приладів.

Мета: опанувати методику побудови вольт-амперних характеристик. Дослідити роботу напівпровідникового діода, стабілітрона, транзистора, польового транзистора.

Устаткування: Емулятор електричних кіл Electronics Workbench

Додаткові відомості:

Нелінійними називають елементи електричних кіл, для яких електричний опір не є постійним, а залежить від режиму роботи елемента. Для таких елементів залежність між напругою та струмом на графіку не є прямою лінією, тобто, в деякій мірі, порушується закон Ома. Відповідно, для характеристики роботи таких елементів недостатньо введення однієї характеристики, на зразок опору. Поведінка нелінійних елементів у електричних колах визначається повною залежністю сили струму від напруги на елементі, яка подається у вигляді вольт-амперної характеристики (ВАХ) відповідного елемента.

Серед найбільш поширених нелінійних елементів можна виділити діоди і транзистори. Головна задача діодів полягає у пропусканні сигналів однієї полярності і блокуванні протилежних. Відтак, ВАХ ідеального діода складається з двох ліній – вертикальної (опір 0) для позитивних напруг, та горизонтальної (опір ∞) для негативних.

Реальні діоди, внаслідок особливостей виготовлення та будови, мають ВАХ, що відрізняється від ідеальної. На рис. 6.1 наведені схематичні ВАХ ідеального та реального діодів Зокрема, можна виділити наступні відхилення:

Нахильність робочої ділянки (наявність ненульового опору). Дана особливість дозволяє використовувати діоди як пристрої з керованим опором.

Наявність прямого падіння напруги (ділянка зростання починається не з нуля). Це дозволяє стабілізувати невеликі напруги.

Наявність напруги пробою – негативної напруги за якої діод втрачає „не пропускну” здатність. Це дозволяє стабілізувати або обмежувати відносно високі напруги.

Отже, існують пристрої, що працюють якраз на відхиленнях від ідеальності. Ці пристрої теж відносять до діодів, проте вони мають і власні назви: варікапи, стабілітрони, стабістори, тощо.

Транзистори можна уявити себе як керовані діоди – пристрої здатні пропускати більший чи менший струм в залежності від керуючої дії. Транзистори також можна уявляти кранами, які здатні керувати великими потоками рідини за допомогою відносно невеликих зусиль при їх обертанні. За технологією виготовлення транзистори поділяють на польові та біполярні.

На рис. 6.2 наведене позначення біполярного транзистора типу n-p-n та схематичний принцип його роботи: невеликі струми у колі бази „відкривають” транзистор і керують великими струмами у ланці колектор-емітер.

Вольт-амперні характеристики транзисторів поєднують для різних струмів (або напруг) бази. В такому випадку кажуть про сімейство ВАХ. З них видно, як зростає струм у колекторному колі при невеликих змінах струму чи напруги на базі.

Для дослідження ВАХ елементів можна використовувати осцилограф в режимі міжканальної розгортки. В один канал (А) осцилографа подається величина напруги на елементі, в інший (В) – струму і вмикається режим розгортки В/А, за якого величини сигналів відображаються не у часі, а у залежності одна від іншої. Особливість полягає у тому, що осцилограф не здатен вимірювати сили струмів. Тому у коло вводять додатковий резистор невеликого опору, напруга на якому буде давати відомості про силу струму у колі.

На рис. 6.3 наведена схема для вимірювання ВАХ діода. Не зважаючи на те, що у пакеті Electronics Workbench існує досить широкий вибір назв діодів, не для всіх з них введені реальні параметри. Для практичного дослідження оберемо модель 1N4001 виробника 1N. Відкриємо властивості діода, оберемо вкладку „model”, знайдемо відповідну модель і натиснемо кнопку „edit” для виведення вікна з властивостями діода. Для дослідження принциповими є максимальна зворотна напруга (Reverse breakdown voltage – 49.9 Вольт) та пряме падіння напруги (Junction potential – 0.75 Вольт). Намагаючись побачити область пробою діода поставимо на генераторі напругу 45 Вольт, пам’ятаючи, що амплітудне значення більше за діюче.

Увімкнувши коло побачимо на осцилографі діаграму, подібну до рис. 6.4. Як видно з рисунка, зворотна ланка дійсно обривається на 5-й клітинці (5х10 = 50 В), пряме падіння напруги (0,75 В) точно перевірити важко, проте помітно, що воно наявне. Нахил робочої ділянки непомітний. Якщо подивитись на властивості діода, можна побачити, що його опір закладений на дуже низькому значенні, тож і не проявляється на діаграмі.

Також помітні випадкові лінії поблизу перехідних точок ВАХ. В основному, вони зв’язані з недоліками моделювання, а саме, з дискретністю крока.

Наприклад, в один момент часу напруга 0.5 В, в наступний ‑0.1. А з’єднуються ці точки прямою лінією. Якщо крок часу моделювання не вкладається цілу кількість разів у період сигналу, точки переходу весь час різні, а на діаграмі спостерігаються сукупності ліній. В реальних приладах подібні явища не спостерігаються.

Для дослідження ВАХ біполярного транзистора використовується більш складна схема, наведена на рис. 6.5.

Особливістю побудови ВАХ транзистора полягає у наявності двох параметрів: струму бази та, власне, ВАХ колектор-емітерного переходу. Струм бази задається батареєю та обмежувальним резистором R1, струм колектора – генератором з обмежувальним резистором R3. Резистор R2 використовується для вимірювання струму. Діод D1 забороняє подачу на транзистор напруги оберненої полярності.

Для побудови сімейства ВАХ змінюють кілька разів величину струму бази за допомогою напруги батареї або величини R1. Отримані на осцилографі графіки об’єднують у один із зазначенням відповідних режимів (див. рис. 6.2).

Схематичне позначення польового транзистора з каналом п-типу наведене на рис. 6.6. Польові транзистори теж являють собою керовані елементи, проте мають ряд відмінностей від біполярних транзисторів. Якщо біполярний транзистор можна уявити краном, що відкривається, то польовий – краном, що закривається. Відповідно до принципу роботи у польового транзистора змінені назви виводів: стік – „приймає” потік (струм), витік (інколи істок) – віддає, затвор – керує потоком. За відсутності сигналів на затворі, каналом стік-витік тече струм максимальної величини (обмеженої моделлю транзистора). При подачі напруги на затвор, величина потоку зменшується і при деякій напрузі стає нульовою. Таку напругу називають напругою відсічу. Для транзисторів з каналом п-типу напруга на затворі має бути негативною, р-типу – позитивною (на схемі затвор позначається стрілкою протилежного напряму). Передаточна та вихідна характеристики польового транзистору з n каналом подані на рис. 6.7. Як видно з рисунка, напруга відсічу становить -3 В.

Схема для вимірювання характеристик польового транзистора наведена на рис. 6.8. На відміну від рис. 6.5, замість встановлення струму бази встановлюється напруга затвору. Відповідно, зникає необхідність у резисторі R1 та вимірювальному приладі. Напругу можна визначати безпосередньо з батареї. Головне – не переплутати її полярність.

Діод D1 повністю аналогічно до схеми рис. 6.5 забороняє подачу на канал транзистора напруги оберненої полярності. Хоча транзистор можна досліджувати і для зворотних напруг, такий режим їх роботи не використовується на практиці, оскільки не відповідає головній ідеї використання транзисторів – керовані елементи, що здатні керувати великими струмами за допомогою невеликих струмів чи напруг.

Серед важливих, не зазначених вище, характеристик діодів всіх типів та транзисторів як біполярних, так і польових слід також вказати граничні параметри, які не можна перебільшувати. До них відносять максимально припустимі струми і напруги, а також (в особливості для потужних транзисторів) максимально припустиму потужність розсіювання. І, хоча Electronics Workbench не „спалює” діоди чи транзистори, при моделюванні роботи кіл зазначені обмеження ураховуються. Відповідно, можна отримати графіки чи числові значення, що суттєво відрізняються від очікуваних. Якщо кола не містять помилок у будові, то в такому разі слід звернути увагу на можливість перевантаження нелінійних елементів. Спробуйте, для прикладу, при дослідженні діода встановити (рис. 6.3) на генераторі напругу 100 В (напруга пробою діода 50 В) і подивитись на зміну ВАХ. Лише не намагайтесь відтворити це у реальних колах.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
ЗАВДАННЯ.	\|	ЗАВДАННЯ

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.004 сек.