Статические характеристики транзистора

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 7Следующая ⇒

Всхеме с ОБ (рис. 13) входным током транзистора является ток эмиттера, входным напряжением – напряжение между эмиттером и базой, а входными ВАХ – семейство при (рис. 13).

Рис. 13. Семейство входных ВАХ транзистора с ОБ

Выбор напряжения в качестве параметра этого семейства ВАХ связан с тем, что в активном режиме на коллекторный переход подается обратное напряжение, а в этом случае, при изменении напряжения в достаточно большом диапазоне, ток через переход меняется очень незначительно.

Входная характеристика транзистора при напряжении U_КБ= 0 подобна ветви ВАХ p-n-перехода. Однако, при увеличении рабочего напряжения на коллекторе U_КБ ВАХ смещается влево вверх из-за влияния эффекта Эрли: при увеличении обратного напряжения на коллекторном р-n переходе он расширяется в сторону базы, при этом ширина базы уменьшается. Уменьшение ширины базы приводит к тому, что большее число неосновных носителей проходит базу, не рекомбинируя в ней, следовательно, большее их число попадает в коллектор, вызывая рост тока коллектора, который, в свою очередь, вызывает рост тока эмиттера.

При уменьшении рабочего напряжения ширина базы увеличивается, ток уменьшается, а кривые сдвигаются вправо, вниз.

Выходным напряжением транзистора в схеме с ОБ является напряжение между коллектором и базой, выходным током – ток коллектора, а выходными ВАХ – семейство при (рис. 14).

Рис. 14. Семейство выходных ВАХ транзистора с общей базой

Здесь в качестве параметра семейства выходных ВАХ уже выбирают ток, т. к. при прямом напряжении на эмиттерном переходе при изменении тока в достаточно большом диапазоне напряжение меняется незначительно.

На семействе выходных характеристик выделяют три характерные области (см. рис. 14), соответствующие следующим режимам работы транзистора: активному (первый квадрант), насыщения (второй квадрант).

Выходная характеристика транзистора при токе эмиттера, равном нулю, сходна с ВАХ одиночного p-n-перехода, смещенного в обратном направлении. С увеличением рабочего напряжения на коллекторе ток коллектора растет (из-за влияния эффекта Эрли). Величину наклона кривых I_К(U_КБ) характеризуют коллекторным сопротивлением.

При больших обратных напряжениях на коллекторном переходе ток коллектора резко возрастает за счет лавинного умножения носителей заряда в области пространственного заряда коллекторного p-n перехода. При напряжении U_КБпр наступает пробой, ограничивающий диапазон рабочих напряжений коллектора.

Семейство входных ВАХ транзистора с ОЭ (рис. 15) представляет собой зависимость I_Б( U_БЭ ), причем параметром семейства является напряжение U_КЭ. Входная характеристика при коллекторном напряжении U_КЭ =0 проходит через начало координат и отличается от ВАХ одиночного p‑ n‑ перехода масштабом оси токов, поскольку базовый ток меньше тока через переход I_Э.

Рис. 15. Семейство входных ВАХ транзистора в схеме с общим эмиттером

При увеличении выходного обратного напряжения U_КЭ характеристики смещаются вниз. Увеличение напряжения U_КЭ сопровождается уменьшением ширины базы и, следовательно, уменьшением общего количества дырок, находящихся в базе. Поэтому число рекомбинаций электронов и дырок в базе в единицу времени уменьшится. Так как электроны для рекомбинации проходят через базовый вывод, то ток базы тоже должен уменьшиться (см. рис. 15).

Семейство выходных ВАХ транзистора с ОЭ представляет собой зависимость I_К( U_КЭ) с параметром I_Б(рис. 16). Сравнивая выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером и общей базой, можно заметить две наиболее существенные особенности: во-первых, характеристики в схеме с общим эмиттером имеют больший наклон, свидетельствующий об уменьшении выходного сопротивления транзистора и, во-вторых, они полностью расположены в первом квадранте.

Рис. 16. Семейство выходных ВАХ транзистора в схеме с общим эмиттером

Причина понижения выходного сопротивления транзистора с ОЭ заключается в наличии положительной обратной связи. При приложении к коллектору отрицательного напряжения U_КЭ оно распределяется между коллекторным и эмиттерным переходами. В результате эмиттерный переход оказывается дополнительно смещенным в прямом направлении, что и обусловливает увеличение выходного (коллекторного) тока. Чем выше отрицательное напряжение на коллекторе, тем выше прямое напряжение на эмиттерном переходе и заметнее открывается транзистор. Больший наклон характеристик в схеме ОЭ связан с тем, что малые изменения коэффициента под действием изменения напряжения на коллекторном переходе дают значительные изменения коэффициента (увеличение напряжения U_КЭ сопровождается уменьшением ширины базы и, следовательно, уменьшением общего количества дырок, находящихся в базе, уменьшением числа рекомбинаций электронов и дырок в базе в единицу времени, уменьшением тока базы – ток коллектора увеличивается, а ток базы уменьшается):

, .

Остановимся на других параметрах биполярного транзистора – сопротивлениях его переходов. Поскольку эмиттерный переход смещен в прямом направлении, его дифференциальное сопротивление можно выразить как

. (20)

Поскольку коллекторный переход в транзисторе смещен в обратном направлении, ток слабо зависит от напряжения . Поэтому дифференциальное сопротивление коллекторного перехода:

. (21)

Сопротивление в основном обусловлено влиянием эффекта Эрли. Оно обычно уменьшается с ростом рабочих токов.

2. ЗАДАНИЯ НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Задание 1. Исследование статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОБ (с помощью амперметра-вольтметра)

1. Снять семейство входных ВАХ транзистора – . Для этого собрать схему (рис. 17). Выбор марки исследуемого транзистора осуществить в соответствии с вариантом табл. 4. Все измерительные приборы поставить в режим измерения постоянного тока (режим DC).

Примечание: подключения источников тока и напряжения осуществлять в соответствии с типом транзистора.

Рис. 17. Схема снятия входных ВАХ транзистора с ОБ

2. Изменяя ток эмиттера и регистрируя его величину амперметром А1, измерять напряжение . Данные занести в табл. 5. Данные снимаются при трех фиксированных значениях напряжения : В, и среднем между ними значении.

Примечание: пределы изменения тока эмиттера и напряжения определяются предельно-допустимыми параметрами работы транзистора (см. табл. 4), превышение которых в условиях эксплуатации не допускается независимо от длительности импульсов напряжения или тока. Даже кратковременное превышение предельно допустимых режимов может привести к пробою p-n перехода, сгоранию внутренних выводов и выходу прибора из строя.

3. По результатам измерений построить графики.

Таблица 4

Исходные данные

№ п/п	Марка транзистора	Тип	Предельные эксплуатационные данные

	KT315A	n-p-n	25 В	–	6 В	100 мА	–	–
	KT630A	n-p-n	120 В	120 В	7 В	1 А	0.2 А	–
	KT819A	n-p-n	25 В	–	5 В	10 А	3 А	–
	КТ208К	p-n-p	45 В	45 В	20 В	150 мА	–	–
	КТ3107А	p-n-p	45 В	50 В	5 В	100 мА	50 мА	–
	KT3102A	n-p-n	50 В	50 В	5 В	100 мА	–	–
	KT315V	n-p-n	40 В	–	6 В	100 мА	–	–
	KT630B	n-p-n	120 В	120 В	7 В	1А	0.2 А	–
	KT819B	n-p-n	40 В	–	5 В	10 А	3 А	–
	КТ3107V	p-n-p	25 В	30 В	5 В	100 мА	50 мА	–
	KT399А	n-p-n	15 В	15 В	3 В	20 мА		20 мА
	КТ3102V	n-p-n	30 В	30 В	5 В	100 мА	–	–
	KT315B	n-p-n	20 В	–	6 В	100 мА	–	–
	KT630D	n-p-n	60 В	60 В	7 В	1 А	0.2 А	–
	KT819V	n-p-n	60 В	–	5 В	10 А	3 А	–
	КТ3107B	p-n-p	45 В	50 В	5 В	100 мА	50 мА	–
	КТ363А	p-n-p	15 В	15 В	4 В	30 мА	–	–
	КТ3102G	n-p-n	20 В	20 В	5 В	100 мА	–	–
	KT315G	n-p-n	35 В	–	6 В	100 мА	–	–
	KT630E	n-p-n	60 В	60 В	7 В	1 А	0.2 А	–
	KT3107E	p-n-p	20 В	25 В	5 В	100 мА	50 мА	–
	КТ3107I	p-n-p	45 В	50 В	5 В	100 мА	50 мА	–
	KT315D	n-p-n	40 В	–	6 В	100 мА	–	–
	KT630G	n-p-n	100 В	100 В	7 В	1 А	0.2 А	–
	КТ635B	n-p-n	60 В	60 В	5 В	1 А	–	–
	KT3107D	p-n-p	25 В	30 В	5 В	100 мА	50 мА	–
	KT315E	n-p-n	35 В	–	6 В	100 мА	–	–
	KT630V	n-p-n	150 В	150 В	7 В	1 А	0.2 А	–
	KT815G	n-p-n	100 В	–	5 В	1.5 А	0.5 А	–
	KT3102B	n-p-n	50 В	50 В	5 В	100 мА	–	–
	KT3107G	p-n-p	25 В	30 В	5 В	100 мА	50 мА	–
	KT315I	n-p-n	60 В	–	6 В	50 мА	–	–

Пример. Снять семейство входных ВАХ транзистора. Предельно допустимые параметры транзистора: , , .

В табл. 5 приведены входные ВАХ транзистора с ОБ, снятые при , , .

Таблица 5

Входные ВАХ транзистора с ОБ


		-5.45 В	-4.95 В
2 мА	665 мВ	659 мВ	663 мВ
5 мА	695 мВ	687 мВ	691 мВ
10 мА	721 мВ	711 мВ	715 мВ
20 мА	754 мВ	741 мВ	747 мВ
30 мА	780 мВ	765 мВ	771 В
40 мА	803 мВ	785 мВ	793 В
50 мА	826 мВ	804 мВ	813 В
60 мА	850 мВ	823 мВ	833 В
70 мА	870 мВ	841 мВ	852 В
80 мА	890 мВ	858 мВ	871 В
90 мА	911 мВ	876 мВ	890 В
100 мА	933 мВ	893 мВ	909 В
120 мА	975 мВ	929 мВ	947 В
150 мА	1.040 В	–	–
170 мА	1.082 В	–	–

На рис. 18 представлены графики входных ВАХ исследуемого транзистора, снятые при , , .

4. С использованием ранее собранной схемы (см. рис. 17) снять семейство выходных ВАХ транзистора – . Данные занести в табл. 6. Начальное значение напряжения должно быть выбрано небольшим и отрицательным. Пределы изменения тока эмиттера и напряжения определяются предельно допустимыми параметрами работы транзистора.

5. По результатам измерений построить графики семейства выходных ВАХ.

,

Рис. 18. Графики входных ВАХ транзистора с ОБ

Пример. Снять семейство выходных ВАХ транзистора. Предельно допустимые параметры транзистора: , , .

В табл. 6 приведены выходные ВАХ транзистора с ОБ, снятые при , , .

Таблица 6

Выходные ВАХ транзистора с ОБ


-0.7 В	- 4.29 мА	- 2.681 мА	-282 мкА
0 В		1.448 мА	3.658 мА
2 В	3.15 мкА	1.469 мА	3.707 мА
4 В	6.15 мкА	1.488 мА	3.753 мА
6 В	9.15 мкА	1.507 мА	3.796 мА
8 В	12.15 мкА	1.524 мА	3.837 мА

Окончание табл. 6


10 В	15.15 мкА	1.540 мА	3.875 мА
12 В	18.15 мкА	1.556 мА	3.911 мА
14 В	–	1.570 мА	3.945 мА
16 В	–	1.584 мА	3.977 мА
18 В	–	1.597 мА	4.007 мА
19 В	–	1.604 мА	4.022 мА

На рис. 19 представлены графики выходных ВАХ исследуемого транзистора, снятые при , , .

Рис. 19. Графики выходных ВАХ транзистора с ОБ

Примечание: на графиках не показана область электрического пробоя транзистора.

Задание 2. Исследование статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОЭ (с помощью амперметра-вольтметра)

1. Снять семейство входных ВАХ транзистора с ОЭ – . Собрать схему, представленную на рис. 20. Данные занести в табл. 7. По результатам измерений построить графики.

Рис. 20. Схема снятия входных ВАХ транзистора с ОЭ

Пример. Снять семейство входных ВАХ транзистора с ОЭ. Предельно допустимые параметры транзистора: , , .

В табл. 7 приведены входные ВАХ транзистора с ОЭ, снятые при , , .

Таблица 7

Входные ВАХ транзистора с ОЭ


		24.71 мВ	45.21 мВ
2 мА	670.2 мВ	707.3 мВ	710.6 мВ
5 мА	704.2 мВ	745 мВ	750.1 мВ
10 мА	738.2 мВ	784 мВ	792.5 мВ
20 мА	787.7 мВ	840.7 мВ	856.7 мВ
30 мА	829.7 мВ	887.2 мВ	911.5 мВ
40 мА	868.7 мВ	929.2 мВ	962 мВ
50 мА	905.9 мВ	968.5 мВ	–
60 мА	942.1 мВ	1.006 В	–
70 мА	977.5 мВ	1.043 В	–

Окончание табл. 7


80 мА	1.012 В	1.079 В	–
90 мА	1.047 В	1.114 В	–
100 мА	1.081 В	1.148 В	–
110 мА	1.115 В	1.183 В	–
120 мА	1.149 В	1.217 В	–
130 мА	1.182 В	1.251 В	–

На рис. 21 представлены графики входных ВАХ исследуемого транзистора, снятые при , , .

Рис. 21. Графики входных ВАХ транзистора с ОЭ

2. Снять семейство выходных ВАХ транзистора с ОЭ – . Данные занести в таблицу, аналогичную табл. 8.

Таблица 8

Выходные ВАХ транзистора с ОЭ


0 В		-3.696 мА	-7.393 мА	-14.73 мА
2 В	2.1 мкА	13.39 мА	24.64 мА	43.2 мА
4 В	4.1 мкА	14.05 мА	25.83 мА	45.3 мА
6 В	6.1 мкА	14.7 мА	27.03 мА	47.39 мА
8 В	8.1 мкА	15.35 мА	28.22 мА	49.49 мА
10 В	10.1 мкА	16 мА	29.42 мА	51.59 мА
12 В	12.1 мкА	16.65 мА	30.62 мА	53.69 мА
14 В	14.1 мкА	17.3 мА	31.81 мА	55.78 мА
16 В	16.1 мкА	17.95 мА	33.01 мА	57.88 мА
18 В	18.1 мкА	18.6 мА	34.2 мА	59.98 мА
19 В	19.1 мкА	18.93 мА	34.8 мА	61.03 мА

На рис. 22 представлены графики выходных ВАХ исследуемого транзистора, снятые при , , , .

Рис. 22. Графики выходных ВАХ транзистора с ОЭ

Задание 3. Исследование статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОК (с помощью амперметра-вольтметра)

1. Снять семейство входных ВАХ транзистора с ОК. По результатам измерений построить графики.

2. Снять семейство выходных ВАХ транзистора с ОК. По результатам измерений построить графики.

Лабораторная работа № 5

Исследование тиристоров

Цель работы: изучить основные свойства, характеристики и параметры тиристоров, экспериментально исследовать их вольтамперные характеристики (ВАХ) и возможности применения в электронных схемах.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

Тиристор – четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (тиристор закрыт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт).

Тиристоры делятся на две группы: диодные тиристоры (динисторы) и триодные (тиристоры).

Динистор – это двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три p-n-перехода (рис. 23). Крайняя область p называется анодом, а другая крайняя область n – катодом.

Рис. 23. Структура динистора и его условное обозначение

Схему замещения динистора можно представить в виде двух триодных структур, соединенных между собой (рис. 24).

Рис. 24. Структура динистора и схема его замещения

При таком соединении коллекторный ток первого транзистора является током базы второго, а коллекторный ток второго транзистора – током базы первого. Благодаря этому соединению внутри прибора есть положительная обратная связь.

Если на анод подано положительное напряжение по отношению к катоду, то переходы и будут смещены в прямом направлении, а переход – в обратном.

Найдем ток через переход , равный сумме токов коллекторов обоих транзисторов и тока утечки этого перехода:

. (22)

Ток во внешней цепи равен , поэтому:

, (23)

откуда получим значение внешнего тока:

. (24)

Пока выполняется условие , ток в динисторе равен . При динистр включается и начинает проводить ток.

Для увеличения коэффициентов передачи тока и можно увеличивать напряжение на динисторе. С ростом напряжения один из транзисторов будет переходить в режим насыщения.

Коллекторный ток этого транзистора, протекая в цепи базы второго транзистора, откроет его, а последний, в свою очередь, увеличит ток базы первого. В результате коллекторные токи транзисторов будут лавинообразно нарастать, пока оба транзистора не перейдут в режим насыщения.

Вольт-амперная характеристика динистора приведена на рис 25.

Рис. 25. Вольт-амперные характеристики динистора и схема его включения

Выключить динистор можно, понизив ток в нем до значения или поменять полярность напряжения на аноде. Различные способы выключения динистора приведены на рис. 26. В схеме (а) прерывается ток в цепи динистора. В схеме (б) напряжение на динисторе делается равным нулю. В схеме (в) ток динистора понижается до включением добавочного резистора . В схеме (г), при замыкании ключа , на анод динистора подается напряжение противоположной полярности при помощи конденсатора .

а)

б)

в)

г)

Рис. 26. Схемы включения динистора: а) с размыканием цепи; б) с шунтированием прибора; в) со снижением тока анода; г) с подачей обратного напряжения

В отличие от динистора, переход в открытое состояние которого осуществляется достижением некоторого значения напряжения между анодом и катодом, в тиристоре управление состоянием прибора производится по цепи третьего управляющего электрода. Управляющий вывод в тиристоре реализуется от одной из баз эквивалентных транзисторов или . Если подать в одну из этих баз ток управления, коэффициент передачи соответствующего транзистора увеличится и произойдет включение тиристора.

В зависимости от расположения управляющего электрода (УЭ) тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с анодным управлением.

а)

б)

Рис. 27. Структура тиристора и его схемотехническое обозначение: а) с катодным управлением; б) с анодным управлением

Тиристор изготавливается по диффузионной технологии. Исходным материалом является кремниевая пластина n-типа. Вначале методом диффузии акцепторной примеси с обеих сторон пластины создают транзисторную структуру p-n-p. Затем, после локальной обработки поверхности р-слоя, вносят донорную примесь в р-слой для получения четвертого n-слоя.

Вольт-амперная характеристика тиристора (рис. 28) отличается от характеристики динистора тем, что напряжение включения регулируется изменением тока в цепи управляющего электрода. При увеличении тока управления снижается напряжение включения.

В исходном состоянии тиристор закрыт, ток управления равен нулю. Напряжение источника питания меньше напряжения переключения тиристора . Рабочая точка тиристора расположена на первом участке ВАХ, через тиристор и нагрузку протекает малый ток. В требуемый момент времени подают импульс управления, задавая необходимый для отпирания тиристора импульс тока, тиристор открывается.

Рис. 28. ВАХ тиристора

После включения управляющий электрод теряет управляющие свойства. Способы выключения тиристора такие же, как у динистора.

Динисторы и тиристоры выполняют функцию бесконтактного ключа, обладающего односторонней проводимостью тока. Применяются в релейной и коммутационной аппаратуре и системах преобразования энергии.

Двухоперационный тиристор (рис. 29) отличается от простого тиристора тем, что его запирание осуществляется не изменением полярности напряжения анод–катод, а пропусканием через управляющий электрод импульса тока, противоположного по направлению току запуска. При этом используется свойство внутренней положительной обратной связи, действующей в приборе. При пропускании встречного тока в цепи управляющего электрода ток базы транзистора уменьшается, что приводит к уменьшению всех составляющих токов тиристора, а следовательно, к снижению анодного тока и запиранию прибора.

Рис. 29. Условное обозначение двухоперационного тиристора

Симистор (рис. 30) – симметричный тиристор, позволяющий проводить ток в обоих направлениях.

Рис. 30. Структура симистора, его схемотехническое изображение и ВАХ

Верхняя часть структуры симистора состоит из слоев . Ее крайние слои электрически объединены и связаны с внешним выводом прибора. В нижней части структуры слой металлизации, имеющий контакт с внешним выводом прибора, электрически связывает слои и . Вывод от центральной части слоя является управляющим электродом прибора. Слои образуют в структуре пять p-n-переходов.

Если тиристор закрыт и к внешнему выводу подано напряжение положительной полярности, то переходы , смещаются в прямом направлении, а переход – в обратном. Все внешнее напряжение будет приложено к переходу .

При подаче на управляющий электрод импульса напряжения положительной полярности относительно вывода переход смещается в прямом направлении и инжектирует электроны из слоя в слой. Инжектированные электроны под действием диффузии проходят слой в направлении перехода . Прямое напряжение на переходе будет ускоряющим для электронов, которые входят в слой. Вошедшие электроны снижают потенциал слоя относительно слоя, прямое напряжение на переходе увеличивается, что приводит к инжекции дырок из в слой. Пройдя под действием диффузии слой, дырки попадают в ускоряющее поле перехода и перебрасываются в слой. Диффузионное движение дырок в слое в направлении внешнего вывода возможно лишь по пути огибания перехода , т. к. поле перехода для дырок будет тормозящим.

В результате протекания дырочного тока через слой в нем создается падение напряжения, которое увеличивает прямое смещение перехода . В свою очередь, увеличиваются инжекция электронов из слоя в слой и последующий их переход в слой во встречном направлении. Появление дополнительного числа электронов в слое вызывает еще больший поток дырок в направлении внешнего вывода.

В приборе действует внутренняя положительная обратная связь, приводящая к лавинообразному процессу нарастания тока через прибор и отпиранию правой половины структуры . Таким образом, в результате подачи импульса управления осуществляется переход тиристора с участка закрытого состояния на участок открытого состояния ВАХ характеристики.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 Следующая ⇒