Основные параметры и характеристики тиристора.

Тиристором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор, содержащий три и более р-п перехода, вольт-амперная характеристика которого имеет участок отрицательного дифференциального сопротивления. Тиристоры делятся на динисторы, тринисторы и симисторы.

Вольт-амперная характеристика динистора изображена на рис. 1.

 

 

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика динистора

 

На характеристике можно видеть четыре участка ( обозначены цифрами 1-4). Участок 1 соответствует закрытому состоянию в прямом направлении динистора. На этом участке через динистора протекает небольшой ток Iзс – ток прибора в закрытом состоянии. В закрытом состоянии увеличение анодного напряжения мало влияет на ток анода, пока не будет достигнуто напряжение ( точка А характеристики), при котором в четырехслойной полупроводниковой структуре наступает лавинообразный процесс и динистор переключается в открытое состояние. Прямое напряжение, соответствующее точке А характеристики, называется напряжением включения Uвкл, а ток, протекающий при этом через прибор – током включения Iвкл.

В процессе переключения динистора в открытое состояние (участок 2) происходит быстрое уменьшение напряжения на аноде (участок отрицательного дифференциального сопротивления).

Участок 3 соответствует открытому состоянию динистора . В пределах этого участка все три р-п перехода полупроводниковой структуры включены в прямом направлении и относительно малое напряжение, приложенное к прибору, может создать большой ток в открытом состоянии Iа ос. Значение Iа ос практически определяется только напряжением источника питания и сопротивлением внешней цепи. Падение напряжения на открытом тиристоре - напряжение в открытом состоянии. Uос, как и у обычного диода, незначительно зависит от прямого тока. Кроме того, существует ограничение по максимальному току анода Iа макс, который определяется площадью р-п перехода и условиями охлаждения.

Тиристор сохраняет открытое состояние, пока прямой ток Iа будет больше некоторого минимального значения – удерживающего Iуд (точка б на характеристике). При снижении тока до значения Iа < Iуд, тиристор скачком возвратится в закрытое состояние.

Таким образом, диодный тиристор может находиться в одном из устойчивых состояний. Первое – закрытое (участок 1) характеризуется большим напряжением на прибор ( Uзс) и незначительным током (Iзс) , протекающим через него. Второе – открытое (участок 3) - малым напряжением на приборе (Uос) и большим током (Iа ос) Участок переключения 2 является областью неустойчивого состояния и рабочая точка не может находиться на нем..

Участок 4 характеризует режим тиристора при обратной полярности приложенного напряжения. В этом случае тиристор ведет себя как диод, т.е. он заперт и через него протекает небольшой обратный ток.

В отличие от диодного тиристора, в триодном тиристоре (тринисторе) есть управляющий электрод. При возрастании управляющего тока напряжение включения уменьшается. Управляющее действие этого электрода проявляется лишь в момент включения тринистора. Закрыть прибор или изменить значение тока, протекающего через открытый прибор, изменяя ток управления, невозможно ( исключение составляет специальный тип приборов – запираемые тиристоры ). Семейство статических характеристик тринистора представлено на рис. 2.

 

 

Рис. 2. Семейство статических характеристик тринистора.

Зависимость Uвкл = f (Iупр) называется характеристикой управления тринистора (рис.3.).

Рис.3 Характеристика управления тринистора.

 

Ток управляющего электрода, при котором достигается Uвкл = 0 (т.е. на вольт-амперной отсутствует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением) называется током спрямления. Т.е. при Iупр > Iспр тринистор ведет себя, как обычный диод.

Выключить открытый тринистор можно, как и динистор только сделав прямой ток меньше значения удерживающего тока.

Способ открывания тринисторов током управляющего электрода имеет существенные достоинства, так как позволяет коммутировать большие мощности в нагрузке маломощным управляющим сигналом.

 

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА.

Упрощенная схема лабораторного макета представлена на рис.4.

 

 

 

Рис.4. Упрощенная схема лабораторного макета

 

R1 – регулировка Iупр;

R2 – регулировка Iа;

R3 – регулировка Uип;

SA1-режим работы;

SA2-выключение тиристора.

Резистором R1 регулируется значение тока управляющего электродаIупр., резисторами R2 – ток анода Iа, R3 – напряжение источника анодной цепи. Переключатель SA1 замыкает R2 при снятии пусковой характеристики. Значения Iупр, Uа, Iа, Uип, измеряется соответствующими измерительными приборами, расположенными на передней панели макета. С помощью кнопки SA2 размыкается анодная цепь для выключения тиристора.

 

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

 

Снятие пусковой характеристики.

 

1. Переключатель РЕЖИМ РАБОТЫ установить в положение 1.

2. Включить макет.

3. Резистор РЕГУЛИРОВКА Iупр установить в крайнее левое положение. При этом Iупр = 0.

4. Резистором РЕГУЛИРОВКА Uа плавно увеличивать анодное напряжение до включения тиристора. Переключатель ПРЕДЕЛЫ находится при этом в положении 200В или 400В. Максимальное значение Uа перед включением соответствует напряжению включения при Iупр = 0.

5. Уменьшить Uип до минимального значения.

6. Нажать кнопку ВЫКЛЮЧЕНИЕ ТИРИСТОРА. Анодная цепь при этом разомкнется и тиристор закроется.

7. Установить поочередно значения Iупр = 0,5 ¸ 5 мА с шагом 0,5 мА и выполнить п.п. 4,5,6.

8. Полученные значения Iупр и Uвкл занести в таблицу и построить по ним характеристику управления, т.е. зависимость Uвкл = f (Iупр ).

9. Определить остаточное напряжение на тиристоре. Для этого:

9.1. Включить тиристор.

9.2 Тумблер РЕЖИМ РАБОТЫ перевести в положение 2.

9.3. Плавно изменяя анодное напряжение (Uа) установить анодный ток Iа = 8 мА (по шкале измерительного прибора Iа ).

9.4. Перевести переключатель ПРЕДЕЛЫ Uа в положение 2 В и по шкале измерительного прибора АНОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ определить остаточное напряжение. После измерения вернуть переключатель ПРЕДЕЛЫ Uа в положение 200 или 400 В.

10. Определение удерживающего тока.

10.1 Установить Iупр = 0.

10.2 После выполнения п.9 плавно уменьшая анодное напряжение следить за величиной Iа. При достижении Iа = Iуд произойдет выключение тиристора. Определить значение Iуд.

 

4. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА.

Отчет содержит : схему измерений, результаты исследований, пусковую характеристику и параметры тринистора: Iуд и Uос.

 

ЛИТЕРАТУРА

Ушаков В.Н. Основы радиоэлектроники и радиотехнические устройства.


 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНЗИСТОРА

 

ПО КУРСУ «ОБЩИЕ ОСНОВЫ КРИОЭЛЕКТРОНИКИ»

 

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Ознакомиться с основными параметрами транзистора и снять его статические входные и выходные, а также переходные характеристики.

Существует три схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). В данной работе исследуется схема с общим эмиттером, широко применяемая в усилителях и других устройствах.

 

2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРА.

 

2.1 Основными характеристиками транзистора в схеме с ОЭ являются входная, выходная и переходная характеристики.

 
 

2.2 Входной характеристикой называется зависимость тока базы Iб от напряжения эмиттер-база Uэб. Семейство входных характеристик Iб = ¦(Uэб) для различных значений Uэк показано на рис. 1.

Рис. 1 Входная статическая характеристика транзистора по схеме с ОЭ.

 

При увеличении Uэк входная характеристика транзистора смещается вправо, что связано с увеличением втягивания носителей заряда коллектором. Значение напряжения на переходе эмиттер-база зависит от материала транзистора.

2.3 Выходной характеристикой называется зависимость тока коллектора Iк от напряжения эмиттер-коллекторUэк. Семейство выходных характеристик Iк = f(Uэк) для различных значений Iб показано на рис. 2.

 
 

Рис. 2 Семейство выходных статических характеристик транзистора по схеме с ОЭ.

На выходной характеристике выделим области с Uэк<Uэк кас и Iк<Iко, которые являются нерабочими при усилении аналоговых сигналов. Область безопасной работы на выходной характеристике ограничена параметрами Iк макс, Uэк макс. и Рк макс =(Uэк*Iк)макс.

2.4 Переходной характеристикой называется зависимость тока коллектора Iк от тока базы Iб при постоянном напряжении эмиттер-коллектор. Семейство переходных характеристик для различных значений Uэк показано на рис. 3.

 
 

Рис. 3. Переходная характеристика транзистора.

При Iб = 0 в цепи коллектора протекает ток коллекторного перехода Iко.

2.5 Основные параметры .транзистора

2.5.1 h - параметры:

h 11Э = DUэб DIб при Uэк = const - выходное сопротивление

h 12Э = DUэб / DUэк при Iб = const - коэффициент внутренней обратной связи по напряжению.

h 21Э = DIб / DIб при Uэк = const - коэффициент передачи тока.

h 22Э = DIк / DUэк при Iб =const - выходная проводимость

Необходимо отметить, что параметры транзистора зависят от режима его работы и различны на различных участках характеристик.

Параметр h 11Э определяется по входной, а h 21Э и h 22Э - по выходной характеристикам.

 

3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

Для снятия характеристик используется лабораторный макет, упрощенная схема которого приведена на рис.4.

 
 

Рис. 4 Упрощенная схема лабораторного макета

 

На передней панели лабораторного макета расположены:

1. Тумблер ТИП ТРАНЗИСТОРА - для выбора типа транзистора. В работе использован германиевый ( N1) и кремниевый (N2) транзисторы.

2. Резистор РЕГУЛИРОВКА Uэб (R1 на схеме) - для регулировки напряжения Uэб.

3. Измерительный прибор ТОК БАЗЫ. Предел шкалы - IмА.

4. Измерительный прибор НАПРЯЖЕНИЕ ЭМИТТЕР -БАЗА (Uэб на схеме) и переключатель ПРЕДЕЛЫ Uэб.

5. Резисторы РЕГУЛИРОВКА Uэк ГРУБО и ПЛАВНО (R2 на схеме) - для регулировки напряжения Uэк.

6. Измерительный прибор НАПРЯЖЕНИЕ ЭМИТТЕР - КОЛЛЕКТОР (Uэк на схеме) и переключатель ПРЕДЕЛЫ Uэк.

7. Измерительный прибор ТОК КОЛЛЕКТОРА. Предел шкалы 100 мА.

8. Выключатель СЕТЬ и индикатор включения макета.

 

Работа выполняется в следующем порядке :

 

3.1. Снять выходные характеристики при Uэк = 0 и при Uэк= 5 В. Резистором R1 установить значение тока базы от 100 до 1000 мкА с шагом 100 мкА. Измерить Uэб. Для кремниевого транзистора – измерения провести дополнительно при 1б = 20, 40, 60 и 80 мкА.

3.2. Снять выходные характеристи при Iб = 200, 400, 600 мкА. Значение Uэк устанавливать от 0 до 0,5 В с шагом 0,1 В от 0,5 до 2 В – с шагом 0,5 В, от 2 до 10 В – с шагом 2В.

3.3. По полученным данным рассчитать h11Э, h21Э, h22Э. Режимы, при которых рассчитываются h – параметры, задает преподаватель.

3.4. Снять переходную характеристику Iк = ¦(Iб) при Uэк = 5 В. Значения тока базы выбрать с шагом 100 мкА. Измерения проводить до достижения любым измерительным прибором конечной отметки шкалы.

3.5. Построить входную, выходную и переходную характеристики.

 

 

4. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА.

Отчет оформляется один на бригаду и содержит:

цель работы, схему измерения и результаты

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Ушаков В.Н. Основы радиоэлектроники и радиотехнические устройства.

2. Герасимов В.Г. Основы промышленной электроники.


 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

ПО КУРСУ «ОБЩИЕ ОСНОВЫ КРИОЭЛЕКТРОНИКИ»

 

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Целью работы является излучение устройства, принципа работы и снятие статических характеристик полевых транзисторов с р-п переходом и МДП – типа с индуцированным каналом.

В работе исследуются транзисторы с р-каналом.

 

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ:

 

Полевой транзистор (ПТ) – это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда одного знака, протекающего через проводящий канал, и который управляется электрическим полем.

КАНАЛОМ называется центральная область транзистора. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда называется ИСТОКОМ ,а электрод, через который основные носители уходят из канала – СТОКОМ. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называется ЗАТВОРОМ.

Полевые транзисторы изготовляют из кремния и в зависимости от электропроводности исходного материала подразделяют на транзисторы с р-каналом и п-каналом. По способу изоляции затвора от канала полевые транзисторы делятся на три типа:

1) с управляющими р-п переходом, или с р-п затвором:

2) металлопроводниковым затвором, или с затвором Шотки:

3) с изолированным затвором, или МДП-транзисторы.

 

2.1. Полевой транзистор с управляющим р-п переходом.

 

 
 

В этом транзисторе затвор электрически отделен от канала закрытым р-п переходом. Работу транзистора рассмотрим на примере транзистора с р каналом. Его структурная схема и схема включения показаны на рис. 1.

 

Рис. 1 Структурная схема полевого транзистора с р-п переходом и р-каналом.

 
 

 

Рис. 2 Схема включения и условные обозначения полевого транзистора с управляющим р-п переходом и каналом р-типа.

 

В транзисторе с р каналом основными носителями являются дырки, которые движутся вдоль канала от истока с нулевым потенциалом к стоку с более высоким отрицательным потенциалом, образуя ток стока Iс. Между истоком и затвором приложено напряжение Uзи, запирающее р-п переход, образованный р-областью канала и п-областью затвора. Таким образом, в полевом транзисторе с р-каналом полярности приложенных напряжений следующие: Ucи < 0, Uзи > 0. В транзисторе с п-каналом основными носителями являются электроны, поэтому полярность напряжения обратная.

Рассмотрим работу транзистора в различных режимах.

а) пусть Uси = 0. При подаче запирающего напряжения на р-п переход между затвором и каналом на границах канала возникает равномерный слой, обеднённый носителями заряда и обладающий высоким удельным сопротивлением. Это приводит к уменьшению проводящей ширины канала.

б) пусть Uзи = 0. Напряжение сток – исток распределяется вдоль канала.При этом разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в направлении от истока к стоку, появляется неравномерный обеднённый слой и наименьшее сечение канала располагается вблизи стока. Ток стока выходит на насыщение Iсо.

В) при одновременной подаче напяжений Uси< 0 и Uзи > 0 толщина обеднённого слоя, а следовательно и сечение канала будут определяться действием этих двух напряжений. При этом минимальное сечение канала определяется их суммой. Когда суммарное напряжение достигает напряжения запирания.

Uзи+ |Uси| =Uзап

Обедненные области смыкаются и сопротивление канала резко возрастает. Ток стока при этом снижается практически до нуля.

 

 
 

Рис. 3 Выходные характеристики полевого транзистора с р-п переходом и р-каналом.

 

На рис. 3 приведены выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора: зависимость тока стока от напряжения сток-исток при постоянных напряжениях затвор-исток.

На начальном участке характеристики ½Uси½ до величины, когда Uси = Uзап –Uзи происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока Iс прекращается (участок насыщения). Увеличение напряжения Uзи смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений ½Ucи½ и Iс. Участок насыщения является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора. По выходным характеристикам строят передаточную характеристику – зависимость тока стока Iс от напряжения затвор – исток Uзи. (рис.4).

 
 

Рис. 4 Передаточная характеристика полевого транзистора с р-п переходом и р каналом

 

На участке насыщения передаточная характеристика практически не зависит от напряжения Ucи. Входная характеристика полевого транзистора – зависимость тока утечки затвора Iз от напряжения затвор-исток обычно не используется, так как при Uзи >0 р-п переход между затвором и каналом закрыт и ток затвора очень мал (Iз=1-10 мА), поэтому в большинстве случаев его можно не принимать во внимание.

 

2.3 Полевой транзистор с затвором Шотки.

В этих ПТ управление сопротивлением канала осуществляется изменением под действием напряжения затвора толщины выпрямляющего перехода, образованного на границе между металлом и полупроводником. По сравнению с р-п переходом выпрямляющий переход металлополупроводник позволяет существенно уменьшить длину канала до 0,5 – 1 мкм. При этом значительно уменьшаются и размеры всей структуры ПТ, вследствие чего ПТ с барьером Шоттки способны работать на более высоких частотах до 50 – 80ГГц

 

2.4. Полевые транзисторы с изолированным затвором.

Эти ПТ имеют структуру металл – диэлектрик – полупроводник и называются кратко МДП – транзисторами. Если в качестве диэлектрика используется оксид кремния, то их называют также МОП – транзисторами.

Существует две разновидности МДП – транзисторов – с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП – транзисторах с индуцированным каналом р-типа (рис.5) области стока и истока р-типа образуют с п-областью подложки два встречно включенных р-п перехода и при подключении к ним источника любой полярности ток в цепи будет отсутствовать

 

 

Рис. 5 Структура МДП транзистора с индуцированным каналом р-типа

 

Если же на затвор относительно истока и подложки подать отрицательное напряжение, то при достаточном значении этого напряжения в приповерхностном слое полупроводника, расположенном под затвором, произойдет инверсия типа электропроводности и р-области стока и истока окажутся соединенными каналом р-типа. Такое напряжение затвора называют пороговым (Uзи пор). С увеличением отрицательного напряжения затвора увеличивается глубина проникновения инверсного слоя в полупроводник, что соответствует увеличению толщины канала и уменьшению его сопротивления.

Передаточные и выходные характеристики ПТ с индуцированным каналом р- типа представлены на рис..6.

 
 

Рис. 6 Передаточная (а) и выходная (б) характеристикиМДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа

Падение напряжения на сопротивлении канала уменьшает напряжение между затвором и каналом и толщину канала. Наибольшее сужение канала будет у стока, где напряжение Uсо оказывается наименьшим (Uсз=Uси - Uзи).

В МДП транзисторах со встроенным каналом между областями стока и истока уже в стадии изготовления создается тонкий приповерхностный слой (канал) с таким же типом электропроводности, какую имеет сток и исток. Поэтому в таких транзисторах начальный ток стока Iсо протекает и при Uзи=0. Напряжение на затворе положительной полярности выталкивает носителя заряда из канала, сужает канал и уменьшает ток стока (режим обеднения), а отрицательной полярности притягивает носители заряда в канал, расширяет его и увеличивает ток стока (режим обогащения).

 
 

Передаточная и выходные характеристики такого транзистора представлены на рис. 7

 

Рис.7. Передаточная (а) и выходная б) характеристики МДП – транзистора со встроенным р-каналом.

 

2.5 Параметры полевых транзисторов

1. Начальный ток стока Iсо – ток стока при Uзи=0

2. Напряжение запирания Uзи зап – напряжение затвора, при котором канал полностью перекрывается, а ток стока уменьшается до долей микроампера.

3. Крутизна передаточной характеристики – характеризует усилительные свойства транзистора

S=dIc/dUзи при Ucи=const

4. Дифференциальное выходное сопротивление – сопротивление канала ПТ переменному току

Rдиф = dUси /dIc при Uзи=const

5. Статический коэффициент усиления

m=Rвых*S

6. Пороговое напряжение Uпор (для МДП ПТ с индуцированным каналом) – напряжение, при достижении которого появляется ток стока.

.

 

3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА

В работе использован лабораторный макет, в котором расположены источники питания, органы регулировки и контроля параметров . Исследуются два транзистора :

1.МДП с индуцированным р-каналом – один из транзисторов сборки К547КП1Б.

2. ПТ с р-п переходом и р-каналом – КП103М.

 

На передней панели макета расположены:

 

1. Переключатель ТИП ТРАНЗИСТОРА – 1 или 2.

2. Резистор РЕГУЛИРОВКА Uзи – для регулировки напряжения на затворе.

3. Резистор РЕГУЛИРОВКА Uси - для регулировки напряжения на стоке .

4. Тумблер и индикатор СЕТЬ –включение макета.

5. Измерительные приборы для измерения Uзи,Uси и 1с. Полярность напряжения на затворе изменяется при переключении типа транзистора.

 
 

Схема макета представлена на рис.8.

 

R1 - РЕГУЛИРОВКА Uзи;

R2 - РЕГУЛИРОВКА Uси;

SA1- ТИП ТРАНЗИСТОРА (показан в положении № 2);

U1 - вольтметр Uзи;

U2 - вольтметр Uси;

mA - миллиамперметр Iс;

UT1 – КП103М;

UT2 – К547КП1Б (один транзистор).

 

Рис.8. Схема макета.

 

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

 

 

1. Включить макет.

2. Установить тип транзистора № 1 (МДП).

Снять передаточные характеристики ( Iс = f (Uзи)) при Uси = 4 В и Uси = 10 В.

3. Определить значение Uзи пор.

4. Снять выходные характеристики (I с = f (Uси)) при Uзи = 5В, Uзи = 6В и Uзи = 7В.

5. Установить тип транзистора № 2 ( р-п затвор).

6. Снять передаточные характеристики при Uси = 4В и 10В.

7. Определить значение Uзап.

8. Снять выходные характеристики при изменении Uзи = 0 до Uзи =3В с шагом 1В.

9. По полученным данным построить передаточные и выходные характеристики для двух типов ПТ и определить параметры : Iс о, S , Rдиф, m, Uзи зап ,Uзи пор. Режимы для расчетов выбрать по согласованию с преподавателем.

10. Выключить макет и сдать рабочее место.

 

5. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

 

Отчет оформляется один на бригаду и содержит: цель работы, схему измерений, результаты измерений, выводы по работе.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. В.И.Галкин. Промышленная электроника . учебное пособие.Мн. Высш. школа, 1989.

2. В.Г.Герасимов и др. Основы промышленной электроники. Учебное издание. М. Высш.школа 1986.

№

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ И ФИЛЬТРОВ

 

ПО КУРСУ «ОБЩИЕ ОСНОВЫ КРИОЭЛЕКТРОНИКИ»