Лекция 6. ИЗМЕРЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ.

ПЛАН

1. Измерение вольтамперной характеристики диодов.

2. Измерение параметров биполярных транзисторов.

6.1. ИЗМЕРЕНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДОВ.

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с

р-п переходом и двумя выводами. Все его свойства обусловлены нелинейностью вольтамперной характеристики (ВАХ) и огромным различием сопротивления при смене полярности приложенного напряжения. Это обусловлено тем, что при прямом смещении (когда плюс источника напряжения присоединен к р-области диода), ток обусловлен основными носителями заряда, а при обратном смещении (когда плюс источника соединен с п-областью) – неосновными носителями, концентрация которых на много порядков ниже концентрации основных носителей заряда.

Существует большое количество различных классов диодов, имеющих различное назначение. Но все их свойства на низких частотах достаточно полно определяют их ВАХ, снятые на постоянном токе. На ВАХ диода (рис.6.1) прямая ветвь соответствует U > 0, а обратная U< 0. Они отличаются дифференциальным сопротивлением R_д = dU / dI, поэтому необходимая точность определения параметров может быть достигнута при соблюдении определенных условий измерения.

Рис. 6.1. Вольтамперная характеристика диода.

При измерении прямой ветви ВАХ целесообразно задавать постоянный ток I _пр и измерять прямое падение напряжения U _пр . Это требование означает, что внутреннее сопротивление источника питания должно быть существенно больше сопротивления диода, т.е. источник должен быть источником тока по отношению к диоду. При этом вольтметр должен быть подключен только к диоду (рис.6.2-а), поскольку сопротивление диода в прямом направлении сравнимо с внутренним сопротивлением измерителя тока (обычно – миллиамперметра).

При измерении обратной ветви ВАХ (за исключением области пробоя) не6обходимо задавать обратное напряжение U _обр и измерять обратный ток I_обр ; источник питания должен иметь малое сопротивление по сравнением с сопротивлением диода и быть источником напряжения по отношению к диоду. При этом измеритель тока (обычно – микроамперметр) должен быть включен только в цепь диода (рис.6.2-б). В противном случае он будет измерять суммарный ток – через диод и вольтметр, сопротивления которых сравнимы по величине.

Рис. 6.2. Схемы измерения прямой (б) и обратной (в) ветви ВАХ

полупроводниковых диодов.

Стабилизированный источник постоянного тока обеспечивает дискретные значения прямого тока в диапазоне изменения прямого напряжения ( обычно U £ 1 В ) для испытуемого диода VD.

Измерение прямого падения напряжения на диоде осуществляется высокоомным (10 ⁶ – 10 ⁹ Ом) цифровым вольтметром постоянного тока, а контроль дискретных значений тока – магнитоэлектрическим или цифровым миллиамперметром. Падение напряжения на контактной системе и в соединительных проводах не должно превышать 1-2 % от максимального возможного значения прямого напряжения на диоде.

Стабилизированный источник напряжения подает на испытуемый диод заданные значения обратного напряжения, которые контролируются цифровым или магнитоэлектрическим вольтметром. Значение обратного тока измеряется микроамперметром (или даже наноамперметром) постоянного тока. Обратный ток удобнее измерять косвенным путем , включив в цепь диода известное сопротивление R _o , на котором цифровым вольтметром измеряется падение напряжения U _o и вычисляется значение обратного тока I_обр= U _o / R _o. По результатам измерений определяют коэффициент выпрямления диода К _выпр = I _пр / I _обр = R_обр / R _пр .

Для оценки частотных свойств диодов снимают (рис. 6.3) частотные характеристики I _выпр (f ) . От измерительного генератора на диод подается переменное напряжение неизменной амплитуды, но различной частоты. Напряжение U _o на резисторе R _o , пропорциональное средневыпрямленному значению тока, измеряется при различных значениях частоты. Емкость конденсатора выбирают такой, чтобы его емкостное сопротивление при минимальной частоте было значительно меньше сопротивления резистора R_o.

Рис. 6.3. Схема измерения частотной характеристики диода.

6.2. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ.

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующий р-п перехода и три вывода и пригодный для усиления электрических сигналов.

Название транзистора («биполярный») отражает то, что физические процессы в нем определяются движением носителей заряда обоих типов – электронов и дырок. Этим БТ отличаются от униполярных (полевых) транзисторов, принцип действия которых основан на управлении движением носителей заряда какого-либо одного типа.

Взаимодействие р-п переходов состоит в том, что расстояние между ними – толщина базовой области должна быть намного меньше диффузионной длины носителей заряда, инжектированных эмиттерным (левым на рис. 6.4) переходом, для того, чтобы они смогли без рекомбинации достигнуть коллекторного (правого на рис. 6.4) перехода.

Рис. 6.4. Схематическое устройство биполярного транзистора.

В нормальном («активном») режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. При этом их сопротивления отличаются на много порядков, благодаря чему при постоянном токе через оба перехода мощность сигнала на нагрузке коллектора будет намного превышать входную мощность в цепи эмиттера. Этим и объясняется усилительное свойство БТ.

Используются три основные схемы включения БТ, показанные на рис.6.5 а) схема с общей базой (ОБ); б)общим эмиттером (ОЭ); в) общим коллектором (ОК). В наиболее часто используемой схеме ОЭ основным параметром БТ является коэффициент передачи тока базы b = D I _k / D I _б . При этом всегда ток коллектора равен сумме тока эмиттера и тока базы: I _к = I _э + I _б , но последний намного меньше тока эмиттера. За счет этого и достигается усиление не только мощности, но и тока в схеме ОЭ.

Рис. 6.5. Основные схемы включения БТ: с ОБ (а), ОЭ (б) и ОК (в).

При проектировании и расчете схем с БТ, а также при их изготовлении, широко используют их ВАХ (входные и выходные), дающие представление о качестве и свойствах транзистора при различных значениях тока и напряжения и позволяющие определить его параметры.

ВАХ можно измерить различными способами: на постоянном токе – цифровыми вольтметрами и амперметрами; на низкой частоте – характериографом, позволяющим визуально (на экране электронного осциллографа) наблюдать семейство характеристик в широком диапазоне изменения тока и напряжения. Измеряют следующие параметры, которые указываются в паспортных данных и технических условиях (ТУ) на каждый тип транзистора :

1) Обратный ток коллекторного перехода I _ко – ток через переход коллектор – база при отключенном эмиттере и заданном напряжении на коллекторе. Схема его измерения для БТ п-р-п типа показана на рис. 6.6-а. При измерении I _ко для БТ р-п-р типа полярность источника и микроамперметра изменяют на обратную.

В зависимости от типа БТ ток I _ко у маломощных транзисторов при температуре 20 ⁰ С не должен превышать 10-20 мкА. Значение I _ко задают для определенного значения напряжения на коллекторе.

2) Обратный ток эмиттерного перехода I _{эо -} начальный тепловой ток обратносмещенного эмиттерного перехода – измеряют при разомкнутой цепи коллектора и определенном заданном напряжении на эмиттере (рис. 6.6-б).

3) Начальный ток коллекторного перехода измеряется с схеме с ОЭ при нулевом напряжении между базой и эмиттером (рис. 6.6-в).

4) Напряжение насыщения U _к.н. коллекторного тока является характерной точкой на выходной ВАХ транзистора и представляет собой условную границу между активным режимом и режимом насыщения (когда оба перехода смещены в прямом направлении). Его изменяют при нулевом напряжении между коллектором и базой и максимальном паспортном токе коллектора (рис. 6.6-г).

3) Статический коэффициент передачи В _ст = I _k / I _э тока измеряют по схеме рис. 6.7. При заданном значении I _ко = 2-20 мкА В _ст = 100-300.

Рис. 6.6. Схемы измерения параметров транзисторов:

обратного тока коллекторного (а) и эмиттерного (б) переходов,

начального тока коллекторного перехода (в) и напряжения насыщения коллекторного тока (г).

Рис. 6.7. Схема измерения коэффициента передачи

транзистора в схеме с ОЭ.