Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Автоматика і телемеханіка
Інформація про роботу
Рік:
2004
Тип роботи:
Контрольна робота
Предмет:
Електроніка та мікросхемотехніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
Кафедра «Автоматика і телемеханіка»
КОНТРОЛЬНА РОБОТА
з навчальної дисципліни
„Електроніка та мікросхемотехніка”
ЛЬВІВ – 2004
Завдання №1. Опишіть принцип роботи і побудови, основні параметри і характеристики, умовне позначення і область застосування польового транзистора з керуючим n-p переходом.
Широке поширення отримали польові транзистори, які називають також канальними або уніполярними на відміну від біполярний транзисторів. Ідею побудови цих приладів запропонував в 1952 р. один з винахідників біполярний транзистора У. Шоклі. Головна перевага польових транзисторів - високий вхідний опір, який може бути таким же, як і в електронних лампах, і навіть більший. У цей час біполярні транзистори все частіше витісняються польовими.
Принцип роботи і ввімкнення польового транзистора з керуючим n-p-переходом, а також його умовне графічне позначення показані на рис.1. Пластинка з напівпровідника, наприклад, n-типу має на протилежних кінцях електроди, за допомогою яких вона ввімкнена у вихідне (кероване) коло підсилювального каскаду. Це коло живиться від джерела E2, і в нього ввімкнене навантаження Rн. Вздовж транзистора проходить вихідний струм основних носіїв. У нашому прикладі це електронний струм. Вхідне (керуюче) коло транзистора утворене за допомогою третього електрода, що являє собою область з другим типом електропровідності. У нашому випадку це р-область. Джерело живлення вхідного кола Е1 створює на єдиному п-р-переході даного транзистора зворотну напругу. Напругу іншої полярності, тобто пряму напругу, на п-р-перехід не подають, оскільки тоді вхідний опір буде дуже малим. У вхідне коло ввімкнене джерело підсилюваних коливань ДК.
Фізичні процеси в польовому транзисторі відбуваються таким чином. При зміні вхідної напруги змінюється зворотна напруга на n-р-переході, і від цього змінюється товщина закриваючого (збідненого) шару, обмеженого на рис.1.1 штриховими лініями. Відповідно цьому змінюється площа поперечного перетину області, через яку проходить потік основних носіїв заряду, тобто вихідний струм. Ця область називається каналом.
Електрод, з якого в канал витікають основні носії заряду, називають витоком (В). З каналу носії проходять до електрода, який називається стоком (С). Витік і стік аналогічні катоду і аноду електронної лампи відповідно. Керуючий електрод, призначений для регулювання площі поперечного перетину каналу, називається затвором (3), і в якійсь мірі він аналогічний сітці вакуумного тріода або базі біполярний транзистора, хоч, звичайно, за фізичним принципом роботи затвор і база цілком різні.
Якщо збільшувати напруги затвора Uз-в, то закриваючий шар n-р-переходу стає товстіший і площа поперечного перетину каналу зменшується. Отже, його опір постійному струму R0 зростає і струм стоку іс стає меншим. При деякому значенні закриваючої напруги uз-в.зап. площа поперечного перетину каналу стане рівною нулю і струм iс буде дуже малим. Транзистор закривається. А при Uз-в = 0 перетин каналу найбільший, опір R0 найменший, наприклад декілька сотень ом, і струм iс виходить найбільшим. Для того, щоб вхідна напруга можливо більш ефективно керувала вихідним струмом, матеріал основного напівпровідника, в якому створений канал, повинен бути високоомним, тобто з невисокою концентрацією домішок. Тоді закриваючий шар в ньому виходить більшої товщини. Крім того, початкова товщина самого каналу (при Uз-в = 0) повинна бути досить малою. Звичайно вона не перевищує декількох мікрометрів. Закриваюча напруги U(з-в).зак. при цих умовах складає одиниці вольт.
Оскільки вздовж каналу потенціал підвищується по мірі наближення до стоку, то ближче до стоку зворотна напруга n-р-переходу збільшується і товщина закриваючого шару збільшується.
Польові транзистори з керованим n-р-переходом можуть бути виготовлені сплавленням або дифузією. Кращими є дифузійні транзистори. На рис.1.2 зображений принцип побудови дифузійного польового транзистора, виготовленого за планарно-епітаксіальною технологією. Для прикладу показаний канал р-типу (очевидно, він може бути і n-типу). Області витоку і стоку звичайно виготовляють з напівпровідникового матеріалу з підвищеною провідністю (електропровідність p+-типу), щоб зменшити некорисний спад напруги і втрату потужності в цих областях. Підвищену провідність має і область затвора (електропровідність n+-типу). Це забезпечує збільшення товщини закриваючого шару головним чином у бік каналу, тобто підсилює керуючу дію затвора. Кристал транзистора (підклад) є областю n-типу, від якої часто роблять окремий вивід. Тоді кристал може бути використаний як додатковий затвор. Подаючи, наприклад, на нього деяку постійну напругу, встановлюють початкову товщину каналу.
Сплавні польові транзистори є низькочастотними, а дифузійні можуть працювати на частотах до десятків і навіть сотень мегагерц. Потрібно зазначити, що саме переміщення основних носіїв по каналу відбувається під дією прискорюючого поля дуже швидко, і тому гранична частота визначається не цим процесом, а впливом власних ємностей транзистора.
Характеристики і параметри польових транзисторів. Керуючу дію затвора наочно ілюструють керуючі (стоково-затворні ) характеристики, що виражають залежність iс = f (uз-в) при Uс-в = const (рис.1.3). Однак, ці характеристики незручні для розрахунків, і тому на практиці користуються вихідними характеристиками.
На рис.1.4 зображені вихідні (стокові) характеристики польового транзистора iс = f (Uс-в) при Uз-в = const. Вони показують, що із збільшенням Uc-в, струм спочатку росте досить швидко, а потім це наростання сповільнюється і майже зовсім припиняється, тобто наступає явище, що нагадує насичення. Це пояснюється тим, що при підвищенні Uс-в струм повинен збільшуватися але оскільки одночасно підвищується зворотна напруга на n-р-переході, то закриваючий шар розширяється, канал вужчає, тобто його опір зростає, і за рахунок цього струм iс повинен зменшитися. Таким чином, мають місце два взаємно протилежних впливи на струм iс, який в результаті залишається майже незмінним.
При подачі більшої за абсолютним значенням від’ємної напруги на затвор струм iс зменшується і стокова характеристика проходить нижче.
Підвищення напруги стоку зрештою приводить до електричного пробою n-р-переходу, і струм стоку починає лавиноподібно наростати, що показано на малюнку штриховими лініями. Напруга пробою є одним з граничних параметрів польового транзистора.
Робота транзистора звичайно відбувається на пологих дільницях характеристик, тобто в області, яку часто не зовсім вдало називають областю насичення. Напруга, при якій починається ця область, іноді називають напругою насичення, а закриваюча напруга затвора інакше ще називається напругою відсічки.
Потрібно зазначити, що для транзисторів з каналом р-типу полярність напруг живлення протилежна тим, які показані на рис.1.1, рис.1.3 і рис.1.4 для транзисторів з каналом n-типу.
Польовий транзистор характеризується наступними параметрами. Основний параметр крутизна S, аналогічна параметру у21 біполярних транзисторів. Крутизна визначається за формулою
S = у21 =ic/uз-в, при uc-в = const (1.1)
і може складати значення до декількох міліампер на вольт.
Крутизна характеризує керуючу дію затвора. Наприклад, S = 3 мА/В означає, що зміна напруги затворі на 1 В створює зміну струму стоку на 3 мА.
Другий параметр - внутрішній (вихідний) опір Rі, аналогічний величині 1/у22 для біполярного транзистора. Цей параметр являє собою опір транзистора між стоком і витоком (опір каналу) для змінного струму і описується формулою
Ri = 1/у22 = uс-в/iс при uз-в = const. (1.2)
На пологих ділянках вихідних характеристик значення Rі досягає сотень кілоом і є у багато разів більший опору транзистора для постійному струму R0.
Іноді користуються ще третім параметром - коефіцієнтом підсилення ( , який показує, у скільки разів сильніше діє на струм стоку зміна напруги на затворі, ніж зміна напруги на стоку. Коефіцієнт підсилення визначається формулою
( = -Uс-в/Uз-в при iс = const, (1.3)
тобто дорівнює відношенню таких змін Uс-в і Uз-в, які компенсують одна одну по дії на струм ic, внаслідок чого цей струм залишається незмінним. Оскільки для подібної компенсації Uс-в, і Uз-в повинні мати різні знаки (наприклад, збільшення ( повинно компенсуватися зменшенням іс), то в правій частині формули (1.3) стоїть знак «мінус». Інакше, можна замість цього взяти абсолютне значення правої частини. Коефіцієнт підсилення пов'язаний з параметрами S і Rі простою залежністю
( = SRі. (1.4)
Для пологих ділянок вихідних характеристик ( досягає сотень і навіть тисяч. У початковій області цих характеристик, коли вони йдуть круто (при малих значеннях uс-в), значення всіх трьох параметрів зменшуються. Параметри S і Rі для заданого режиму можна визначати з вихідних характеристик за методом двох точок, подібно тому як це робилося для біполярних транзисторів, а ( треба обчислювати за формулою (1.4).
Вхідний опір польового транзистора визначається, як звичайний, за формулою
Rвх = uз-в,/ із, при uс-в = const. (1.5)
Оскільки струм iз - зворотний струм n-р-переходу, а значить, дуже малий, то Rвх досягає одиниць і десятків мегаом. Польовий транзистор має також вхідну ємність між затвором і витоком Сз-в, яка є бар'єрною ємністю п-р-переходу і складає одиниці пікофарад у дифузійних транзисторів і десятки пікофарад у сплавних. Менші значення має прохідна ємність між затвором і стоком Сз-с, а самої малою є вихідна ємність між витоком і стоком Сс-в.
Схеми ввімкнення польових транзисторів. Подібно до біполярних транзисторів польовий транзистор можна бути ввімкнений за одною з трьох основних схем. На рис.1.7 показана одна з схем, яка найчастіше використовується - ввімкнення із спільним витоком (СВ), аналогічна схемі із спільним емітером. Каскад із спільним витоком дає дуже велике підсилення за струмом і потужності і повертає фазу напруги при підсиленні на 180о. Оскільки звичайно Rн « Rі то коефіцієнт підсилення каскаду за напругою можна підрахувати за формулою
Ku = SRH, (1.6)
яка аналогічна формулі для каскаду із спільним емітером.
На рис.1.5 показана еквівалентна схема (схема заміщення) польового транзистора для ввімкнення його із спільним витоком. Оскільки Rвх дуже великий, то його можна не враховувати. Для низьких частот у багатьох випадках можна вилучити з схеми ємності. Генератор струму SUm.вх відображає підсилення, що здійснюється транзистором, а опір Rі, є опором каналу для змінного струму, тобто вихідний опір. До вхідних затискачів під’єднується джерело коливань, а до вихідних - навантаження.
У практичних схемах підсилювальних каскадів звичайно застосовується живлення від одного джерела Е2, як це показано на рис.1.6 для транзистора з п-каналом. Для отримання постійної зворотної напруги на керуючому n-р-переході в коло витоку вводиться резистор Rв, який зашунтований конденсатором Св. Постійний струм стоку Iс0 створює на резисторі Rв напруги Uз-в, = Iс0 Rв, яка через джерело коливань ДК подається на n-р-перехід. Опір RH розраховується за формулою RH = U(з-в)о /Iсо· Величини U(з-в)0 і Iс0 можуть бути визначені для вибраного режиму роботи з вихідних характеристик. Через конденсатор Св проходить змінна складова напруги. Польові транзистори можуть добре працювати в більш широкому інтервалі температур. При підвищенні температури спостерігається тільки значне збільшення струму затвора (струму неосновних носіїв), але все ж він залишається досить малим, і тому вхідний опір зберігає високі значення. Польовий транзистор створює менші шуми і має більш високу стійкістю до впливу іонізуючого випромінювання. За радіаційною стійкістю ці транзистори наближаються до електронних ламп. Недолік багатьох польових транзисторів - порівняно невисока крутизна.
Як правило, випускаються кремнієві польові транзистори. Кремній застосовується тому, що струм затвора, тобто зворотний струм n-р-переходу, виходить у багато разів менший, ніж у германію. При температурі 20 °С постійний струм затвора може становити всього лише 1 нА, тобто 10-9 А.
Завдання №2. Наведіть еквівалентну схему тетрода для високих частот, вкажіть його параметри і поясніть їх зміст.
Чотириелектродні лампи, чи тетроди, мають другу сітку, яку називають екрануючою і яка розташовану між керуючою сіткою та анодом. Призначення екрануючої сітки - підвищення коефіцієнта підсилення за напругою μ і внутрішнього опору Ri, а також зменшення прохідної ємності Сa-g1. Для величин, що відносяться до екрануючої сітки, прийнятий індекс g2, а до керуючої сітки - g1.
Якщо екрануюча сітка, з'єднана з катодом, то вона екранує катод і керуючу сітку від дії анода, "перехоплюючи" велику частину силових ліній електричного поля анода. Ослаблення поля анода екрануючою сіткою враховується проникністю цієї сітки D2.
Частина силових ліній, що проникають через екрануючу сітку далі "перехоплюється" керуючою сіткою. Ослаблення поля керуючою сіткою залежить від її проникності D1. Таким чином, крізь обидві сітки від анода до потенціального бар'єра біля катода проникає незначна частина силових ліній. Вона характеризується добутком проникностей сіток, що називається проникністю тетрода D
(2.1)
Значення D показує, яку частку впливу напруги керуючої сітки на катодний струм складає вплив напруги анода. Наприклад, якщо D=0,01, це означає, що зміна анодної напруги на 1 В впливає в 100 разів менше, ніж така ж зміна сіткової напруги.
Приблизно проникність - величина, зворотна коефіцієнту підсилення
(2.2)
Якщо через сітку, що екранує, проникає 2 % всіх електричних силових ліній, що виходять з анода, а керуюча сітка пропускає 10% з цих двох відсотків, то до катода дійде лише 0,2 % усіх силових ліній. Дія анода на потенціальний бар'єр у катода послабляється в 500 разів, тобто коефіцієнт підсилення лампи приблизно дорівнює 500.
Коефіцієнт підсилення тетрода може складати кілька сотень. Внутрішній опір також досягає сотень кілоом.
Отже, за допомогою двох сіток підвищується коефіцієнт підсилення і внутрішній опір. Розглянемо діючу напругу тетрода. Спільна дія напруг анода, що екранує і керує сіткою заміняється впливом діючої напруги Uд, прикладеного до анода еквівалентного діода, якщо цей анод поставити на місце керуючої сітки
(2.3)
Ця формула показує, що дія екрануючої сітки послабляється тільки керуючою сіткою (Ug2 збільшується на D1), а дія анода ослаблена обома сітками (Ua збільшується на D1D2).
Тепер можна записати закон степені трьох других для тетрода
(2.4)
де коефіцієнт g залежить від геометричних розмірів електродів.
Катодний струм у тетроді є сумою всіх струмів
(2.5)
При від’ємній напрузі керуючої сітки Іgl = 0 і
(2.6)
На екрануючу сітку подається додатна напруга, яка складає (20 – 50) % анодної. Воно знижує потенціальний бар'єр біля катода. Анод через дві сіток дуже слабко діє на потенціальний бар'єр. Якщо напруга екрануючої сітки дорівнює нулю, а на керуючій сітці напруга від’ємна то результуюче поле на ділянці керуюча сітка-катод буде гальмуючим.
Струм екрануючої сітки іg2 створюється електронами, що попадають на цю сітку. Якщо напруга анода вища, ніж напруга сітки, що екранує, струм іg2 значно менший анодного, тому що основна маса електронів з великою швидкістю пролітає крізь екрануючу сітку. У виразі (2.3) доданок DlD2Ua можна не враховувати, тому що DlD2 «1
(2.7)
Щоб замкнути лампу, треба мати UД = 0. Тоді iк = 0. З виразу (2.7) знайдемо сіткову напругу, що замикає лампу
(2.8)
Оскільки керуюча сітка негуста, а напруга Ug2 досить велика, то напруга, що зачиняє велика, тобто анодно-сіткові характеристики виходять "лівими". Розглянемо за спрощеною еквівалентною схемою (рис.2.1) зменшення прохідної ємності C(a-g)1 за рахунок екрануючої сітки.
Рис.2.1. Еквівалентна схема, що показує зменшення прохідної ємності за допомогою екрануючої сітки
Джерела живлення вилучені, тому що схема розглядається тільки для ємнісного змінного струму. Без екрануючої сітки сітковий і анодний ланцюги були б зв'язані через прохідну ємність Ca-g1. Якщо введена екрануюча сітка С2, з'єднана з катодом, то для ємнісного струму є два шляхи. Перший - від сітки С2 через провід, що з'єднує цю сітку з катодом, назад у джерело коливань. Другий - від сітки С2 через ємність між цією сіткою й анодом, а потім через навантаження RH назад у джерело. Другий шлях має опір у багато разів більший, ніж перший. Тому майже весь ємнісний струм іg пройде по першому шляху. Ємнісний зв'язок між сітковим і анодним ланцюгами майже цілком усунутий.
Якщо, наприклад, крізь екрануючу сітку проходить 2 % силових ліній, які виходять з анода, то взаємодія між зарядами анода і керуючої сітки послабляється в 50 разів і в стільки ж разів зменшується ємність Сa-g1. Чим густіше екранує сітка, тим у більшому ступені зменшується прохідна ємність. Тому що силові лінії електричного поля частково проникають від анода до керуючої сітки не через екрануючу сітку, а обхідним шляхом, то прохідна ємність трохи збільшується. Її зменшують, застосовуючи металеві екрани, що перехоплюють силові лінії поля. На рис.2.2 показаний варіант конструкції тетрода. Анод для наочності розрізаний. Прохідна ємність створюється також між проводами анода і керуючої сітки. Для її зменшення виводи анода і керуючої сітки розносять далі один від одного. Вивід анода протягають на верх балона, а вивід керуючої сітки - на цоколь (чи навпаки). Екранування анодного ланцюга від сіткового роблять і поза лампою, у схемі.
Недолік тетрода - динатронний ефект ("провал" у характеристиці). Електрони, вдаряючи в анод, вибивають з нього вторинні електрони. У діодах і тріодах це не викликає наслідків, тому що вторинні електрони, що вилетіли з анода, повертаються на нього. Адже анод має найбільший додатний потенціал.
Рис.2.2. Конструкція тетрода:
1 - вивід анода; 2 - екран; 3 - катод; 4 - керуюча сітка; 5 - анод; 6 - екрануюча сітка; 7 – екран
У тетроді вторинна емісія анода не відіграє ролі, якщо напруга екрануючої сітки менша за напруги анода. При цій умові вторинні електрони повертаються на анод. Якщо ж тетрод працює з навантаженням, то при збільшенні анодного струму напруга анода в деякі моменти може стати меншою напруги екрануючої сітки. Тоді вторинні електрони анода притягаються до екрануючої сітки. Виникає струм вторинних електронів, спрямований протилежно до струму первинних електронів. Загальний анодний струм зменшується, а струм екрануючої сітки збільшується. Це і є динатронний ефект анода. На рис.2.3 показані потоки електронів, що відповідають струму іа1 первинних електронів, що попадають на анод, струму сітки, що екранує, ig21, утвореному первинними електронами, і струму вторинних електронів І2, що летять з анода на екрануючу сітку. Результуючі струми
i (2.9)
Не слід ототожнювати динатронний ефект з вторинною емісією, що є необхідною, але недостатньою умовою для виникнення динатронного ефекту. Друга умова полягає в тому, що напруга анода повинна бути нижче напруги екрануючої сітки. Якщо вторинна емісія є, але друга умова не виконується, динатронного ефекту не буде.
Якщо підвищувати анодну напругу, коли вона значно менше напруги екрануючої сітки, то за рахунок збільшення струму вторинних електронів анодний струм зменшується. У цьому режимі внутрішній опір тетрода від’ємний тому, що додатному збільшенню Δuа відповідає від’ємне збільшення Δiа
(2.10)
Прилад з від’ємним опором може працювати як генератор. Динатронний ефект у тетроді шкідливий тому, що із-за нього створюються сильні спотворення при підсиленні. Невигідно і те, що струм екрануючої сітки більший від корисного анодного струму. Може також виникнути небажана паразитна генерація коливань. Для усунення динатронного ефекту постійна напруга екрануючої сітки завжди повинне бути меншою за анодну напругу.
Рис.2.3. Струми в тетроді при динатронному ефекті
На схемі підсилювального каскаду з тетродом (рис.2.8) крім ємностей Cg1-к, Ca-g1 і Са-к показані ємність між сітками C (g1-g)2, ємність анод — екрануюча сітка Са-g2 і ємність екрануюча сітка - катод Cg2-к
Вхідна ємність тетрода в режимі навантаження
(2.11)
Прохідна ємність Са-g1 у тетроді складає соті частки пікофарад. Тому значення Са-g1 (1+K) набагато менше, ніж перші доданки. Вважають
. (2.12)
У тетрода вхідна ємність у режимі навантаження значно менша, ніж у тріода.
Вихідна ємність тетрода
(2.13)
що трохи більше, ніж у тріода (для нього було Свых = Са-к.
Рис.2.4. Схема підсилювального каскаду на тетроді для високих частот
Завдання №3. За статичними характеристиками польового транзистора з ізольованим затвором та р-каналом та визначити його крутизну S і внутрішній опір rсв.
Вибираємо кремнієвий високочастотний польовий транзистор з ізольованим затвором та каналом р-типу типу КП301Б. Стоково-затворна характеристика вибраного транзистора наведена на рис.3.1.
Рис.3.1. Стоково-затворна характеристика польового транзистора типу КП301Б
Для визначення крутизни S на стоково-затворній характеристиці вибираємо робочу точку N. Через цю точку проводимо дотичну АВ до стоково-затворної характеристики при напрузі 15В. На дотичній, будуємо характеристичний трикутник АВС, який використовуємо для визначення крутизни польового транзистора.
Для визначення внутрішнього опору польового транзистора використовуємо сімейство стокових характеристик, які наведена на рис.3.2.
Рис.3.2. Сімейство стокових характеристик польового транзистора типу КП301Б
На стоковій характеристиці при напрузі Uзв=13В вибираємо робочу точку R. Через цю точку проводимо дотичну ас до стокової характеристики і будуємо характеристичний трикутник аbс, який використовуємо для визначення внутрішнього опору польового транзистора.
Література
Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.: Энергоатомиздат, 1989.
Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. – С-П.: КОРОНА принт, 1998.
Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. – М.: Энергия, 1973.
Виноградов Ю.В. Основы электронной и полупроводниковой техники. – М.: Энергия, 1972.
Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. Ч.1. Электронные устройства информационной автоматики. – К.: Выща шк., 1989.
Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. – М.: Высшая школа, 1987.
Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. – К.: Техніка, 1984.
06.02.2014 19:02-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора