Министерство образования Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Магнитогорский государственный технический
университет им. Г. И. Носова»
А. С. Сарваров
Д. М. Мазитов
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Лабораторный практикум
Магнитогорск
2009
УДК 621.38
Сарваров А. С., Мазитов Д. М.
Твердотельная электроника. Лабораторный практикум: Учеб,
пособие для студентов специальности 210106 и других специальностей,
изучающих электронику и основы электроники. Магнитогорск:
ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. 58 с.
Рецензенты:
доктор технических наук,
главный энергетик ОАО «ММК»
кандидат технических наук,
доцент кафедры информатики
и информационных технологий
МОУ «Магнитогорский лицей»
Г. В. Никифоров
Р. Г. Мугалимов
© ГОУ ВПО «МГТУ», 2006
© Сарваров А. С.,
Мазитов Д. М., 2009
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТНОГО СТЕНДА 87Л-01
Данное учебное пособие предназначено для выполнения лаборатор-
ных работ по электронике на оборудовании 87Л-01, выпускаемом
Ленинградским опытным электротехническим заводом [1].
В комплект оборудования 87Л-01 входят (рис. 1):
1.	лабораторный стенд;
2.	блок монтажных полей БМП;
3.	сменные панели;
4.	съемные элементы и соединительные провода;
5.	осциллограф (Cl-72, С1-73 или С1-91).
Рис. 1. Лабораторный стенд 87Л-01
В составе лабораторного стенда (рис. 2) имеются: генератор
прямоугольных импульсов ГПИ; генератор звуковой частоты ГЗЧ;
генератор радиочастоты ГРЧ; блок питания и коммутации БП;
ампервольтметр АВМ1 и ампервольтомметр АВО; ампервольтметр АВМ2
и милливольтметр МВ; частомер ЧМ и измеритель выхода ИВ.
Генератор прямоугольных импульсов ГПИ вырабатывает
прямоугольные импульсы положительной и отрицательной полярности
(гнезда ”-П_” и ”П-Г”)9 преобразуемые из выходного сигнала ГЗЧ и
совпадающие с ним по частоте. Амплитуды импульсов одинаковы и регу-
3
JZZL
~£с
Диапазон ГПИ
1кГи, юкгц
ЮОГЦ’У^^ЮОаТЦ
JU
K9.
R1
XI
иА
R7
Х6
СЕТЬ
Диапазон ГЗЧ
1кГи10кГц
looni'/TSS'tooxfa
м
ТА
гюа
ГПИ ГЗЧ ГРЧ _ ,
ип
41
С^^25ВИП
100ВГНЗ
W
£505
!00клГ
Рис. 2. Состав генераторов и измерительных приборов лабораторного стенда
Длительность
U
R11
С4

'г о;в i00KCHfiM^ J£I>Q
А ВИ 2 МЮО 0.5
ЧАСТОТА
ГРЧ
ГЛУБИНА МОДУЛЯЦии
ЧАСТОТА АМПЛИТУД'.
R2
VT1
^А
лируются плавно и одновременно от 0 до 3 В ручкой ’’Амплитуда”, а
длительность изменяется ручкой ’’Длительность” не менее чем в 2 раза в
каждом диапазоне. Для получения на выходе ГПИ импульсной
последовательности со скважностью, близкой к 10, переключатели
’’Диапазон” и ГЗЧ следует установить в одинаковые положения. Если
необходима большая скважность, переключатель ’’Диапазон” ГПИ
устанавливают на более высокий частотный предел.
Генератор звуковой частоты ГЗЧ вырабатывает синусоидальное
напряжение, амплитуда которого автоматически поддерживается
постоянной во всем частотном диапазоне и плавно регулируется
от 0 до 0.5 В действующего значения ручкой ’’Амплитуда”. Выход
генератора снабжен делителем, позволяющим уменьшать выходной
сигнал в 10 и 100 раз (гнезда ”1 : 10” и ”1 : 100”). Для измерения
выходного напряжения ГЗЧ служит измеритель выхода ИВ,
переключатель которого устанавливают в положение ”ГЗЧ” (предельное
значение шкалы ИВ составляет 1 В действующего значения). Полный
диапазон частот, перекрываемый ГЗЧ, составляет 20 Гц ^100 кГц и
разбит на четыре поддипазона, для выбора одного из которых служит
переключатель ’’Диапазон”. В пределах каждого поддиапазона частота
плавно регулируется ручкой ’’Частота”. Частоту выходного сигнала ГЗЧ
измеряют частотомером ЧМ стенда, для чего переключатель ИВ
переводят в положение ”ЧМ”, а тумблер ИВ - в положение ”ГЗЧ”.
Переключателем частотомера выбирают один из семи поддипазонов, в
пределах которого находится измеряемая частота.
Генератор радиочастоты ГРЧ состоит из двух сопряженных по
частоте генераторов: основного и гетеродина. Основной генератор
перестраивается плавно ручкой ’’Частота” и перекрывает диапазон частот
415 ^515 кГц. Амплитуда его выходного сигнала автоматически
поддерживается постоянной во всем диапазоне перестройки и плавно
регулируется ручкой ’’Амплитуда” от 0 до 0.3 В действующего значения.
Основной генератор имеет два выхода: высокоомный и низкоомный
(гнезда "ГТ” и TH”). Колебания основного генератора могут быть
промодулированы по амплитуде выходным сигналом ГЗЧ. Глубина
модуляции плавно изменяется ручкой ’’Глубина модуляции” от 0 до 100%,
а частота модулирующего сигнала определяется частотой ГЗЧ. Для
измерения выходного напряжения основного генератора используют
измеритель выхода ИВ, для чего его переключатель устанавливают в
положение "ГРЧ” (предельное значение шкалы ИВ составляет 1 В
действующего значения). Частоту основного генератора измеряют
частотомером ЧМ стенда, для чего переключатель и тумблер ИВ
устанавливают в положение ”ЧМ”, а тумблер и переключатель
частотомера - соответственно в положения ”£х-465кГц” и ”100 кГц”.
Частотомер при этом показывает разность частот f4M основного
5
генератора и гетеродина, генерирующего сигнал частотой 465 кГц. Знак
отклонения частоты основного генератора от 465 кГц определяют вращая
ручку ГРЧ ’’Частота” по часовой стрелке.
В зависимости от того, показывает индикатор частотомера
увеличение или уменьшение измеряемой разности частот, частоту ГРЧ
соответственно рассчитывают по формулам:
frP4 = fx = 465 + f4M;
frP4 = fx = 465 - f4M.
Выходное напряжение гетеродина ГРЧ не регулируется и составляет
примерно 1 В действующего значения, а его частота отличается от
частоты основного генератора в любой точке диапазона перестройки на
465 кГц и лежит в пределах от 880 до 980 кГц. Точность сопряжения
основного генератора и гетеродина при расстройке относительно средней
частоты на ± 30 кГц составляет ± 3 кГц.
Блок питания коммутации БП вырабатывает все необходимые
напряжения, которые через разъемы внутристендового монтажа
поступают на соответствующие блоки стенда. Две группы тумблеров -
”ГПИ”, ”ГЗЧ”, ”ГРЧ”, и ”АВО”, ”МВ”, ”ЧМ” - служат для включения
блоков стенда, необходимых для проведения конкретной лабораторной
работы. Тумблером ’’Сеть” первичная обмотка трансформатора стенда
подключается к сети. При этом загорается лампа, сигнализирующая о
поступлении сетевого напряжения на силовой трансформатор. Для подачи
напряжения на исследуемые схемы блок питания имеет пять источников:
ИП, ГТ, ГН1, ГН2 и ГНЗ, выходные зажимы которых выведены на его
лицевую панель.
Источник переменного напряжения ИП обеспечивает на зажимах
”~15 В” одинаковые и противофазные относительно зажима ’’Общ.”
напряжения. Переключением тумблера ИП можно получить два значения
этих напряжений: 15 и 17.25 В. Для измерения выходного напряжения ИП
следует установить переключатель ИВ в положение ”25 В ИП”.
Генератор тока ГТ является источником постоянного тока и обладает
большим внутренним сопротивлением, поэтому его выходной ток
практически не зависит от сопротивления нагрузки. Максимальный
выходной ток ГТ составляет 10 мА и может быть измерен ИВ при
переводе его переключателя в положение ”1 мА” или ”10 мА”.
Устанавливают выходной ток ГТ по ИВ при закороченных зажимах ГТ.
Выходной ток ГТ плавно регулируется ручками ’’Грубо” и ’’Точно”.
Генератор напряжения ГН1 является источником постоянного
напряжения, обладает малым внутренним сопротивлением , и его
выходное напряжение плавно регулируется от +0.5 до -7 В ручками
’’Грубо” и ’’Точно”. Полярность выходного напряжения ГН1, указанная на
лицевой панели БП, соответствует интервалу его регулирования
от +0.5 В до 0 В. При регулировании выходного напряжения ГН1
6
от 0 до -7 В его полярность противоположна указанной. Выходное
напряжение ГН1 измеряется ИВ при переводе его переключателя в
положение ”1 В” (при изменении выходного напряжения ГН1 в пределах
от +0.5 В до 0 В) и ”-10 В” (при изменении выходного напряжения ГН1 в
пределах от 0 до -7 В).
Генератор напряжения ГН2 является стабилизированным
источником питания, его выходное напряжение плавно регулируется в
пределах от 0.5 до 15 В ручками ’’Грубо” и ’’Точно”. Ток нагрузки, при
котором срабатывает защита ГН2, составляет 200 мА при выходном
напряжении 15 В. При уменьшении выходного напряжения ток
срабатывания защиты уменьшается. Выходное напряжение ГН2
измеряется ИВ при переводе его переключателя в положение ”25 В ГН2”.
Генератор напряжения ГНЗ является источником питания: его
выходное напряжение плавно изменяется в пределах от 0 до 100 В одним
регулятором и измеряется ИВ при переводе переключателя в положение
”100 В ГНЗ”.
Ампервольтметр АВМ1 имеет пять пределов измерения постоянного
напряжения (1; 2.5; 5; 10; 25 В) и шесть пределов измерения постоянного
тока (0.5; 1; 5; 10; 50; 100 мА).
Ампервольтомметр АВ О имеет четыре предела измерения
постоянного напряжения (0.1; 0.5; 1; 5 В), три предела измерения
постоянного тока (10; 100 мкА; 1 мА) и четыре предела измерения
сопротивления (0.1; 1; 10; 100 кОм). При измерении сопротивления шкала
АВ О линейная.
Ампервольтметр АВМ2 аналогичен прибору АВМ1, имеет шесть
пределов измерения постоянного напряжения (0.5; 1; 5; 10; 50; 100 В) и
пять пределов измерения постоянного тока (0.5; 1; 5; 10; 50 мА).
Милливольтметр МВ служит для измерения малых переменных
напряжений на шести пределах (5; 10; 50; 100; 500 мВ; 1 В) и больших -
на пяти пределах (5; 10; 100; 250 В). При измерении больших напряжений
зажимы МВ изолированы от провода заземления стенда.
Частотомер ЧМ служит для измерения частоты выходных сигналов
ГЗЧ и ГРЧ (основного генератора), а также любого внешнего генератора
периодических сигналов независимо от их формы. При измерении
частоты сигнала внешнего генератора сигнал подается на зажим ”fx”.
Частотомер имеет шесть пределов измерения частоты (0.1; 0.5; 1; 5; 10;
50; 100 кГц) и линейную шкалу.
Измеритель выхода ИВ, при положении его переключателя ”25 В”,
измеряет подводимое к его зажимам постоянное внешнее напряжение.
Блок монтажных полей БМП предназначен для сборки исследуемой
схемы после установки соответствующей сменной панели и состоит из
двух параллельных жестко связанных гетинаксовых плат (монтажных
полей), на которых размещены контактные гнезда, электрически
7
соединенные между собой в определенном порядке. Этот блок крепится к
корпусу стенда над блоком питания между приборными стойками.
Каждое монтажное поле снабжено штырями для точного ориентирования
относительно него сменных панелей при установке их в рабочее
положение.
Сменные панели представляют собой древесноволокнистые плиты,
размер которых равен размеру монтажного поля. На лицевые поверхности
сменных панелей нанесены изображения исследуемых электрических
схем. Каждая сменная панель устанавливается только на то монтажное
поле, ориентирующее штыри которого совпадают с отверстиями в ней.
Правильность выбора рабочей стороны блока монтажных полей
определяют также по маркировке сменной панели (шифр изделия, номер
сменной панели и лабораторной работы). Если маркировка нанесена в
левом нижнем углу сменной панели, следует использовать монтажное
поле 1, а если в левом верхнем углу - монтажное поле 2.
Сменные панели (в оборудовании 87Л-01 их 32 шт.) хранят отдельно.
Следует отметить, что изображения измерительных приборов на
сменных панелях выполнены с некоторыми отступлениями от ГОСТов.
Так внутри условных графических обозначений измерительных приборов
вместо латинского обозначения единиц электрических величин (А, V)
даны обозначения измеряемых токов и напряжений, принятые в
описаниях лабораторных работ.
Съемные элементы и соединительные провода предназначены для
сборки исследуемых схем. Съемные элементы устанавливают на
монтажное поле через отверстия в сменной панели, имеющиеся на
условных графических обозначениях элементов (на рис. 2 эти отверстия
хорошо видны). Монтажное поле выполнено так, что после установки
всех необходимых элементов исследуемая схема оказывается собранной.
Соединительными проводами к ней подключают источники питания,
измерительные приборы и подают сигналы от генераторов (рис. 1).
Сборка исследуемой схемы занимает несколько минут, причем
возможны замена любого ее элемента, имитация его выхода из строя,
измерение любого напряжения или тока и многое другое.
8
Лабораторная работа №1
ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ДИОДОВ
1.	Цель работы
1.1.	Приобрести практические навыки в испытании
полупроводниковых диодов, снятии прямой и обратной ветвей вольт-
амперной характеристики (ВАХ) и определении их параметров.
1.2.	Изучить влияние температуры на ВАХ полупроводниковых
диодов.
1.3.	Изучить влияние основных факторов, определяющих величину
контактной разности потенциалов р-п-перехода диода, ширину обед-
ненного слоя, величины диффузионной и барьерной емкостей.
2.	Описание лабораторной установки
Снятие вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов
осуществляется с использованием комплектного оборудования универ-
сального лабораторного стенда 87Л-01. При этом на блок монтажных
полей устанавливается сменная панель 87Л-01/1, на которой изображены
схемы включения испытуемых полупроводниковых приборов, регули-
руемых источников питания и измерительные приборы. Схемы для снятия
прямой и обратной ветвей ВАХ приведены на рис. 1.
При снятии прямой ветви ВАХ германиевого и кремниевого диодов
используют:
G1 (ГТ) - генератор тока стенда, представляющий собой источник
постоянного тока с регулированием тока в пределах 0^10 мА;
РА1 Цпр.) - ампервольтметр АВМ1 на пределе измерения 10 мА;
PV1 (иПр.) - ампервольтметр АВМ2 на пределах измерения 0,5 В для
германиевого и 1 В для кремниевого диода;
VD1 - исследуемые диоды: германиевый Д9К и кремниевый
КД103А.
При снятии обратных ветвей ВАХ диодов, в соответствии со схемой
(рис. 1, б) используют:
G2 (ГНЗ) - источник напряжения стенда с регулированием в
пределах от 0 до 100 В;
РА2 (1ст.) - мультиметр в режиме микроамперметра постоянного
тока на пределе измерения 200 мкА;
PV2 (UCt.) - ампервольтметр АВМ2 на пределе измерения 100 В.
VD2 - исследуемые диоды Д9К и КД ЮЗА.
9
3.	Предварительное задание
3.1.	Ознакомиться с целью работы и описанием лабораторной
установки.
3.2.	Изучить систему обозначений диодов, их конструктивные
особенности, систему параметров, цветовую маркировку и цоколевку
приведенные в справочниках.
3.3.	Вычертить электрические схемы, показанные на сменной
панели 87Л-01/1 (см. рис. 1).
Рис. 1. Схемы для снятия прямой (а) и обратной (б) ветвей ВАХ
10
3.4.	Вычертить табл. 1и2 для снятия прямой и обратной ветвей
ВАХ германиевого и кремниевого диодов (в таблицах показаны
рекомендуемые величины задаваемых параметров 7 и t/o6 ).
Таблица 1
Экспериментальные данные для прямой ветви ВАХ диодов
4Р.’мА		0.05	0.2	1	5	10
	Ge					
	Si					
Таблица 2
Экспериментальные данные для обратной ветви ВАХ диодов
^обр.,В		1	5	10	20	30	40
4бР.’мкА	Ge						
	Si						
3.4.	Изучить свойства р-п-перехода и процессы, протекающие в
переходе и нейтральных областях в равновесном и неравновесном
состояниях [2, 3].
3.5.	Изучить влияние температуры на вольт-амперные
характеристики германиевого и кремниевого диодов [2, 3].
3.6.	Сравнить ВАХ идеализированного р-п-перехода и реального
диода. Пояснить природу обратного тока в германиевых и кремниевых
диодах [2].
3.7.	Изучить влияние основных факторов, определяющих величину
контактной разности потенциалов р-п-перехода диода, ширину
обедненного слоя, величины диффузионной и барьерной емкостей [2].
3.8.	Сравнить между собой величины барьерной и диффузионной
емкостей при прямом смещении р-п-перехода [2].
Примечание: Предварительное задание дается для обеспечения
теоретической и методической подготовки студентов к выполнению
лабораторной работы, программа которой приведена в рабочем задании
в и. 4, включается в отчет по работе и является условием допуска к
выполнению работы.
11
4.	Рабочее задание
4.1.	Собрать схему, приведенную на рис. 1, а, и поочередно снять
прямые ветви ВАХ германиевого и кремниевого диодов. Результаты
измерений занести в табл. 1.
4.2.	Собрать схему, изображенную на рис. 1, б, и поочередно снять
обратные ветви ВАХ германиевого и кремниевого диодов. Результаты
измерений занести в табл. 2. Установить влияние температуры на
величину обратного тока германиевого и кремниевого диодов.
4.3.	Пользуясь данными табл. 1, 2, построить прямые и обратные
ветви ВАХ германиевого и кремниевого диодов.
4.4.	Привести статические модели диода и определить их параметры
для исследуемых диодов, пользуясь результатами измерений и
графическими построениями.
4.5.	Сделать выводы по работе.
5.	Методические указания
5.1.	Изучая влияние температуры на вольт-амперные
характеристики диодов, необходимо обратить внимание на то, что оно
наиболее заметно при обратном смещении. Обратный ток реального
диода значительно превосходит обратный ток идеализированного
р-п-перехода и заметно изменяется при изменении обратного напряжения.
Вольт-амперная характеристика идеализированного р-п-перехода
описывается уравнением.
и
где /0 - тепловой обратный ток через р-п-переход при обратном
смещении.
Тепловой обратный ток обусловлен тепловой генерацией
неосновных носителей в нейтральных р- и n-областях, прилегающих к
переходу, и не зависит от напряжения.
Из практики известно, что обратный ток диода не остается
постоянным и растет с увеличением обратного напряжения. Это связано с
тем, что обратный ток реального диода, в отличие от идеального, состоит
из нескольких компонентов
А)бр. — А) +	’
где I - обратный ток термогенерации, он обусловлен тепловой
генерацией носителей в самом р-п-переходе;
I - ток утечки, он связан с поверхностными явлениями в области
12
р-п-перехода.
Для идеального р-п-перехода /()б|) = /0 .
Необходимо отметить, что в обратном токе германиевого диода
основной составляющей является тепловой обратный ток 10 , а для
кремниевого диода - ток термогенерации /, который превосходит
тепловой ток на 2 - 3 порядка.
Тепловой ток 10 в значительной степени зависит от температуры Т.
Эта зависимость часто характеризуется температурой удвоения ДТ,
т. е. приращением температуры, вызывающим удвоение обратного тока. В
среднем температура удвоения тока термогенерации для германия
составляет около 8 10°С, а для кремния - 10 12°С. Для большинства
расчетов можно принять температуру удвоения равной 10°С.
Ток термогенерации в отличие от теплового зависит и от величины
обратного напряжения /g « д^|[/обр | .
Ток утечки /у может составлять заметную долю в обратном токе в
зависимости от величины С/об . Зависимость I от температуры слабая в
сравнении с составляющими /0 , /
Возможности лабораторного стенда не позволяют осуществить
экспериментальные исследования влияния температуры на ВАХ
германиевого и кремниевого диодов, поэтому в данной работе
предполагается теоретическое изучение этого вопроса.
5.2.	Для построения статической модели диода ее ВАХ представ-
ляют отрезками прямых так, чтобы они с наибольшей точностью
аппроксимировали реальную характеристику в заданном режиме.
На рис. 2, а показана прямая ветвь ВАХ реального диода и
аппроксимация ее прямыми линиями. В соответствии с идеализацией
построена эквивалентная схема диода при прямом смещении.
Соотношение между током и напряжением для идеализированной
характеристики имеет вид
т U~E"»-	F J?
1 =---------, где и - параметры статической модели,
п	иР« иР«
пр.
При действии обратного напряжения можно выделить на обратной
ветви две области: область отсечки (область, предшествующая пробою) и
область пробоя. На рис. 3, а показаны аппроксимации этих областей и
соответствующие этим областям схемы моделей (рис 3, б, в).
13
Рис. 2. Линейная аппроксимация прямой ветви ВАХ (а) и схема
замещения (б) диода
Рис. 3. Линейная аппроксимация обратной ветви ВАХ (а) и схемы
замещения (б и в) диода
Для области отсечки справедливо соотношение
и
^обр.о "l" р
votc.
где /()б|) 0 - параметр источника начального обратного тока;
14
7?отс _ сопротивление диода в режиме отсечки, характеризующее
наклон обратной ветви.
Области пробоя соответствует зависимость:
^проб.
где Ц||)()б - напряжение пробоя;
^проб _ сопротивление диода в режиме пробоя, характеризует
наклон характеристики в режиме пробоя.
Необходимо отметить, что показанный участок пробоя соответствует
лавинному или туннельному пробою. Для германиевого диода характерен
переход лавинного пробоя сразу в тепловой.
6.	Указания по оформлению отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие
разделы:
1)	Номер, название и цель работы.
2)	Электрические схемы.
3)	Результаты экспериментальных исследований и расчетов в виде
таблиц и графиков (другие материалы) в соответствии с рабочим
заданием.
4)	Основные электрические параметры исследуемых диодов.
Сопоставить справочные данные с результатами, полученными при
снятии прямой и обратной ветвей ВАХ.
5)	Статические модели диода и их параметры для исследуемых
диодов, пользуясь результатами измерений и графическими
построениями.
6)	Выводы по работе. Выводы должны быть содержательного, а не
описательного плана, в них должен присутствовать анализ полученных
экспериментальных данных. Дублирование цели работы и порядка ее
выполнения выводом не является!
15
7.	Контрольные вопросы
1)	Какова примерная концентрация примесей в р- и п-областях
реального диода ?
2)	Какими процессами (дрейфовыми или диффузионными)
обусловлен ток через р-п-переход при прямом и обратном смещениях?
3)	Сопоставьте величину диффузионной и барьерной емкостей при
прямом и обратном смещениях диода.
4)	Какие факторы влияют на ширину р-п-перехода?
5)	Как влияет температура на ВАХ кремниевого и германиевого
диодов?
6)	Перечислите и объясните отличия в свойствах и параметрах
кремниевых и германиевых выпрямительных диодов.
7)	Какие виды пробоя характерны для германиевых и кремниевых
диодов?
8)	Каковы особенности точечных и плоскостных диодов?
9)	Перечислите основные параметры, характеризующие выпрями-
тельные диоды.
10)	Какие факторы влияют на генерацию свободных носителей
заряда в полупроводниках и каково их применение в полупроводниковых
диодах?
16
Лабораторная работа №2
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИТРОНА И СТАБИСТОРА
1.	Цель работы
1.1.	Снять вольт-амперные характеристики кремниевых стабили-
тронов и стабисторов.
1.2.	Научиться определять параметры стабилизации по характе-
ристикам и справочным данным.
1.3.	Изучить систему обозначений стабилитронов, ознакомиться с
примерами включения их в схемах с целью стабилизации.
2.	Описание лабораторного стенда и рекомендации по проведению
измерений
Для снятия вольт-амперных характеристик стабилитрона и стабис-
тора используется универсальный лабораторный стенд 87Л-01, при этом
на блок монтажных полей устанавливается сменная панель 87Л-01/2. На
сменной панели изображены схемы включения испытуемых полупровод-
никовых приборов, регулируемых источников питания и измерительных
приборов.
При снятии прямой ветви в схеме, изображенной на рис. 1, а,
применяют:
G1 - генератор тока ГТ стенда, представляющий собой источник
постоянного тока с регулированием тока в пределах 0^10 мА;
РА1 (1пр.) - ампервольтметр АВМ1 на пределе измерения ”10 мА” и
”5 мА”;
PV1 (иПр.) - ампервольтметр АВМ2 на пределе измерения ”1В;
VD1 - стабилитрон Д814Б.
При снятии обратной ветви, включая участок пробоя (стабилизации)
в схеме, изображенной на рис. 1, б, применяют:
G2 - генератор тока ГТ (тот же самый, что и в предыдущей схеме)
РА2 (1ст.) - АВМ1 на пределе измерения ”10 мА”;
PV2 (биСт.) - АВМ2 на пределе измерения ”10 В”.
Генератор ГН2 в этом опыте не подключается к гнездам XI3 и Х14,
этот участок закорачивается перемычкой.
VD2 - стабилитрон Д814Б.
Для измерения нестабильности напряжения 5UCT. стабилитрона при
изменении проходящего через него тока в схеме (рис. 1, б) используется
генератор напряжения G3 (ГН2), а в качестве PV2 (5UCT.) применяют
мультиметр в режиме милливольтметра постоянного тока.
17
Рис. 1. Схемы включения стабилитрона для снятия прямой ветви ВАХ (а),
обратной ветви ВАХ и нестабильности напряжения (б)
3.	Предварительное задание
3.1.	Ознакомиться с целью работы, описанием лабораторной
установки и в соответствии с указаниями по оформлению отчета (и. 6,
разделы 1 - 4), подготовить конспект отчета.
3.2.	Изучить виды пробоя, применяемые для стабилизации напря-
жения, влияние температуры на напряжение стабилизации в зависимости
18
от вида пробоя.
3.3.	Уяснить особенности низковольтных стабилитронов с напря-
жением стабилизации UCT < 6 5.5 В и высоковольтных с напряжением
стабилизации UCT > 6.0 В.
3.4.	Ознакомиться со способами термостабилизации стабилитронов,
с особенностями стабилитронов с симметричной ВАХ.
3.5.	Изучить систему обозначений стабилитронов, их
конструктивные особенности, систему параметров, маркировку и
цоколевку приведенные в справочниках.
3.6.	Ознакомиться с примерами включения стабилитронов в схемах
с целью стабилизации.
Примечание: Предварительное задание дается для обеспечения
теоретической и методической подготовки студентов к лабораторной
работе и его выполнение является обязательным условием допуска
студентов к работе.
4.	Рабочее задание
4.1.	Собрать схему, приведенную на рис.1, а, и снять прямую ветвь
стабилитрона (характеристику стабистора), задавая рекомендуемые
значения тока с помощью генератора тока G1 , измеряя при этом прямое
напряжение. Результаты измерений занести в табл. 1. Рекомендуемые
значения тока в табл. 1,2,3 относятся к стабилитрону Д814 с учетом
возможностей генератора тока.
Таблица 1
Экспериментальные данные для прямой ветви ВАХ
Прямой ток 4р. ’мА	Рекомендуемые значения /пр								
	0.1	0.5	1	2	3	4	5	8	10
Прямое напряжение и,.„.  в									
4.2.	Собрать схему, приведенную на рис. 1, б (гнезда XI3 и Х14
закорочены перемычкой), и снять обратную ветвь стабилитрона, включая
участок пробоя (стабилизации). При этом в отличие от методики снятия
обратной ветви выпрямительного диода, в схеме на рис. 1, б используется
генератор тока, с помощью которого задается обратный ток стабилитрона.
Результаты измерений занести в табл. 2.
19
Таблица 2
Экспериментальные данные для обратной ветви ВАХ_____
Обратный ток 70бр.’мА	Рекомендуемые значения /()б|)								
	0.1	0.5	1	2	3	4	5	8	10
Обратное напряжение Ц,бр..в									
4.3.	Измерить нестабильность напряжения стабилитрона при
изменении проходящего через него тока по схеме, приведенной на
рис. 1, б. В отличие от предыдущего задания, где была снята часть вольт-
амперной характеристики ”аб” (рис. 2), измерение позволит точнее
определить наклон участка ”аб” за счет сужения диапазона измеряемого
напряжения. Для уменьшения диапазона измеряемого напряжения
вольтметр PV2 подпирают напряжением стабилизации t/CT min, что
позволяет измерить только величину , как показано на рисунке.
Для выполнения задания необходимо последовательно выполнить
следующие операции:
1.	Предварительно по измерителю выхода ИВ ручкой ’’Грубо”
устанавливают выходное напряжение ГН2, равное напряжению подпора,
при этом ручка ’’Точно” ГН2 должна находиться в крайнем левом
положении. Напряжение подпора выбирается по данным таблицы 2,
немного меньшим С/об при токе /()б|) = 1 мА.
3.	Предел измерительного прибора PV2 должен составлять 1 или 2 В.
4.	Устанавливают ток через стабилитрон, равный 1 мА, перемычку,
замыкающую гнезда XI3 и Х14, убирают и подключают к ним ГН2.
5.	Изменяя выходное напряжение ГН2 ручкой ’’Точно”, на приборе
PV2 добиваются нулевого показания мультиметра последовательно
переходя на пониженные пределы измерения. Если выставить нулевое
показание не удается, то можно остановиться на минимальном значении,
но после проведения измерений необходимо вычесть эту величину из всех
значений 5UCt.
6.	Ручки регулирования ГН2 больше не трогают, чтобы не сбить
настройку U min , а пользуются только ручками ГТ. Увеличивают ток
через стабилитрон в соответствии с данными табл. 3, при этом прибор
PV2 покажет нестабильность напряжения 5UCt. стабилитрона при
изменении проходящего через него тока.
Результаты измерений занести в табл. 3.
20
Таблица 3
Нестабильность напряжения стабилизации
Ток стабилизации /, , мА ст. ’	1	2	3	4	5	6	8	10
Нестабильность напряжения стабилизации 8U^ , мВ	0							
4.4.	Построить прямую и обратную ветвь ВАХ стабилитрона.
Примерный вид такой характеристики показан на рис. 2.
4.5.	Построить зависимость нестабильности напряжения стабилиза-
ции 8U^ от величины тока стабилизации /ст .
4.6.	Рассчитать дифференциальные сопротивления стабилитрона и
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика стабилитрона
21
4.7.	Сделать выводы по работе.
5.	Методические указания
Стабилитроны и стабисторы предназначены для стабилизации с
определенной точностью напряжения, при изменении в заданном
диапазоне проходящего через них тока. На рис. 2 показан примерный вид
вольт-амперной характеристики стабилитрона и стабистора. Участок ”аб”
является рабочим участком стабилитрона, а участок ”вг” - рабочий
участок стабистора.
Основными параметрами стабилитронов и стабисторов являются:
UCT - напряжение стабилизации - это напряжение на стабилитроне
при заданном токе стабилизации;
Л^ст.ном. _ допустимый разброс напряжения стабилизации от
номинального;
гст - дифференциальное сопротивление рабочего участка;
аиСт ~ температурный коэффициент напряжения стабилизации;
/ст тах - максимальный ток стабилизации, при котором прибор
сохраняет работоспособность длительное время;
/ст min _ минимально допустимый ток стабилизации;
^тах _ максимально допустимая рассеиваемая мощность.
Большинство этих параметров определяется по вольт-амперной
характеристике, снятой при выполнении лабораторной работы.
В частности, определяются /ст min , UCT , At/CT , гст .
Дифференциальное сопротивление гст определяющее стабилизи-
рующие свойства прибора, рассчитывают по формуле:
^ст. max ^ст. min
Г =------------------.
СК I -I .
ст. max ст. min
Аналогичным образом определяется дифференциальное
сопротивление стабистора (см. рис. 2).
При уяснении особенностей низковольтных стабилитронов с напря-
жением стабилизации UCT < 6 5.5 В необходимо помнить, что они
работают на участке туннельного пробоя, а стабилитроны с UCT > 6.0 В
работают на участке с лавинным пробоем. Температурный коэффициент
22
напряжения стабилизации <XUcT положительный при лавинном пробое и
отрицательный при туннельном пробое. Последнее относится к
низковольтным стабилитронам.
По назначению стабилитроны делят на следующие виды:
1)	. Стабилитроны общего назначения используются в схемах
стабилизаторов источников питания, ограничителей, фиксаторов уровня
напряжения.
2)	. Прецизионные стабилитроны применяют в качестве источника
опорного напряжения с высокой точностью стабилизации и термо-
компенсации уровня напряжения.
3)	. Импульсные стабилитроны используются для стабилизации
постоянного и импульсного напряжения и ограничения амплитуды
импульсов малой длительности.
4)	. Двуханодные стабилитроны применяют в схемах стабилизаторов,
ограничителей напряжения различных полярностей, в том числе в схемах
двухстороннего ограничения напряжения, в качестве опорного элемента с
термокомпенсированным напряжением.
5)	. Стабисторы предназначены для стабилизации малых значений
напряжений, а также используются как термокомпенсирующие элементы.
6.	Указания по оформлению отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие
разделы:
1)	Номер, название и цель работы.
2)	Электрические схемы.
3)	Результаты экспериментальных исследований и расчетов в виде
таблиц и графиков (другие материалы) в соответствии с рабочим
заданием.
4)	Основные электрические параметры исследуемых полупроводни-
ковых приборов. Сопоставить справочные данные с результатами,
полученными при снятии прямой и обратной ветвей ВАХ.
5)	Графоаналитический расчет дифференциальных сопротивлений
стабилитрона и стабистора.
6)	Выводы по работе. Выводы должны быть содержательными, а не
описательными, в них должен присутствовать анализ полученных
экспериментальных данных. Дублирование цели работы и порядка ее
выполнения выводом не является!
23
7.	Контрольные вопросы
1)	. Какой участок ВАХ стабилитрона является рабочим?
2)	. Как меняется напряжение стабилизации высоковольтного
стабилитрона при повышении температуры?
3)	. Какой знак имеет температурный коэффициент напряжения
стабилизации стабистора?
4)	. Какой знак имеет температурный коэффициент напряжения
стабилизации низковольтного стабилитрона (UCT <5.5 В)?
5)	. Можно ли применять германиевые диоды в качестве стабили-
тронов?
6)	. Какова структура стабилитрона с внутренней термокомпенса-
цией?
7)	. Что такое дифференциальное сопротивление стабилитрона?
8)	. Имеется ли связь между нестабильностью стабилитрона и
дифференциальным сопротивлением?
9)	. Приведите схему включения стабилитрона для стабилизации
напряжения.
10)	. Какие системы обозначений существуют для стабилитронов?
Приведите примеры.
24
Лабораторная работа №5
ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
В СХЕМЕ С ОБЩЕЙ БАЗОЙ
1.	Цель работы
1.1.	Приобрести практические навыки в испытании биполярных
транзисторов и ознакомиться с методикой снятия входных и выходных
характеристик при схеме включения с общей базой.
1.2	Научиться определять по статическим характеристикам систему
дифференциальных h-параметров.
1.3.	Ознакомиться с системой основных параметров, характе-
ризующих свойства транзистора, и изучить влияние температуры на
характеристики транзистора.
1.4.	Научиться проверять биполярные транзисторы на их
исправность и работоспособность.
2.	Описание лабораторной установки и рекомендации по проведе-
нию измерений
Снятие входных и выходных характеристик биполярного транзис-
тора осуществляется с использованием комплектного оборудования
универсального лабораторного стенда 87Л-01. При этом на блок
монтажного поля 1 устанавливается сменная панель 87Л-01/5, на которой
изображена схема включения транзистора с общей базой с измери-
тельными приборами и регулируемыми источниками питания для снятия
характеристик. На рис. 1 приведена схема для снятия входных и
выходных характеристик.
В таблицах 1 и 2 показаны рекомендуемые значения токов и напря-
жений для транзисторов типа КТ361, КТЗ15, МП41 и других им подобных
по мощности.
Для снятия входных характеристик (табл. 1) рекомендуется
использовать:
G1 - генератор тока ГТ стенда;
РА1 (1э) - АВМ1 на пределах измерения ”10 мА”, ”5 мА”, ”1 мА”,
”0.5 мА”;
PV1 (иЭв) - АВМ2 на пределах измерения ”1 В” и ”0.5 В”;
РА2 (1к) - не используют, а гнёзда Х7 и Х8 закорачивают
соединительным проводом;
G2 - при снятии характеристики при UKB = 0 В этот источник не
подключают, а гнёзда XII и Х12 закорачивают.
При снятии характеристики при UKB = 1 В используют часть
диапазона выходного напряжения ГН1 от 0 до -7 В. При регулировании
25
выходного напряжения ГН1 в этих пределах его полярность противо-
положна указанной на лицевой панели. Увеличивать выходное
напряжение ГН1 в этом интервале регулирования следует вращая
регуляторы против часовой стрелки.
При снятии характеристики при иКБ = 10 В используют ГН2 стенда;
PV2 (UKB) - не подключают, а иКБ измеряют с помощью ИВ стенда,
переключатель которого при использовании ГН1 устанавливают в
положение ”ГН1 -10 В”, а при использовании ГН2 - в положение
”ГН2 25 В”. Прибор ИВ подключен ко всем источникам питания изнутри
стенда и, поэтому, дополнительной коммутации соединительными
проводами не требуется.
VT1 - транзистор КТ361А.
Рис.1 Схема для снятия входных и выходных
характеристик биполярного транзистора
Таблица 1
Входные вольт-амперные характеристики транзистора
Ток эмиттера 1э . мА		0.1	0.2	0.5	1	2	10
Напряжение эмиттер-база U3E , В, при UКБ, В	0						
	1						
	10						
26
Таблица 2
Выходные вольт-амперные характеристики транзистора
Напряжение коллектор- база U КБ, В		0.5	1	2	5	10
Ток коллектора 1к , мА, при 1э , мА	0					
	1					
	2					
	4					
	6					
	8					
Для снятия выходных характеристик (табл. 2) используют:
G2 - генератор напряжения стенда ГН2;
При снятии выходной характеристики для 1Э = 0 генератор тока ГТ
не подключают, оставляя источник G1 разомкнутым. При измерении 1к в
качестве РА2 используют мультиметр в режиме микроамперметра
постоянного тока.
Для снятия остальных выходных характеристик при различных токах
базы в качестве G1 используют генератор тока ГТ стенда;
РА1 (1э) - ИВ стенда, переключатель которого устанавливают в
положение ”ГТ 10 мА”, а гнезда XI и Х2 закорачивают;
PV1 (иЭв) - не подключают;
РА2 (IK) - АВМ1 на пределах измерения ”10 мА”, ”5 мА”, ”1 мА”;
PV2 (UKB) - АВМ2 на пределе измерения ”10 В”, ”5 В”, ”1 В”.
Примечания:
1.	Перед включением питания на стенде необходимо все ручки
управления источников питания вывести в левое положение;
2.	Полярность источников питания и полярность зажимов измери-
тельных приборов в схеме на рис.1 соответствуют транзистору с
р-п-р структурой.
3.	При применении п-р-п транзистора полярность, указанная на
рис. 1, меняется на противоположную.
3.	Предварительное задание
3.1.	Ознакомиться с целью работы, описанием лабораторной
установки и с рекомендациями по проведению измерений.
3.2.	Изучить систему обозначений биполярных транзисторов, их
конструктивные особенности, систему параметров, маркировку и
цоколевку приведенные в справочниках.
3.3.	Подготовить конспект отчёта по лабораторной работе в
соответствии с указаниями по оформлению отчёта (и. 6, разделы 1 - 4 -
27
заготовка таблиц и расчётных формул).
3.4.	Ознакомиться с примерным видом входных и выходных
характеристик и с основными режимами работы биполярного транзис-
тора.
3.5.	Изучить основные приёмы проверки исправности транзисторов
и определения их структуры (р-п-р или п-р-п).
3.6.	Изучить условия, при которых обеспечивается надёжная
эксплуатация транзисторов.
Примечание: Предварительное задание дается для обеспечения
теоретической и методической подготовки студентов к выполнению
лабораторной работы, программа которой приведена в рабочем задании.
Оценка подготовленности студентов к выполнению лабораторной работы
может осуществляться преподавателем в результате опроса по пунктам
3.1 - 3.6 предварительного задания.
4.	Рабочее задание
4.1.	Собрать схему, приведённую на рис. 1, в соответствии с
рекомендациями, приведёнными в и. 2.
4.2.	Снять входные и выходные характеристики биполярного
транзистора. Результаты измерений занести в таблицы, заготовленные по
образцам.
4.3.	Измерить обратный ток коллектора.
4.4.	Построить входные и выходные характеристики в
соответствующих осях.
4.5.	Выбрать рабочую точку и нанести её на входные и выходные
характеристики.
4.6.	Выполнить построения на входных и выходных характерис-
тиках для определения h-параметров транзистора, рассчитать их и занести
в таблицу 3.
Таблица 3
Расчетные значения h-параметров для схемы с ОБ
Параметр	h "11Б	h "12Б	h Н21Б	h Н22Б
Значение и ед. измерения				
4.7.	Привести справочные данные исследуемого транзистора и
сопоставить их с результатами измерений.
4.8.	Сделать выводы по работе.
28
5.	Методические указания и теоретические положения
5.1.	Изучая принцип работы и усиления биполярного транзистора,
следует обратить внимание на то, что в их основе лежит взаимодействие
двух близко расположенных р-п-переходов. Толщина базы WE не
превышает в среднем значений 50 60 мкм для сплавных транзисторов и
в пределах 10 20 мкм - для диффузионных.
Обратносмещённый коллекторный переход оказывает большое
сопротивление для основных носителей заряда и практически не
оказывает сопротивления, а, наоборот, способствует перебрасыванию
неосновных носителей, инжектированных из эмиттера в базу, через
коллекторный переход в область коллектора. Фиктивное сопротивление
коллекторного перехода для сквозного тока через трёхслойную структуру
транзистора можно представить:
^кп = иКПИК>	(1)
Учитывая, что в активном режиме достигается соотношение
1К ~ 1Э, выражение для сопротивления коллекторного перехода по
отношению к неосновным носителям можно представить:
^кп ~ U кп / Аэ •>
Обычно Uкп = const, если нет нагрузки в цепи коллектора, тогда
вполне справедливым является представление транзистора в электри-
ческой цепи в виде резистора с регулируемым сопротивлением,
управляемым величиной тока эмиттера и, соответственно, напряжением
UЭБ при прямом смещении.
5.2.	В зависимости от состояния смещения эмиттерного и коллек-
торного переходов различают три основных режима работы транзистора.
В активном режиме (АР) эмиттерный переход смещается в прямом
направлении, причём напряжение UЭБ обычно не превышает значения
0.4 В для германиевого транзистора и 0.8 В - для кремниевого
транзистора. При превышении этих входных напряжений токи,
проходящие через транзистор, могут стать недопустимо большими и
привести к перегреву транзистора. Коллекторный переход в активном
режиме смещается в обратном направлении напряжением UБК . Величина
обратного напряжения не должна превышать максимально допустимого
значения UБК тах. В активном режиме входной ток 1Э определяет
величину выходного тока I к в широком диапазоне выходного
напряжения UБК , поэтому транзистор управляется в любой момент
29
процесса усиления.
В режиме насыщения (PH) оба перехода и эмиттерный и
коллекторный смещены в прямом направлении. Напряжения на переходах
находятся в пределах, соответствующих прямосмещённому эмиттерному
переходу в активном режиме. При этом в базу инжектируются потоки
неосновных (для базы) носителей эмиттера и коллектора и сопротивление
промежутка коллектор-эмиттер транзистора резко уменьшается. В этом
режиме транзистор не управляется, поскольку диапазон выходного
напряжения UБК узкий, а выходной ток Iк изменяется в широком
диапазоне.
В режиме отсечки (РО) оба перехода транзистора закрыты, к ним
приложены обратные напряжения. В этом режиме транзистор обладает
большим сопротивлением. Обратные токи эмиттерного 1ЭБО и коллек-
торного 1КБО переходов малы (особенно у кремниевых транзисторов).
Напряжение, подаваемое на эмиттерный переход в обратном направ-
лении, не должно превышать 4 5 В. Эмиттерный переход в отличие от
коллекторного является низковольтным.
5.3.	На рис. 2 показаны входные и выходные характеристики
биполярного транзистора в схеме с общей базой.
Рис. 2. Входные (а) и выходные (б) характеристики
Входные характеристики в схеме с общей базой (рис.2, а) выражают
зависимость эмиттерного тока от приложенного между эмиттером и базой
напряжения при определённом напряжении UKE. т. е. это 1Э = f (UЭБ)
при UKE = const. При изменении UКБ (UКБ = О, UКБ = 5 В,
30
икб = Ю В) входные характеристики смещаются при заданном токе 1Э в
сторону уменьшения напряжения U3E. В этом заключается действие
внутренней отрицательной обратной связи по напряжению. Существо-
вание этой связи обусловлено модуляцией толщины базы.
Выходные характеристики - это зависимости IK = f (UБК) при
1Э = const. Как следует из рис. 2, б, коллекторный ток практически не
зависит от напряжения на коллекторном переходе, а зависит только от
тока эмиттера. На выходных характеристиках показаны области,
соответствующие основным режимам работы транзистора АР, PH, РО.
5.4.	Если переменные составляющие напряжений на переходах и
токов транзистора достаточно малы и их амплитудные значения не
превышают 10% от величины постоянных составляющих (режим малого
сигнала), то связь между ними можно считать линейной, а транзистор при
этом можно рассматривать как линейный четырёхполюсник. Переменные
составляющие сигналов обычно показывают в виде комплексов амплитуд
или действующих значений , Iк , UЭБ, UКБ или приращений Д/э ,
Мк, ^иэБ, AUКБ . Связь между указанными величинами может
устанавливаться в трёх различных системах дифференциальных пара-
метров (система Z-параметров, система Y-параметров и система
h-параметров). Наиболее широко при анализе и расчёте параметров
применяют систему h-параметров, которая связывает входные и
выходные величины следующими уравнениями:
ЭБ ~ ^11Б *	+ ^12Б * КБ ’	0)
К ~ ^21Б *	^22Б *	кб •	0)
Физический смысл h-параметров транзистора состоит в следующем:
h11E - входное сопротивление в режиме короткого замыкания на
выходе;
h12E ~ коэффициент внутренней обратной связи в режиме холостого
хода на входе;
h21E ~ коэффициент передачи тока в режиме короткого замыкания
на выходе;
h22E ~ выходная проводимость транзистора в режиме холостого хода
на входе.
Из формул (3) и (4) вытекают выражения для расчета, h-параметров:
h11E = MJ3E/Мэ , при Uкб - const;	(5)
31
h12E = MJЭБI MJКБ , при 1Э = const;	(6)
Л,„=Д7«/Д/, , при UКБ = const;	(7)
h22E = Мк /MJКБ , при 1Э = const.	(8)
Аналитический расчёт h-параметров сложен, намного проще их
получают измерением в области заданной рабочей точки или
графическим методом по входным и выходным характеристикам (рис. 3).
Для определения h11E на входной характеристике, соответствующей
среднему значению коллекторного напряжения, обозначают рабочую
точку А (р. т.) транзистора (рис. 3, а), которая задаётся средними
значениями входного тока 1Э т и входного напряжения U3E т . Через
рабочую точку А (р. т.) проводят касательную и строят треугольник BCD.
Затем используя формулу (5), находят:
h11K = BD/CD = Д /ДЛ, .
lib	Ju { А
Для определения h12E необходимо построить две входные
характеристики для двух значений коллекторного напряжения (рис. 3, б).
Через рабочую точку А (р. т.) проводят линию 1Э = const, что
соответствует холостому ходу на входе транзистора по переменной
составляющей тока эмиттера. Точки пересечения характеристик и этой
линии проецируют на ось U3E и определяют fsU3E. Затем, используя
формулу (6), находят h12E, приняв ДС/КБ = UКБ1 — UКБ2 .
Для определения h21E семейство выходных характеристик в области
рабочей точки пересекают линией UКБ = const, что соответствует
короткому замыканию по переменному току на выходе транзис-
тора (рис. 3, в). Затем по формуле (7) находят h21E, графически определив
Д/Л- и вычислив Д/э = 132 — 131 .
Для определения h22E (рис. 3, г) используют выходную характе-
ристику для тока эмиттера 13 т в рабочей точке, а затем находят А1К и
ДС/кб и по Ф°РмУле (^) рассчитывают h22E.
5.5.	Одним из главных недостатков биполярных транзисторов
является их температурная нестабильность, и её основной причиной
является обратный коллекторный ток. Температурная нестабильность-
явление нежелательное, т. к. температура влияет на ряд основных
параметров транзисторов и соответственно усилительных каскадов, таких
как коэффициент усиления, входное и выходное сопротивление, частота
32
автогенерации и т. д.
Температурная стабильность достигается следующим образом:
1)	. Использованием транзисторов с наименьшим током 1КБО . В этом
отношении кремниевые транзисторы лучше германиевых.
2)	. Использованием таких схем, в которых большая часть тока IКБО
отклоняется во внешние цепи, а через управляющий переход протекает
возможно меньшая часть.
3)	. Использованием дополнительных средств температурной
стабилизации.
Рис. 3. Графическое определение h-параметров по входным
и выходным характеристикам
33
По температурным свойствам схема с общей базой значительно
лучше схемы с общим эмиттером.
5.6.	Усилительные свойства транзистора в схеме с общей базой
характеризуются коэффициентом передачи тока эмиттера ОС.
Выражение для ОС имеет вид:
а _ Iк ~ КБО
В упрощённом виде ОС ~ I к ! I э . Для большинства транзисторов
ОС = 0,95 0,99. Усиления по току, очевидно, схема с общей базой не дает,
однако эта схема - хороший усилитель по напряжению с более широким
частотным диапазоном. Схема с ОБ широко применяется в стабилиза-
торах и фильтрах.
5.7.	Для обеспечения надёжной эксплуатации транзисторов
необходимо выполнять следующие условия:
1)	. Напряжения, подаваемые на эмиттерный переход в прямом
направлении, не должны превышать значений 0.5 В для германиевых и
1 В для кремниевых транзисторов. При превышении этих напряжений
эмиттерный переход перегревается.
2)	. Напряжение, подаваемое на эмиттерный переход в обратном
направлении, не должно превышать 5 В.
3)	. При разомкнутой базе напряжение пробоя минимально. Поэтому
следует избегать использования транзистора при разомкнутой базе
(с ’’плавающей” базой). Сопротивление цепи базы должно быть
минимальным.
4)	. Рабочие напряжения, токи, мощности не должны превышать
максимально допустимых. Нельзя допускать работу транзистора в
режиме, когда одновременно два параметра достигают максимально
допустимых значений.
5)	. Недопустима подача питающих напряжений неправильной поляр-
ности.
6)	. Следует соблюдать требования по монтажу, креплению и
теплоотводу.
6.	Указания по оформлению отчёта
Отчёт по лабораторной работе должен содержать следующие
разделы:
1)	Номер, название, цель работы;
2)	Электрические схемы;
3)	Результаты экспериментальных исследований и расчетов виде
таблиц и графиков в соответствии с рабочим заданием;
34
4)	Основные электрические параметры исследуемых транзисторов.
Сопоставить справочные данные с результатами, полученными при
снятии семейств входных и выходных ВАХ.
5)	Графоаналитический расчет h-параметров.
6)	Выводы по работе. Выводы должны быть содержательного, а не
описательного плана, в них должен присутствовать анализ полученных
экспериментальных данных. Дублирование цели работы и порядка ее
выполнения выводом не является!
7.	Контрольные вопросы
1)	. Поясните принцип усиления мощности и напряжения е помощью
биполярного транзистора в схеме с ОБ.
2)	. В каком режиме работы биполярный транзистор обладает
максимальным сопротивлением?
3)	. При каких условиях транзистор обладает большей термо-
стабильностью?
4)	. Какую размерность имеет параметр h12 1
5)	. Как объяснить влияние коллекторного напряжения на входные
характеристики транзистора?
6)	. Назовите основные условия надёжной эксплуатации
транзисторов.
7)	. При каких условиях возникает режим насыщения биполярного
транзистора?
8)	. Почему недопустима подача питающего напряжения
неправильной полярности?
9)	. Что такое входное и выходное сопротивление транзистора в с
схеме ОБ?
35
Лабораторная работа №6
ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
В СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ
1.	Цель работы
1.1.	Приобрести практические навыки в испытании биполярных
транзисторов и ознакомиться с методикой снятия входных и выходных
характеристик при схеме включения с общим эмиттером.
1.2.	Научиться определять по статическим характеристикам систему
дифференциальных h-параметров.
1.3.	Ознакомиться с системой основных параметров, характе-
ризующих свойства транзистора в схеме с общим эмиттером и оценить
влияние температуры на характеристики транзистора.
1.4.	Научиться проверять биполярные транзисторы на их
исправность и работоспособность.
2.	Описание лабораторной установки и рекомендации по проведе-
нию измерений
Снятие входных и выходных характеристик биполярного тран-
зистора осуществляется с использованием комплектного оборудования
универсального лабораторного стенда 87Л-01. При этом на блок
монтажного поля 1 устанавливается сменная панель 87Л-01/6, на которой
изображена схема включения транзистора с общим эмиттером с
измерительными приборами и регулируемыми источниками питания для
снятия характеристик. На рис. 1 приведена схема, изображенная на
сменной панели 87Л-01/6, для снятия входных и выходных характеристик.
В таблицах 1,2 показаны рекомендуемые значения токов и напряжений
для транзисторов типа КТ361, КТ315, МП41 и других маломощных. Для
снятия входных характеристик рекомендуется использовать:
G1 - генератор тока ГТ стенда;
РА1 (1Б) - АВМ1 на пределе измерения ”0.5 мА”;
PV1 (иБЭ) - АВМ2 на пределах измерения ”1 В” и ”0.5 В”;
РА2 (1к) - не используют, а гнёзда Х7 и Х8 закорачивают;
VT1 - транзистор КТ361
G2 - при снятии характеристики при UK3 = 0 В этот источник не
подключают, а гнёзда XII и Х12 закорачивают.
При снятии характеристики при UK3 = 1 В используют часть
диапазона выходного напряжения ГН1 от 0 до -7 В. При регулировании
выходного напряжения ГН1 в этих пределах его полярность противо-
положна указанной на лицевой панели питания.
При снятии характеристики при иКэ = 5 В используют ГН2 стенда.
36
PV2 (UK3) - не подключают, a UK3 измеряют ИВ стенда, переклю-
чатель которого при использовании ГН1 устанавливают в положение
”ГН1 -10 В”, а при использовании ГН2 - в положение ”ГН2 25 В”.
Для снятия выходных характеристик используют:
G2 - генератор напряжения стенда ГН2 при UK3? равном 6 и 10 В,
или ГН1 при икэ равном 0.1, 0.5 и 1 В;
При снятии выходной характеристики для 1Б = 0 генератор тока ГТ
не подключают, оставляя источник G1 разомкнутым. При измерении 1к в
качестве РА2 используют мультиметр в режиме микроамперметра
постоянного тока. Данный способ применим только для биполярных
маломощных кремниевых транзисторов.
Для снятия остальных выходных характеристик при различных токах
базы в качестве G1 используют генератор тока ГТ стенда;
РА1 (1Б) - АВМ2 на пределе измерения ”0.5 мА”;
PV1 (иБЭ) - не подключают;
РА2 (IK) - АВМ1 на пределах измерения ”100 мА”, ”50 мА”, ”10 мА”,
”5мА”и”1 мА”;
PV2 (икэ) - ИВ стенда, переключаемый в положение ТШ 10В” или
”ГН2 25 В”;
VT1 - транзистор КТ361.
3.	Предварительное задание
3.1.	Ознакомиться с целью работы, описанием лабораторной
установки и с рекомендациями по проведению измерений.
3.2.	Изучить систему обозначений биполярных транзисторов, их
конструктивные особенности, систему параметров, маркировку и
цоколевку приведенные в справочниках.
3.3.	Подготовить конспект отчёта по лабораторной работе в
соответствии с указаниями по оформлению отчёта (и. 6, разделы 1 - 4 -
заготовка таблиц и расчетных формул).
3.4.	Ознакомиться с совокупностью систем дифференциальных
параметров и эквивалентными схемами биполярных транзисторов.
3.5.	Подготовить формулы пересчета h-параметров для схемы с ОЭ
через параметры схемы с ОБ.
3.6.	Изучить влияние температуры на основные параметры
транзистора в схеме с ОЭ.
3.7.	Ознакомиться с механизмами возникновения пробоя биполяр-
ного транзистора и их особенностями в различных схемах включения.
Примечание: Предварительное задание даётся для обеспечения
теоретической и методической подготовки студентов к выполнению
лабораторной работы, программа которой приведена в рабочем здании.
Оценка подготовленности студентов к выполнению лабораторной работы
37
может осуществляться преподавателем в результате опроса по
пунктам 3.1 - 3.7 предварительного задания.
4.	Рабочее задание
4.1.	Собрать схему, приведенную на рис. 1 в соответствии с
рекомендациями, приведёнными в и. 2.
4.2.	Снять входные и выходные характеристики биполярного
транзистора. Результаты измерений занести в таблицы, заготовленные по
образцам.
4.3.	Построить входные и выходные характеристики в
соответствующих осях.
4.4.	Нанести на входных и выходных характеристиках рабочую
точку с теми же координатами (IK , Uк), что и в предыдущей работе при
исследовании транзистора, включенного с ОБ.
4.5.	Выполнить построения на входных и выходных характеристи-
ках для определения h-параметров, рассчитать их и занести в таблицу 3.
4.6.	Пересчитать h-параметры, полученные для схемы с ОБ
применительно к схеме включения с ОЭ, записать в таблицу 3 и
сопоставить их значения с результатами, полученными в и. 4.5.
4.7.	Сделать выводы по работе.
Таблица 1
Входные вольт-амперные характеристики транзистора
Ток базы 1Б, мкА		50	100	200	300	400	500
Напряжение база- эмиттер UБЭ , В, при ^кэ •> В	0						
	1						
	5						
Таблица 2
Выходные вольт-амперные характеристики транзистора
Напряжение коллектор-эмиттер кэ -> В		0.1	0.5	1	4	6	10
Ток коллектора 1к , мА, при 1Б, мкА	0						
	50						
	100						
	200						
	300						
	400						
	500						
38
РА2
XHJ?-
ГН2 G2
X120+
Рис. 1. Схема для снятия входных и выходных характеристик
биполярного транзистора при включении с ОЭ
Таблица 3
Расчетные значения h - параметров
Параметры, ед. изм.		hn	^21	h п22
1. Значения, определенные для схемы с ОЭ по характеристикам				
2. Для схемы с ОБ (из лабораторной работы №5)				
3. Значения, полученные в результате пересчета				
5.	Методические указания и теоретические положения
5.1.	Предполагается, что теоретические положения и методические
указания, приведенные в лабораторной работе №5, изучены и в
дальнейшем имеет место изложение других положений теории и практики
применения биполярных транзисторов.
5.2.	На рис. 2 представлены входные и выходные характеристики
биполярного транзистора в схеме с ОЭ.
Входные характеристики в схеме с ОЭ (рис. 2, а) выражают
зависимость тока базы от прямого напряжения UБЭ при заданном напря-
жении UK3, при котором коллекторный переход смещен в обратном
39
направлении. Таким образом, входные характеристики в схеме с ОЭ - это
зависимости 1Б = f (UБЭ) при Uкэ = const.
Выходные характеристики - это зависимости IK = f (Цкэ) при
1Б = const. Как следует из рис. 2, б, коллекторный ток в схеме с ОЭ
более заметно возрастает при увеличении напряжения Uкэ по сравнению
с аналогичными зависимостями для схемы с ОБ. Это объясняется
влиянием напряжения Uкэ на коэффициент передачи тока базы [3. С
ростом Uкэ увеличивается коэффициент (3 .
Рис. 2. Входные (а) и выходные характеристики (б)
Коэффициент передачи тока базы определяется из соотношения
.	с»
Б + КБО
где 1КБО - это обратный ток обратносмещенного коллекторного
перехода. На практике часто принимают /3 ~ Iк /1Б .
Крутые участки выходных характеристик при малых напряжениях
Uкэ соответствуют режиму насыщения (PH). Все они пересекают ось
напряжений в точке С70 = (рл- • 1п(1/бХ г) . Например, при =0.1 имеем
С70 = 0.06 В, где ССХ - коэффициент передачи тока при инверсном
включении транзистора. В точке С70 ток инжектированных носителей,
40
собираемый коллектором из базы, полностью компенсируется противо-
положно направленным током инжекции коллекторного перехода,
поэтому ток коллектора равен нулю.
5.3.	Связь между коэффициентом передачи тока эмиттера ОС в схеме
с ОБ и коэффициентом передачи тока базы /3 устанавливается из
соотношения:
~ Б ~	IКБО ^Б •>
откуда получим:
• (1 — ос} = 1Б + 1КБО.	(3)
Учитывая, что ОС • 1Э = 1К — 1КБО , выражение (1) примет вид:
Р _ IК ~ ^КБО _ а '	_ а	0)
^Б IКБО	4 ’ 0 “ ^—ОС
В справочниках для транзисторов обычно приводится коэффициент
передачи тока базы /3, поэтому часто возникает задача обратного
пересчета. Из выражения (3 = ос/(1 — б/) (4) получаем зависимость
а = (3/(\ + (3}.	(5)
5.4.	В режиме усиления малых сигналов транзистор, включенный с
ОЭ, эквивалентно представляют линейным четырехполюсником, входные
и выходные параметры которого связаны следующими уравнениями:
A= /?zzq • А/Р + Az?~ • At/^q ;	(6)
H J	L>	IZ J	K J ~	v /
Д/л. = h„ q • MK +	• ДГЛ.., .	(7)
A	^1J	L>	Ag/	v 7
Физический смысл h-параметров был пояснен в лабораторной
работе №5. Рассчитывают h-параметры для схемы с ОЭ по формулам:
h113 = MJБ3/ МБ , при Uкэ = const;	(8)
h123 = MJБЭ/MJкэ , при 1Б = const;	(9)
л,„ =	, при Uкэ = const;	(10)
h223 = Л1К /А UK3 , при 1Б = const.	(11)
На рис. 3 показана методика графического определения h-параметров
по входным и выходным характеристикам транзистора в схеме с ОЭ.
Для определения h113 проводят через рабочую точку А (р. т.)
касательную к входной характеристике и строят треугольник BCD
(рис. 3, а). Тогда, согласно формуле (8) h113 = BD/CD = At/БЭ/А1Б .
Для определения h123 выбирают две входные характеристики,
41
снятые при двух значениях напряжений между коллектором и эмиттером
(рис. 3,6), и проводят через А (р. т.) линию 1Б = const,
соответствующую холостому ходу на входе транзистора. Затем точки
пересечения этой линии с характеристиками проецируют на ось UБ3,
определяют АС/кэ = UКЭ2 —UКЭ1, находят АС/БЭ и рассчитывают h123
по формуле (9).
Рис. 3. Графическое определение h-параметров по ВАХ
Для определения h213 семейство выходных характеристик вблизи
А (р. т.) пересекают линией Uкэ = const (рис. 3, в), что соответствует
короткому замыканию на выходе транзистора для переменной состав-
ляющей сигнала (АС/кэ = 0). Затем по формуле (10) рассчитывают h213,
42
определив графически Д/Л- и &1Б как разность 1Б2 — 1Б1.
Для определения h223 выбирают из семейства выходную характе-
ристику, снятую при 1Б р т . Находят приращение тока коллектора Мк ,
вызванное приращением напряжения на At/кэ на нем, при постоянном
токе базы (рис. 3, г) и по формуле (11) рассчитывают h223 .
Рабочая точка транзистора в схеме с ОЭ выбирается с учетом
положения ее на выходных характеристиках в схеме с ОБ.
5.5.	Параметры для различных схем включения транзисторов
связаны между собой. Например, для схемы с общим эмиттером они
выражаются через параметры схемы с общей базой следующим образом:
^11Э = ^11Б /0 _ ^21б)	(^)
h -h
h =h -	11Б 22Б	•	ПЗ)
Н12Э Н12Б	ч _г	•>	О-Э
1 “ "21Б
^21Э = ^21Б /'О-	— ^21б) ’	(14)
^22Э = ^22Б /О — ^21Б ) •	(1
5.6.	При повышении температуры увеличивается проводимость
полупроводников и токи в них возрастают. Практически в два раза на
каждые 10 °C увеличения температуры возрастает обратный ток
р-п-перехода. Возрастание обратного тока приводит к изменению
характеристик транзистора. Следует отметить, что схема с ОЭ обладает
низкой температурной стабильностью и весьма сильно изменяет свои
свойства при повышении температуры, что является ее существенным
недостатком по сравнению со схемой с ОБ. Это обстоятельство можно
подтвердить следующим примером [4]. Пусть для германиевого
транзистора, у которого (3 =100, обратный ток при t = 20 °C составляет
1КБО = 2 МКА. При рабочей температуре, t = 70 °C обратный ток с учетом
температуры удвоения увеличится в 32 раза и составит 64 мкА. В схеме
с ОБ из равенства 1К = 1Э + 1КБО можно считать, что ток коллектора
возрастет на 64 мкА, если приближенно принять, что коэффициент
передачи не зависит от температуры.
Совсем иное получается при работе транзистора в схеме ОЭ.
Начальным током для этой схемы является сквозной ток 1КЗО, который
приблизительно в (5 раз больше тока 1КБО . В рассматриваемом примере
1КЗО ~ Р * ^кбо = Ю0 ’ 2 = 200 мкА при t = 20 °C. При t = 70 °C этот ток
43
составит 6400 мкА, т. е. увеличится на 6.2 мА. Ясно, что при таком
сильном изменении тока выходные характеристики резко изменяют свое
положение. Если не осуществить температурную стабилизацию, то работа
усилительного каскада по схеме ОЭ при нагреве может стать совершенно
неудовлетворительной.
5.7.	Для обеспечения надежной эксплуатации транзисторов
необходимо иметь четкое представление о механизмах возникновения
пробоя транзистора и об особенностях, имеющих место в различных
схемах включения.
С повышением напряжения на коллекторе и соответственно на
коллекторном переходе начинает сказываться лавинное размножение
носителей (запускается механизм лавинного пробоя р-п-перехода).
Толщина базы становится меньше, что приводит к увеличению градиента
концентрации носителей заряда в базе, к уменьшению времени
нахождения носителей в базе, к уменьшению роли рекомбинации в базе.
Это ведет к росту коэффициентов передачи токов h213 и h21E.
При достаточно большом коллекторном напряжении может
произойти смыкание эмиттерного и коллекторного переходов. По
внешним признакам смыкание напоминает пробой или короткое
замыкание эмиттера с коллектором.
В схеме с ОЭ напряжение пробоя UK3O б значительно ниже, чем в
схеме с ОБ. Понижение напряжения лавинного пробоя в схеме ОЭ
объясняется проявлением внутренней положительной обратной связи.
Механизм проявления такой связи достаточно подробно изложен в [3].
Необходимо помнить, что в схеме с ОЭ, если в цепь базы включено
относительно большое сопротивление, то пробой может возникнуть при
значительно меньших напряжениях, чем пробивное напряжение
коллекторного перехода.
При включении транзистора в схему, находящуюся под напряжением
(например, при измерении параметров транзистора), вначале необходимо
присоединить вывод базы, а затем выводы эмиттера и коллектора.
Следует иметь представления о вторичном пробое, под которым
понимают явления связанные с разогревом коллекторного перехода (как
при тепловом пробое р-п-перехода). При этом происходит шнурование
тока, проходящего через коллекторный переход. Шнурование тока
связано с локальным увеличением плотности тока и локальным
разогревом. Если ток через транзистор не ограничивать, то локальный
разогрев приведет к необратимым явлениям в транзисторе, вплоть до
локального расплавления. Чаще всего, в результате вторичного пробоя
базовая область транзистора проплавляется эмиттерным сплавом, т. е.
сквозь базу протягивается тонкая область того же типа электро-
44
проводности, что и коллекторно-эмиттерная.
6.	Указания по оформлению отчёта
Отчёт по лабораторной работе должен содержать следующие
разделы:
1)	Номер, название и цель работы.
2)	Рабочее задание.
3)	Электрические схемы.
4)	Результаты экспериментальных исследований и расчётов в виде
таблиц и графиков (другие материалы) в соответствии с рабочим
заданием.
5)	Основные электрические параметры исследуемых транзисторов.
Сопоставить справочные данные с результатами, полученными при
снятии семейств входных и выходных ВАХ.
6)	Графоаналитический расчет h-параметров.
7)	Выводы по работе. Выводы должны быть содержательными, а не
описательными, в них должен присутствовать анализ полученных
экспериментальных данных. Дублирование цели работы и порядка ее
выполнения выводом не является!
7.	Контрольные вопросы
1.	Какая из схем с ОЭ или с ОБ обладает лучшей термостабиль-
ностью?
2.	Поясните влияние температуры на коэффициент передачи (31
3.	Какие параметры условий работы транзистора оказывают
наиболее существенное влияние на коэффициент /3 ?
4.	Влияет ли коэффициент (3 на напряжение пробоя транзистора и
при каких условиях?
5.	Какую роль оказывает сопротивление цепи базы при
возникновении пробоя?
6.	Почему при включении транзистора в схеме с ОБ напряжение
пробоя возрастает?
7.	Вследствие каких явлений происходит смыкание переходов?
8.	Что такое эквидистантность семейства характеристик, и почему
выходные характеристики в схеме с ОЭ неэквидистантны?
9.	Сравните выходные характеристики транзистора в схемах с ОЭ и
ОБ на участках пробоя.
10.	Почему при проверке транзистора на исправность в первую
очередь подключают базу в схемах проверки?
45
Лабораторная работа №7
ИСЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА
С УПРАВЛЯЮЩИМ р-п-ЗАТВОРОМ
1.	Цель работы
1.1.	Приобрести практические навыки в испытании полевых
транзисторов с управляющим р-п-затвором и ознакомиться с методикой
снятия стоко-затворных и выходных (стоковых) характеристик.
1.2.	Научится определять по статическим характеристикам
дифференциальные параметры полевого транзистора.
1.3.	Ознакомиться с системой основных параметров,
характеризующих свойства транзистора в схеме с общим истоком и
оценить влияние температуры на характеристики транзистора.
1.4.	Ознакомиться с методикой и способами проверки полевых
транзисторов на их исправность и работоспособность.
2.	Описание лабораторного стенда и рекомендации по проведению
измерений
2.1.	Снятие стоко-затворных и выходных (стоковых) характеристик
полевого транзистора с управляющим р-п-затвором осуществляется на
универсальном лабораторном стенде 87Л-01. При этом на блок
монтажного поля 1 устанавливается сменная панель 87Л-01/7, на которой
изображена схема включения полевого транзистора с общим истоком с
измерительными приборами и регулируемыми источниками питания для
снятия характеристик. На рис. 1 приведена указанная схема и даны
образцы таблиц для записи результатов измерений. В табл. 1, 2 показаны
рекомендуемые значения токов и напряжений, задаваемые при снятии
характеристик транзистора КП 103 с каналом р-типа.
2.2.	Для проведения измерений рекомендуется использовать:
G1 (ГН1) - источник напряжения U3H на затворе. Предварительно
следует установить по измерителю выхода ИВ стенда нулевое
напряжение на выходе этого источника. Выходное напряжение ГН1
регулируют в пределах от 0 до -7 В, при этом полярность его
противоположна указанной на лицевой панели. Увеличивать выходное
напряжение ГН1 в этом интервале регулирования следует вращая
регуляторы против часовой стрелки.
G2 (ГН2) - источник напряжения между стоком и истоком иСи;
46
PAI
Рис. 1. Схема включения полевого транзистора для снятия вольт-
амперных характеристик.
Таблица 1
Стоко-затворные (передаточные) характеристики полевого транзистора
Напряжение затвор-исток ^зи •> ®		0	0.2	0.4	0.8	1.2	1.6
Ток стока 1с, мА, при напряжении сток-исток UCH, В	5						
	10						
Таблица 2
Выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора
Напряжение сток-исток си ’ ®		1	2	3	5	8	9	10
Ток стока 1с, мА, при напряжении затвор-исток зи ’ ®	0							
	0.3							
	0.6							
	0.9							
	1.2							
47
PV1 (U3H) - измеритель напряжения на затворе по отношению к
истоку (АВМ1 на пределе измерения ”2,5 В”);
РА1 (1с) - измеритель тока стока (АВМ2 на пределах измерения
”5 мА”, ”1 мА”,”0.5 мА”);
PV2 (иСи) - измеритель напряжения на стоке по отношению к истоку
(ИВ стенда, переключатель которого устанавливают в положение
”ГН2 25 В”). Следует помнить, что максимально допустимое напряжение
между стоком и истоком для исследуемого транзистора составляет 10 В.
VT1 - транзистор КП 103И.
3.	Предварительное задание
3.1.	Ознакомиться с целью работы и рекомендациями по
проведению измерений.
3.2.	Подготовить конспект отчета по лабораторной работе (п. 6,
разд. 1, 2, 3, 4).
3.3.	Изучить устройство и принцип действия полевого транзистора с
р-п-затвором.
3.4.	Ознакомиться с совокупностью вольт-амперных характеристик,
изучить систему обозначений полевых транзисторов, их конструктивные
особенности, систему параметров, маркировку и цоколевку приведенные
в справочниках.
3.5.	Изучить влияние температуры на характеристики полевых
транзисторов.
Примечание. Предварительное задание дается для обеспечения
теоретической и методической подготовки студентов к выполнению
лабораторной работы, программа которой приведена в рабочем задании.
Оценка подготовленности студентов к выполнению лабораторной работы
может осуществляться преподавателем в результате опроса по пунктам
3.1 - 3.5 предварительного задания.
4.	Рабочее задание
4.1.	Собрать схему, приведенную на рис. 1.
4.2.	Снять стоко-затворные характеристики Ic = f (Uзи)	при
U си _ 5 В и Uси = 10 В. Результаты измерений занести в табл. 1.
4.3.	Снять семейство стоковых (выходных) характеристик
Ic= f (иси ) при различных значениях напряжения затвор-исток Uзи .
Рекомендуемые значения UCII приведены в табл. 2.
4.4.	Построить стоко-затворные и стоковые характеристики.
48
4.5.	Рассчитать основные дифференциальные параметры полевого
транзистора с р-п-затвором (крутизну стоко-затворной характеристики S ,
выходную проводимость G22h , коэффициент усиления /л ).
4.6.	Привести справочные данные исследуемого транзистора и
сопоставить их с результатами измерений.
4.7.	Сделать выводы по работе.
5.	Методические указания и теоретические положения
5.1.	Полевыми транзисторами называют полупроводниковые
приборы, у которых для управления током используется зависимость
электрического сопротивления токопроводящего слоя от напряженности
поперечного электрического поля. Слой полупроводника, в котором
реализуется поток носителей заряда, называется каналом. Электрическое
поле, воздействующее на сопротивление канала, создается с помощью
расположенного над каналом металлического электрода, называемого
затвором.
Затвор должен быть электрически изолирован от канала. В
зависимости от способа изоляции различают:
-	транзисторы с управляющим р-п-переходом или с р-п-затвором
(изоляция затвора от канала осуществляется обедненным слоем
р-п-перехода);
-	транзисторы с металлополупроводниковым затвором, или затвором
Шоттки, изоляция затвора от канала осуществляется обедненным слоем
перехода металл-по лупроводник);
-	транзисторы, у которых затвор изолирован от канала
диэлектриком, - транзисторы с изолированным затвором (МДП-тран-
зисторы).
5.2.	На рис. 2 показана структура полевого транзистора с
управляющим р-п-переходом и каналом p-типа плоской конфигурации.
Такие транзисторы имеют сравнительно большую площадь р-п-перехода
затвора и поэтому обладают большой емкостью затвора и плохими
частотными свойствами. Для устранения этого недостатка р-п-переход
затвора размещается в узкой канавке поперек токопроводящего канала.
Канал и затвор транзисторов данного типа выполняются диффузионным
методом. В области затвора создается повышенная концентрация
примесей (п+-типа), что обеспечивает увеличение толщины р-п-перехода
главным образом в сторону канала, т. е. усиливает управляющее действие
затвора. Области вблизи истока и стока также выполняются с
повышенной концентрацией примесей (р+-типа), чтобы уменьшить
бесполезное падение напряжения и потерю мощности в этих областях.
Исходная пластинка (подложка) является в данном случае областью
49
n-типа и служит вторым затвором.
Полевой транзистор цилиндрической формы обладает малой
междуэлектродной емкостью и высокими рабочими частотами. Примером
транзисторов такого типа служит структура, показанная на рис. 3, в схеме
включения с общим истоком. Затвором служит кольцевой р-п-переход,
расположенный в углублении на поверхности цилиндра.
Рис. 2. Структура полевого транзистора с управляемым р-п-переходом
и каналом p-типа плоской конфигурации
Рис. 3. Структура полевого транзистора с управляющим р-п-переходом
цилиндрической конфигурации в схеме включения с общим истоком
В основе принципа действия полевого транзистора лежит изменение
сечения проводящего канала и, соответственно, его сопротивления счет
увеличения или уменьшения ширины р-п-перехода между подзатворными
областями п+ и каналом р при приложении обратного напряжения Uзи .
50
В результате будет изменяться величина тока стока 1С,
протекающего по каналу в выходной цепи транзистора, под воздействием
приложенного к стоку напряжения UCII.
Из рис. 3 следует, что объемный заряд управляющего р-п-перехода
расширяется в большей степени в сторону канала, причем в области
прилегающей к стоку, обедненные области подзатворных р-п-переходов
значительно быстрее смыкаются. Это объясняется тем, что обратное
напряжение U3C > Uзи на величину UCH .
Основными вольт-амперными характеристиками являются выходные
и передаточные (стоко-затворные) характеристики.
Выходные характеристики полевого транзистора в схеме с общим
истоком (ОИ) определяют зависимость тока стока 1С от напряжения
стока UCH при заданных величинах напряжения затвора Uзи :
Ic= f (UCH) при изи = const.
При Uзи = 0 канал имеет постоянную начальную толщину и
электрическое сопротивление RK{} . При подаче на сток напряжения UCH
вдоль канала появляется падение напряжения, под действием которого
р-п-переходы расширяются и, как отмечалось ранее, чем ближе к стоку,
тем уже становится канал. При повышении напряжения стока
UCH выходной ток 1С возрастает, но при этом одновременно
уменьшается толщина канала по всей его длине и увеличивается
сопротивление канала. Поэтому зависимость Ic= f (UCH) оказывается
нелинейной, рост тока с увеличением UCII замедляется. Когда
напряжение стока достигает величины напряжения насыщения
UCH = ^нас. ’ канал в области стока перекрывается и дальнейший рост
тока стока 1С практически прекращается.
При дальнейшем повышении UCH > UHac участок перекрытого
канала увеличивается и на нем падает избыток напряжения UCH — UHac .
Незначительнее увеличение тока стока 1С при UCII > ?7нас объясняется
некоторым уменьшением эффективной длины перекрытой части канала за
счет увеличения перекрытой части. В результате выходная
дифференциальная проводимость транзистора сток-исток на пологом
участке имеет конечное значение.
На рис. 4, а показано семейство выходных характеристик полевого
51
транзистора, с увеличением обратного напряжения Uзи характеристики
смещаются вниз, т. е. перекрытие канала наступает при меньшем
напряжении UCH.
При чрезмерно большом напряжении стока UCII наступает пробой
р-п-перехода и ток в цепи сток-затвор лавинообразно нарастает. Пробой
возникает в области стока, где разность потенциалов на переходе
максимальна. Пробивное напряжение стока уменьшается с увеличением
Uзи на величину этого напряжения.
Следует обратить внимание на то, что при подаче на затвор прямого
напряжения Uзи может произойти существенное увеличение тока
затвора и тока стока, что не желательно с точки зрения надежной
эксплуатации прибора и устройства на его основе.
На рис. 4, б показаны передаточные (стоко-затворные характерис-
тики) Ic = f(U3II) при UCH = const, откуда следует, что ток 1С
имеет максимальную величину при напряжении затвора, равном нулю.
При подаче обратного напряжения на затвор р-п-переход расширяется,
толщина канала уменьшается, его сопротивление возрастает и ток стока
1С становится меньше.
Когда напряжение затвора достигает величины напряжения отсечки,
канал полностью перекрывается и ток в выходной цепи падает до
минимального значения, определяемого концентрацией неосновных
носителей. Величина этого тока при повышенной температуре единицы
микроампер.
Передаточная характеристика полевого транзистора в режиме, когда
UCH > ^нас. ’ Х0Р0Ш0 аппроксимируется зависимостью
( и Г
ic = ic • 1--^- .	а)
С Стах	тт	v 7
\ ^отс. J
Опыт показывает, что это уравнение хорошо отображает реальные
характеристики независимо от закона распределения примесей в канале.
Параметры зависимости (1) определяют следующим образом. Начальный
ток /Стах измеряют при Uзи = 0, а для нахождения U()тс измеряют
напряжение Uзи
при
1С=-1С
С У| С max
. Тогда напряжение
отсечки находят
из следующего соотношения [7]: С7отс =2U3H. Такой способ
нахождения напряжения отсечки дает более точный результат, чем при
52
непосредственном измерении.
Рис. 5. Влияние температуры на передаточную характеристику
Входные характеристики представляют собой зависимость тока
затвора 13 от напряжения затвора Uзи при UC3I = const.
Поскольку полевой транзистор работает при обратном напряжении
53
затвора, то ток затвора является по сути обратным током р-п-перехода и
имеет небольшое значение (единицы микроампер). При прямом смещении
транзисторы с р-п-затвором не используют, так как в этом режиме
эффективность управления снижается, ток затвора резко возрастает.
Влияние температуры на свойства полевого транзистора показано на
рис. 5. Эти зависимости объясняются следующим образом. В области
рабочих температур все примеси ионизированы, проводимость
объясняется концентрацией примесных носителей. Собственная
проводимость не играет заметной роли. С ростом температуры
подвижность носителей заряда в канале падает, что приводит к
повышению сопротивления канала, т. е. к уменьшению тока стока. С
другой стороны, контактная разность потенциалов в области рабочих
температур с ростом температуры уменьшается, что влечет за собой
увеличение канала, т. е. увеличение тока стока. Температурный
коэффициент тока стока определяется выражением [7]:
ТК1 =— К"" d‘p‘ т
r <J.„. \ 4	лт	т 
Первая составляющая зависимости
температуры на контактную разность
составляющая - подвижностью. В точке
(2)
определяется влиянием
потенциалов, а вторая
С (рис. 5) температурный
коэффициент равен нулю. Это свойство полевого транзистора является
полезным на практике. Величина тока стока 7 в термостабильной точке
определяется выражением
z \ 2
. I 274 .
В целом, температурные коэффициенты у полевого транзистора
значительно лучше, чем у биполярного, и обычно не превышают 0.2 % на
градус.
Основными дифференциальными параметрами полевого транзистора
являются крутизна, выходная проводимость и коэффициент усиления.
Ток стока в полевом транзисторе с р-п-затвором зависит от двух
переменных - напряжения затвора и напряжения стока:
Л = f (Uзи,Uси).
Основные дифференциальные параметры определяются из
выражения для полного дифференциала тока стока
„ д1с JTT д1с
dlr =----— dUllf Ч----— dUr[f	(4)
дизи	диси
54
В режиме малого сигнала выражение (4) записывают в виде
/с = SUзи +	,	(5)
о д1с
где о =------- - крутизна (проводимость прямой передачи),
^изи
определяется при UCH = const;
r 5/с
Чых =--------- - выходная проводимость транзистора, определяется
диси
при изи = const.
Крутизна характеризует управляющее действие затвора, численно
равна величине изменения тока стока при изменении напряжения затвора
на 1 В.
Выходная проводимость характеризует влияние напряжения стока на
ток стока, численно она равна величине изменения тока стока (в
микроамперах) при изменении напряжения на 1 В.
Обычно крутизну S рассчитывают для режима, соответствующего
линейному участку стоко-затворной характеристики. Для этого строят
треугольник ЛВС (рис. 4, б).
Выходная проводимость Ствых определяется наклоном выходной
характеристики, из треугольника ЛВС (рис. 4, а).
Коэффициент усиления // определяется отношением приращения
напряжения стока и затвора, вызывающих одинаковое по величине и
противоположное по знаку приращение тока стока:
и =----—
dU0TC,
Ic = const	(6)
Величину // можно определить через крутизну и выходную
проводимость
P = S/GB^	(7)
Помимо высокого входного сопротивления полевые транзисторы
имеют ряд преимуществ по сравнению с биполярными. Так как в полевом
транзисторе ток вызван перемещением основных носителей,
концентрация которых определяется преимущественно количеством
примеси, поэтому они являются более термостабильными.
55
6.	Указания по оформлению отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие
разделы:
1)	Номер, название и цель работы.
2)	Электрические схемы.
3)	Результаты измерений и расчетов в виде таблиц и графиков
(другие материалы) в соответствии с рабочим заданием.
4)	Основные электрические параметры исследуемых транзисторов,
т. е. те параметры. Сопоставить справочные данные с результатами,
полученными при снятии семейств передаточных и выходных ВАХ.
5)	Графоаналитический расчет дифференциальных параметров.
6)	Выводы по работе. Выводы должны быть содержательного, а не
описательного плана, в них должен присутствовать анализ полученных
экспериментальных данных. Дублирование цели работы и порядка ее
выполнения выводом не является!
7.	Контрольные вопросы
1)	. Какие разновидности полевых транзисторов существуют в
зависимости от способа изоляции затвора?
2)	. Чем объясняется высокое входное сопротивление полевых
транзисторов?
3)	. Чем определяется тип носителей в канале?
4)	. Какую роль может играть подложка?
5)	. Почему канал в большей степени смыкается в области стока?
6)	. Чем определяется полярность напряжения Uзи ?
7)	. Поясните характер изменения Ic = f (UCH) при UCH > UHac ?
8)	. Как влияет температура на свойства полевого транзистора?
9)	. Влияет ли концентрация примеси в канале на величину
напряжения отсечки U0TC ?
10)	. Как определяются крутизна и выходная проводимость полевого
транзистора?
56
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1.	Колонтаевский Ю. Ф. Лабораторный практикум по радиоэлектро-
нике. 2-е изд., перераб. М.: Высшая школа, 1989. 206 с.
2.	Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных
схем: Учебник. М.; Энергия, 1977. 672 с.
3.	Электронные приборы: Учебник для вузов /И. Н. Дулин,
Н. А. Аваев, В. П. Демин и др.; Под ред. Г. Г. Шишкина. М.: Энерго-
атомиздат, 1989. 490 с.
4.	Жеребцов И. П. Основы электроники. 5-е изд., перераб. и доп. Л.:
Энергоатомиздат Ленингр. отд-ние, 1990. 352 с.
5.	Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов / Н. М. Тутов,
В. А. Глебов, Н. А. Чарыков / Под ред. В. А. Лабунцова. М.: Энерго-
атомиздат, 1981.
6.	Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учеб-
ник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1987. 479 с.
7.	Батушев П. А. Электронные приборы: Учебник для вузов. 2-е
изд.,перераб. и доп. М.: Высш, щкола, 1980. 383 с.
8.	Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектрон-
ные приборы: Справочник / А. В. Базаков, А. В. Гитцевич, А. А. Зайцев
и др.; Под общ. ред. Н. Н. Горюнова. 2-е изд., перераб. М.: Энерго-
атомиздат, 1984. 744 с.
57
СОДЕРЖАНИЕ
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТНОГО СТЕНДА 87Л-01..............3
Лабораторная работа №1
ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ „9
Лабораторная работа №2
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИТРОНА И СТАБИСТОРА............17
Лабораторная работа №5
ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
В СХЕМЕ С ОБЩЕЙ БАЗОЙ.............................25
Лабораторная работа №6
ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
В СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ.........................36
Лабораторная работа №7
ИСЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА
С УПРАВЛЯЮЩИМ р-п-ЗАТВОРОМ........................46
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА..........................57
58