Общие сведения 2 страница

3. Снять семейство входных характеристик U _бэ(I _б) при U _кэ=0 и при U _кэ=8...10 В. Для этого регулятором R2 установить напряжение U _кэ и, поддерживая его неизменным, изменять регулятором R1 ток базы согласно табл.2.3. Значения напряжения U _бэ записать в табл.2.3.

Таблица 2.3

I б, мА		0,1	0,2	0,4	0,6
U бэ, мВ при	U кэ=0
U кэ=8...10

4. Регуляторы R1 и R2 установить в крайние левые положения. Переключатель П2.1 установить в положение 5 для исследования полевого транзистора VT2.

5. Снять семейство выходных (стоковых) характеристик МДП-транзистора I _с(U _си) при U _зи = const. С этой целью регулятором R1 поочередно установить заданные табл.2.4 значения напряжения U _зи и, поддерживая U _зи = const, изменять регулятором R2 напряжение U _си от 0 до 8...10В. Значения тока стока записать в табл.2.4 (во избежание повреждения транзистора ток стока не должен превышать 13 мА).

Таблица 2.4

U си, В		0,2	0,5	1,0					8...10
I c, мА при	U зи=0,8 В
U зи=0,4 В
U зи=0
U зи=-0,4В
U зи=-0,8

6. Снять передаточные характеристики I _с(U _зи) при U _си = const. Для этого регулятором R 2 установить заданные табл. 2.5 значения напряжения U _си и, изменяя U _зи согласно табл.2.5, записать значения тока стока.

Таблица 2.5

U зи, В	0,8	0,4		-0,4	-0,8
I с, мА При	U си =5 В
U си=8...10B

7. По результатам п.п.2,3 и 5,6 построить характеристики. По характеристикам п.п.2,3 определить параметр биполярного транзистора, заданный вариантом предварительного задания. По характеристикам п.п.5,6 определить крутизну S, внутреннее сопротивление R_i и коэффициент усиления m полевого транзистора. Сравнить эти значения с полученными в предварительном задании.

Содержание отчета

Цель работы; расчет предварительного задания к эксперименту с вычерченными на миллиметровой бумаге графиками характеристик биполярного и полевого транзисторов (рис.2.2,б,в; 2.4,в); сравнительный анализ биполярного и полевого транзисторов; схему экспериментальной установки (рис.2.5); таблицы измерений; на графикахрис.2.2,б,в и 2.4,в нанести экспериментальные точки; зависимость b (I _к) при U _кэ=10 В; расчет максимального значения крутизны передаточной характеристики полевого транзистора при U _си=10 В.

Контрольные вопросы

1. Как образуется n - p -переход и каковы его свойства? 2. Каково устройство биполярного транзистора и принцип его работы в схеме с общей базой и с общим эмиттером. 3. Как изображают на схемах транзисторы n - p - n и p - n - p -типов? 4. Какова полярность напряжений между электродами транзисторов n - p - n и p - n - p типов? 5. Какие функции выполняет эмиттер и коллектор? 6. Объясните характер входных и выходных характеристик биполярного транзистора. 7. Почему запрещается отключать вывод базы при наличии напряжения на эмиттере и коллекторе? 8. Что представляет собой обратный ток коллекторного перехода? 9. Объясните физический смысл h -параметров транзисторов и как они определяются по входным и выходным характеристикам? 10. Почему коэффициент усиления по току b не остается постоянным при изменении тока эмиттера? 11. Каковы конструкции полевых транзисторов с n - p -переходом и с изолированным затвором? 12. Принцип действия полевых транзисторов, их основные характеристики и параметры. 13. Что такое напряжение отсечки полевого транзистора, как оно определяется? 14. Что такое ток насыщения транзистора и как он определяется? 15. Каковы преимущества полевых транзисторов перед биполярными?

Лабораторная работа №3

ФОТО- И ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Цель работы: изучение структуры, основных характеристик фотодиода и фоторезистора, принципа функционирования простейших устройств на оптронах.

Общие сведения

Оптоэлектроникой называют научно-техническое направление, в котором для передачи, обработки и хранения информации используются электрические и оптические средства и методы. В оптоэлектронике световой луч выполняет те же функции управления, преобразования и связи, что и электрический сигнал в электрических цепях.

Устройства оптоэлектроники обладают некоторыми существенными преимуществами по сравнению с чисто электронными устройствами. В них обеспечивается полная гальваническая развязка между входными и выходными цепями. Отсутствует обратное влияние приемника сигнала на его источник. Облегчается согласование между собой электрических цепей с разными входными и выходными сопротивлениями. Оптоэлектронные приборы имеют широкую полосу пропускания и преобразования сигналов, высокое быстродействие и большую информационную емкость оптических каналов связи (10¹³ - 10¹⁵ Гц). На оптические цепи не оказывают влияние различные помехи, вызванные электрическими и магнитными полями.

К недостаткам оптоэлектронных компонентов относятся: низкая температурная и временная стабильность характеристик; сравнительно большая потребляемая мощность; сложность изготовления универсальных устройств для обработки информации; меньшие функциональные возможности по сравнению с ИМС, необходимость жестких требований к технологии изготовления.

Оптоэлектронные приборы излучают и преобразуют излучение в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой областях спектра. Основным компонентом оптоэлектроники является пара с фотонной связью, называемая оптроном. Простейший оптрон можно представить четырехполюсником, состоящим из трех элементов: источник света - 1, световод - 2 и приемник света - 3 (рис.3.1).

Входной сигнал в виде импульса или перепада входного тока возбуждает фотоизлучатель и вызывает световое излучение. Световой сигнал по световоду попадает в фотоприемник, на выходе которого образуется электрический импульс или перепад выходного тока.

В оптронных устройствах в качестве источников света применяются обычно лампы накаливания, электролюминесцентные конденсаторы или светодиоды. В качестве приемников света используют фоторезисторы, фотодиоды, фототиристоры, фототранзисторы и различные комбинации этих приборов. Условные обозначения некоторых типов оптронов показаны на рис.3.2 (а) - диодный, б) - резисторный, в) - динисторный).

Работа фоторезисторов основана на явлении изменения сопротивления вещества под воздействием внешнего светового излучения. Конструктивно фоторезистор представляет собой пластину полупроводника, на поверхности которой нанесены электроды. Структура фоторезистора и условное обозначение показаны на рис.3.3, где 1 -диэлектрическая пластина; 2 - полупроводник; 3 - контакты фоторезистора.

Основными характеристиками фоторезистора являются:

1. Вольтамперная характеристика - зависимость тока I через фоторезистор от напряжения U, приложенного к его выводам, при различных значениях светового потока Ф, либо освещенности Е (рис.3.4). Ток при Ф =0 называется темновым током I _т, при Ф >0 общим током I _общ. Их разность равна фототоку I _ф= I _общ- I _т.

2. Энергетическая характеристика - это зависимость фототока от светового потока, либо освещенности при U = const. В области малых Ф она линейна, а при увеличении светового потока рост фототока замедляется из-за возрастания вероятности рекомбинации носителей заряда (рис.3.5). Энергетическая характеристика иногда называется люксамперной, в том случае, если по оси абсцисс откладывают освещенность Е в люксах.

3. Чувствительность - это отношение выходной величины к входной. В зависимости от того, какой величиной характеризуется излучение, различают токовую чувствительность к потоку

S _ф=

и токовую чувствительность к освещенности Е

S _Е=

В качестве одного из основных параметров фоторезистора используют величину удельной интегральной чувствительности, которая характеризует интегральную чувствительность, когда к фоторезистору приложено напряжение 1В.

S _{Ф инт.уд}=

У промышленных фоторезисторов удельная интегральная чувствительность имеет пределы десятые, сотые доли при освещенности Е =200 лк.

Важными характеристиками фоторезистора являются также: спектральная характеристика; граничная частота сигнала, модулирующая световой поток; температурный коэффициент фототока и пороговый поток.

Фотодиоды имеют структуру обычного р-n -перехода (рис.3.6), где а) - условное обозначение фотодиода, б) - структура фотодиода. Вследствие оптического возбуждения в р и n областях возникает неравновесная концентрация носителей заряда.

На границе перехода неосновные носители заряда под влиянием электрического поля, перебрасываются через переход в область, где они являются основными носителями. Электрический ток, созданный ими есть полный фототок. Если р-n -переход разомкнут, то перенос носителей заряда, генерируемых светом, приводит к накоплению отрицательного в n -области и положительного в р -области зарядов. Новое равновесное состояние соответствует меньшей высоте потенциального барьера, равной (U _к- Е _ф). ЭДС Е _ф, возникающую при этих процессах, на значение которой снижается потенциальный барьер U к в р-n -переходе, называют фотоэлектродвижущей силой (фото-ЭДС) В данной ситуации фотодиод работает в режиме фотогенератора, преобразуя световую энергию в

электрическую.

Фотодиод может работать совместно с внешним источником (рис.3.6в). При освещении фотодиода поток неосновных носителей заряда через р-n- переход возрастает. Увеличивается ток во внешней цепи, определяемый напряжением источника и световым потоком. Значение фототока можно найти из выражения I _ф= S _инт Ф, где S _инт - интегральная чувствительность. Вольтамперные характеристики освещенного p-n -перехода показаны на рис.3.9,б. Фототок суммируется с обратным током теплового происхождения.

К основным характеристикам фотодиода относят:

1.

Энергетические характеристики, которые связывают фототок со световым потоком. Причем фотодиод может быть включен без внешнего источника ЭДС (генераторный режим), так и с внешним источником (рис.3.7: а) - генераторный режим; б) - при работе с внешним источником).

2. Абсолютные и относительные спектральные характеристики – это зависимости абсолютной либо относительной чувствительности от длины волны регистрируемого потока излучения. Они аналогичны соответствующим характеристикам фоторезистора и зависят от материала полупроводника и введенных примесей.

В качестве фотоприемников в оптронных устройствах также используются фототиристоры и фототранзисторы.

У фототранзисторов интегральная чувствительность значительно выше, чем у диода и составляет сотни миллиампер на люмен.

Биполярный фототранзистор представляет собой обычный транзистор, но в корпусе его сделано прозрачное окно, через которое световой поток воздействует на область базы, вызывая в ней генерацию носителей зарядов. Они диффундируют к коллекторному переходу, где происходит их разделение. Дырки под воздействием поля коллектора идут из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора, а электроны, оставаясь в базе, повышают прямое напряжение эмиттерного перехода, что усиливает инжекцию дырок в этом переходе. Если базовый вывод транзистора не подключается к схеме, то такое включение называют с “плавающей” базой. В этом случае режим работы транзистора будет сильно зависеть от температуры. Вывод базы используют для задания оптимального режима работы фототранзистора, при котором достигается максимальная чувствительность к световому потоку.

Фототиристоры имеют четырехслойную структуру (рис.3.8,а) и управляются световым потоком, подобно тому, как триодные тиристоры управляются током, подаваемым в цепь управляющего электрода. При действии света на область базы р₁ в этой области генерируются электроны и дырки.

Электроны, попадая в область перехода П2, находящегося под обратным напряжением, уменьшают его сопротивление. В результате происходит увеличение инжекции носителей из переходов П1 и П3. Ток через структуру прибора лавинообразно нарастает, т.е. тиристор отпирается. Чем больше световой поток, действующий на тиристор, тем при меньшем напряжении включается тиристор (рис.3.8,б).

Фототиристоры могут успешно применяться в различных автоматических устройствах в качестве бесконтактных ключей для включения значительных напряжений и мощностей. Важные достоинства тиристоров: малое потребление мощности во включенном состоянии, малые габариты, отсутствие искрения, малое время включения.

Предварительное задание к эксперименту

Используя вольтамперные характеристики (рис.3.9: а) – фоторезистора, б) - фотодиода), а также данные таблицы 3.1, для заданного вариантом U найти значения фототока I _ф, и по полученным значениям построить энергетическую характеристику фотоэлектронного прибора. Определить величину токовой чувствительности к освещенности S _Е при Е =200лк.

Таблица 3.1

Тип прибора	Фоторезистор	Фотодиод
Вариант
Напряжение на приборе

Порядок выполнения эксперимента

Перед началом выполнения работы привести стенд в исходное состояние. Для этого ручки регуляторов Р1 и Р2 повернуть влево до упора. выключатели В1, В2, В3, В5 установить в нижнее положение. Ручку управления Р3 установить в положение А. Соединить с помощью перемычки гнезда Г1 и Г2. Подключить к гнездам Г1 и Г6 цифровой вольтметр. Переключатель пределов измерения микроамперметра В4 установить в положение наименьшей чувствительности х100 и в дальнейшем, перед проведением очередного эксперимента, возвращать его в это положение. Подключить стенд к сети. Тумблер В5 установить в верхнее положение.

Примечание: в процессе измерений не допускать «зашкаливания» прибора!

1. Снять вольтамперную характеристику I _ф(U) фоторезистора. Для этого ручку переключателя Р3 установить в положение А, а тумблер В1 перевести в верхнее положение. Данные эксперимента занести в таблицу 3.2.

Таблица 3.2

U, В
I Ф, мкА	Е =0 лк
Е =200 лк
Е =400 лк
Е =1000 лк

2. Вернуть в левое положение ручки регуляторов Р1 и Р2. Установить ручкой регулятора Р1 напряжение на фоторезисторе U =3 В и снять зависимость фототока от освещенности I _Ф(Е), задавая значение Е регулятором Р2, поддерживая постоянным напряжение на фоторезисторе ручкой Р1. Полученные значения занести в таблицу 3.3.

Таблица 3.3

Е, лк
I Ф, мкА

3. Соединить перемычкой гнезда Г1 и Г3, тумблер В1 должен находиться в верхнем положении. Снять вольтамперные характеристики фотодиода для различных значений освещенности Е. Напряжение на фотодиоде устанавливать регулятором Р1. Полученные данные занести в таблицу 3.4.

Таблица 3.4

U, В
I Ф, мкА	Е =200 лк
Е =400 лк
Е =1000 лк

4. Для снятия энергетических характеристик фотодиода в генераторном режиме установить тумблер В1 в нижнее положение, ручки регуляторов Р1 и Р2 в крайнее левое положение. Соединить перемычкой гнезда Г1 с Г3 (в режиме R _н=0), с Г4 (R _н=200 Ом), с Г5 (R _н=500 Ом). Снять зависимость фототока I _ф от освещенности Е. Данные занести в таблицу 3.5.

Таблица 3.5

Е, лк
I ф, мкА	R н=0
R н=200 Ом
R н=500 Ом

5. Перевести тумблер В1 в верхнее положение и снять энергетические характеристики фотодиода для случая, когда напряжение внешнего источника U _вш отлично от нуля. Полученные значения занести в таблицу 3.6.

Таблица 3.6

Е, лк
I ф, мкА	U вш=2 В
U вш=4 В

7. Исследовать работу порогового устройства, состоящего из динисторного оптрона и элемента, выполняющего функцию логического И. При подаче на вход элемента И двух логических единиц (тумблеры В1 и В2 в верхнем положении), на выходе формируется сигнал высокого уровня, о чем сигнализирует зажигающийся светодиод VD1. В результате этого загорается и светодиод оптрона VD2, освещающий динистор оптрона и вызывающий его включение, о чем сигнализирует лампочка Л1.

По окончании работы тумблер В5 перевести в нижнее положение, отключить стенд от сети.

Содержание отчета

1. Расчет предварительного задания к эксперименту. 2. Таблицы экспериментальных значений. 3. Энергетическая характеристика, построенная по данным предварительного задания и сравнительный анализ ее вида с аналогичной характеристикой, построенной по экспериментальным данным. 4. Вольтамперные и энергетические характеристики фоторезистора, построенные по снятым значениям. 5. Вольтамперные и энергетические характеристики фотодиода в генераторном режиме и режиме с внешним источником напряжения.

Контрольные вопросы

1. Перечислите достоинства и недостатки оптоэлектронных приборов. 2.Назовите основные характеристики фоторезисторов. 3. Почему световые характеристики фоторезисторов нелинейны? 4. Что такое удельная чувствительность фоторезистора? 5. Назовите возможные режимы работы фотодиодов. 6. Опишите механизм образования фото-ЭДС при освещении светом р-n-перехода. 7. Перечислите основные параметры фотодиода.

Лабораторная работа № 4

Дата добавления: 2015-05-06