Жартылай өткізгішті аспаптардың сипаттамаларын зерттеуге арналған зертханалық аспапты жобалау

    

 

1.7.1 Транзистордағы ағымды  процесстері мен транзистордың  тогы

 

Тербелісті күшейту  үшін транзистордың эмиттерлік өткелін  тікелей қосып, ал коллекторды кері бағытта қосқанда келесі процесстер жүре бастайды: эмиттерлік өткелдің потенциалдық тосқауылы кішірейеді, заряд тасмалдаушылар (кемтіктер) эмиттерлік өткел арқылы инжекция жасайды, базадан электрондар эмиттерге өтеді де, содан эмиттерлік ток пайда болады  I_э. Сонымен, эмиттер тогы кемтіктер түзейтін негізгі тоқтан және электрондар түзейтін тоқтан пайда болады: I_э= I_эр+ I_эп. Электронды түзеткіші I_эп  бар эмиттер тогы база қосқышы арқылы тұйықталады, сондықтан да база тогын түзейтіннің біреуі болып есептелінеді , бірақ р-п-р типті транзистор үшін ол керек емес, өйткені ол коллектор тогын  басқарудың пайда болуына қатыспайды. Бұл түзеткіш кіші болған сайын, эмиттердің эффектісі жоғарлайды, ол инжекция коэффициентімен бағаланады

g = I_эр/ I_э.                                              (1.1)

Базаның қалыңдығы тым  үлкен болмағандықтан,базалық ауданда  кемтіктердің кішкентай бөлігі рекомбинация жасап I_б база тогын тудырады, ал қалған кемтіктер коллекторға қарай бағытталады да, коллектролық өткелде өте күшті электрлік өріс әсеріне түседі және коллектролық ауданға лақтырылады(бұл процесс экстракция деп аталады) коллекторлық ток I_к  тудырады.

Эмиттерден коллекторға  кемтіктер бөлігі өткенің анықтау  үшін базадағы тасмалдаушылардың өту  коэффициенттің қолданады:

d = I_кр/ I_эр.                                              (1.2)

Сонымен, коллекторлық тізбекте мынаған тең ток өтеді:

I_к= a_и I_э + I_кбо.                                                    (1.3)

онда a_и = gd  - эмиттертердің интегралдық токты беру коэффициентті,  I_кбо – колектордың кері тогы . Сонымен,  I_э= I_б + I_к

 

 

1.7.2 Транзистордың жұмыс істеу режимі

 

Эмиттерлік және коллекторлық өткелдерге сыртқы кернеу берген кезде, келесі жұмыс режимдері болу мүмкін:

1) активті  режим,  ЭП > 0, КП< 0 болғанда

2)  қиылу режимі ,  ЭП < 0, КП < 0 болғанда

3)  қанығу режимі, ЭП > 0, КП > 0 болғанда

4)  инверсті  режим,  ЭП < 0, КП > 0 болғанда.

Күшейткіш каскадта ығысу тапсырмасы үшін эмиттерлік және коллекторлық өткелдерге міндетті түрде қажет емес екі  батареді  қолдану. Эмиттерлік өткелге ығысу тапсырмасы үшін, ереже бойынша,  резистивті бөлгіш қолданылады, ол мынандай түрде 1.9-суретте көрсетілген, ол кіріс сигналдың тапсырмасын үш мүмкіндік әдіске иллюстрациялайды, шығыс және айнымалы сигнал бойынша каскадтардың тиісті эквивалентті сұлбасы да қатысты: сұлба жалпы базалық электроды бар кіріс және шығыс тізбегі үшін-ОБ, эмиттерлік электродпен – ОЭ (а) және  коллектормен – ОК (б) (айнымалы ток бойынша эквиваленті сұлбаны құрғанда батарейдің кедергісі нөлге тең болып қабылданады).

а)

 

 

б) 
1.9-сурет. Сигнал көзінің үш қосылу сұлбасы және күшейткіш каскадта жүктеме мен айнымалы ток бойынша каскадтардың орнын ауыстырғанда  сәйкес сұлбалар [3]

 

ОБ мен сүлба үшін кіріс токпен  эмиттер тогы жатады, ал шығыс- коллектор тогы болады. Дифференциалды R_кір транзистор сұлбада ОБ аз, R_шығ өте көп. Коллекторлық кернеу эмиттерлік токқа әсер етеді. Сұлба ОБ тұрақты токты беру дифференциалды  коэффициентімен сипатталады α = ΔΙ_к / ΔΙ_э

ОЭ бар сұлба үшін кіріс тогы болып базаның кіші тогы саналады., ал шығыс болып коллектор тогы саналады.

ОЭ бар сұлба ток  мен  кернеу арқылы  күшейтеді. R_кір және R_шығ көп ОБ сұлбасына қарағанда. ОБ бар сұлба тура токты беру дифференциалды коэффициентімен сипатталады β = ΔΙ_к / ΔΙ_б яғни β = α / (1-α), есептеп, егер ΔΙ_к

ΔΙ_б = 1/ α.                                                (1.4)

ОК кіріс тогымен  сұлбада база тогы болып саналады, ал шығыс болып эмиттер тогы. Бұл  сұлба ток және қуат бойынша күшейтуді  кіргізеді, бірақ кернеу бойынша  кушейту бермейді,сондықтан жиі қолданылады. ОК сұлба барлық транзисторладың қосу сұлбаларының ішінен ең көп кіріс және ең аз шығыс кедергісі бар. Бұл сұлба үшін тура токты беру коэффициентті ΔΙ_э / ΔΙ_б=  β + 1.

 

 

1.7.3 Транзистордың статикалық сипаттамасы

 

Ортақ базамен транзистордың  статикакалық сипаттамасы. Кіріс сипаттамсы – тұрақты шығыс кернеу кезінеде, кіріс кернеуден кіріс токтың тәуелділігі I_э=j(U_эб) тең болады U_кб –const  болғанда

Шығыс сипаттамасы  –  I_к және U_кб.тәуелді

I_к=j(U_кб) болғанда  I_э = const.

Ортақ эмиттермен транзистордың  статикалық сипаттамсы . Кіріс сипаттмасы : I_б=j(U_бэ) болғанда  U_кэ= const

 

1.10-сурет. ОЭ сұлбаның кіріс сипаттамасы

Кіріс сипаттма тәуелділігі   I_к және  U_кэ I_к=j(U_кб) болғанда  I_б = const

 

1.5-сурет. ОБ сұлбасының  шығыс сипаттамасы

 

Кіріс сипаттмасы тәуелділігі  I_б  және  U_бэ, I_б=j(U_бэ) болғанда U_кэ = const

1.6-сурет. ОЭ кіріс  сипаттамасы

 

Шығыс сипаттамасы тәуелділігі  I_б=j(U_кэ) болғанда I_б = const

1.7-сурет. ОЭ шығыс  сипаттамасы

 

 

1.7.4 Транзисторлардың күшейту қасиеті

 

Транзистордың каскадын күшейтетің негізгі көрсеткіштер:

Ток бойынша күшейту  коэффициентті

К_l = DI_шығ/DI_кір.                                      [1.4]

Кернеу бойынша күшейту  коэффициентті 

К_u = DU_шығ/DU_кір                                    [1.5]

Қуат бойынша  күшейту  коэффициентті 

К_р = К_l К_u.                                                 [1.6]

Кіріс кедергі 

R_кір = DU_кір / DI_кір.                                            [1.7]

Транзисторлардың ойылып-тесілу түрлері. Транзисторда ойылып-тесілудің даму механизмдері әртүрлі болу мүмкін, бірақ оған қарамастан ойылып-тесілудің барлық түрлерің біріншілікке және екіншілікке шартты түрде бөлуге болады.Транзистордың ойылып-тесілуі ерекшелінеді, кері қайтарылғыш (обратим) болғандықтан.  Егер транзистор біріншілік ойылып-тесілу режиміне түсетің болса, онда оның дұрыс жұмыс режимі бұзылады, бірақ та ойылып-тесілу режимінен шыққанда оның жұмыс істеу қабілеті қалыптасады. Кез келген екіншілік ойылып-тесілу кері қайтарылмайды (необратим), яғни одан кейін транзисторда деградация болады. Біріншілік ойылып-тесілудің негізгі түрлері  лавиндік, жылулық және токтық болып бөлінеді.

Лавиндік ойылып-тесілуді кей кезде  электрлік деп атайды, яғни өткелдің кері ығысуында кернеу жоғарғы мәнді  кезінде ол  пайда болады.

Транзистордың мәлеметтері  анықтамасында лавиндік ойылып-тесілудің  үш әртүрлі кернеу мәндерін табуға болады:

UКЭ0 кернеуі — база  өшіп тұрған кезде, ойылып-тесілудің  кернеуі (IБ=0);

UКЭ > UКЭ0 кернеуі —  база мен кернеу арасында кедергіні  Rb (при RЭ = 0) қосқан кезде, ойылып-тесілудің кернеуі;

UКЭ.КЗ кернеуі —  база кезінде, лавиндік ойылып-тесілудің  кернеуі, эмиттермен қысқартылған (Rb = 0).  

Транзистордың жылулық  ойылып-тесілуі р-п өткелдің лавинтәріздес  температурасының өсуі салдарынан пайда  болады. Өткелдің температурасы өсуікен сайын, утечка тогы өседі және шала өткізгіш бірге жүрген күйге өтеді, ал р-п өткел жоқ болып кетеді. Нақты жағдайларда бұл құбылыс температураның өсуін әрқашанда шектемейді, яғни аса төмен температурада болған жағдайда,бір немесе бірнеше негізгі параметрлердің температураларынан тікелей тәуелділік байқалу мүмкін, мысалы токты беру коэффициенті немесе шектеулі жұмыс коэффициенті.

Транзистормен  қуатты ыдырату жұмыс режимінін қандай да болсын орынын алады, бірақ та  ол максималды, транзистор қосылған немесе өшірілген күйде болған кезде. Коммутацияның жоғарғы жиілігінде шығындар жиілікке пропорционалды өседі. Қолданушы қуатт өскен сайын, транзистордың температурасы өседі.

Транзистордың жылулық  режимін бағалай үшін, жылулық  кедергінің түсінуің қолданады, транзистор элементтерінің кедергілері жылулық ағынды коллекторлық өткелден корпусқа немесе айналадағы ортаға таратуын түсінуге болады. 

Мәлемет анықтамаларында  транзисторларға келтіріледі:

- жылулық кедергі  өткел-корпус(немесе  өткел-орта) R_өк;

- Т max өткелдің мүмкін шектеулі  температурасы;

- Рmах транзисторда орташа шекті қуат шығыны;

- Tктах аспап корпусынын мүмкін шектеулі температурасы;

Транзистордың корпус температурасын тікелей өлшеуге болады. Ол үшін қуатты аспаптарда нүкте көрсетілу мүмкін, онда өлшеуді жүргізуге болады.

Транзистордың екіншілік  ойылып-тесілуі  біріншілік ойылып-тесілудің  түрлерінін дамуынан, немесе тікелей, біріншілік ойылып-тесілудің дамуынан өтіп кеткенен кейін пайда болады. Еіншілік ойылып-тесілудің тікелей дамуы коллектордың  салыстырмалы үлкен кернеу ауданында әдетте өтеді және ол “ток шнуры” деп аталатын дамумен байланысты. Сонымен қатар, коллекторлық ток концентрацияланады коллектордың өте аз ауданында, содан коллектор базамен тұйықталады.

Егер транзистор күшейткіш режимінде жұмыс істейтін болса, онда екіншілік ойылып-тесілудің дамуы және токтық шнурдың пайда болуы термикалық орнықтылықтың шығынына байланысты, қандай да болсын құрылымы орынында токтың өсуі температураның көтерілуіне жағдай туғызады, ал температураның көтерілуі токтың көбейуіне алып келеді. Бұл процесс лавинотәріздес өсе бастайды және құрылымға қарсы шығады.

Екіншілік ойылып-тесілуді дамыту үшін белгілі бір уақыт  керек, ол 1...100 мкс құрау мүмкін. Бұл  уақытты екіншілік ойылып-тесілудің дамуын кешіктіру уақытты деп атайды. Егер транзистордың қауыпты режимде болу уақыты екіншілік ойылып-тесілудің даму уақытысынан аз болса,  онда  екіншілік ойылып-тесілу пайда болмайды. Сондықтан, транзисторда ток импульстарынын ұзақтығы қысқаша болса, екіншілік ойылып-тесілу дамый алмау мүмкін. Зерттеулер көрсетеді,екіншілік ойылып-тесілудің дамуы , база тізбегінде үлкен жиілікті автотербеліс болу мүмкін, ол болжау үшін қолданылу мүкін,

Транзисторларды ойылып – тесілуден қорғау. Транзисторды қолданған кезде, ОБР ішкі жұмыс нүктесінде болуын қамтамасыз ету керек, оның шекарасынан шығармау керек. Тіпті қысқа мерзімді уақытта ОБР тиісті шекарадан жұмыс нүктесінің өшығып кетуі, транзистордың ойылып-тесілу ауданына түсіп кеуі мүмкін.Транзисторды ойылып-тесілуден сақтау мақсатымен, ол  кілттік режимде жұмыс істеп жатқандағы қосылып-өшірілу  траекториясын қалыптастырады. Ол үшін транзисторға қосымша тізбектер қосу керек, резистор,сыйымдылық,диодтар мен стабилитрондар барларға.Бұл тізбектердің параметрлері есептеп алынады, немесе экспериминтальды түрде табады.

Транзистордың   h-параметрің анықтау.Транзисторлар сұлбаларын есептегенде және анализдегенде транзистордың эквивалентті схемасын және оған арналған параметрлер жүйесіне сүйенеміз.Транзисторлардың физикалық параметрлер жүесінің кемшілігі, олардың  ішінен барлығы да   өлшене бермейді. h-параметрлер жүйесінде транзисторлардың параметрлері активті сызықты 4-ұштықты параметрлермен анықталады. h-параметрлер жүйесінде тәуелді емес айнымалы бойынша кіріс токты қабылдайды(I₁) және шығыс кернеу(U₂). Осыдан , U₁ = h₁₁ I₁ + h₁₂ U₂,  I₂ = h₂₁ I₁ + h₂₂ U₂ біз төрт параметрді анықтаймыз ,ол  қысқаша тұйықталу режимінде (U₂=0)   және бос жүріс режимінде болады (I₁=0).  h₁₁- кіріс сипаттамасы, h₁₂-кері байланыс коэффициентті, h₂₁- токты беру коэффициентті, h₂₂- шығыс өткізгіштік.

1.11-сурет. Төртүйектің сұлбасы [5]

1.8 Фотодиодты зерттеу

 

1.8.1 Оптоэлектроникаға кіріспе

 

Оптоэлектроника дегеніміз–оптикалық  дипазонда ақпарат тасымалдаушылар  ретінде электромагнитті толқындар қолданылатын электроника бөлімі. Оптикалық толқын  сәулеленудің толқын ұзындықтары 10 нм-ден 1 мм аралығында жатады.

Оптикалық диапазоны  физикалық қасиеттері бойынша біртекті емес, сондықтан да олар дипазондарға бөлінеді, олардың физикалық қасиеттері бірдей болады: ультракүлгінді сәулелену үшін λ=0,002÷0,4 мкм, көрінетін сәулелер үшін λ=0,38÷0,78 мкм, инфрақызылды сәулелену үшін λ= 0,78÷1000 мкм-ге тең.

Толқын ұзындығы әртүрлі  жарықөткізгіш ортадағы жарық таралу дәрежесі мен сәуле жұтылу дәрежелерін  анықтайды.

Оптоэлектроникадағы сәуле  жарығы электр тізбегіндегі электр сигналы  тәрізді байланыстарда  басқару, түрлендіру функциясын орындайды.

Оптикалық тізбектерде  сигнал тасымалдаушылар болып, өзара  әрекеттеспейтін, араласпайтын және шашырамайтын нейтралды фотондар болып табылады. Оптикалық тізбектер электрлік және магниттік өрістер ықпалына түспейді. Ақпарат тасымалдаушы ретінде нейтралды фотондарды қолдану, оптоэлектрондық байланыс элементтерінің кіріс және шығыс тізбектерінің идеалды электрлік байланысын, таратудың бір бағыттылығын және қабылдағыштың таратышқа әсер етпеуін, фотондардың электрлік және магниттік өрістер әсеріне әсер етпегендігінен, оптикалық байланыс арналарының ең жоғарғы кедергіден қорғануын, тізбектердің кіріс және шығыс кедергілеріне жақсы байланысуын қамтамасыз етеді.

Оптикалық сәулеленудің   әртүрлі сыртқы күштерге ықпал етпеуі және фотонның электрлік нейтралдығы  тек қана артықшылығы емес, сонымен  бірге кемшілігі болып табылады, өйткені жарық ағынының  бірыңғай таралуын басқаруды қиындатады.