Физические процессы в диодах, стабилитронах и транзисторах

РОССИЙСКАЯ  ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО  ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ГОУ ВПО  «Дальневосточный государственный  университет

путей сообщения» 
 
 
 
 
 

Кафедра: «Телекоммуникации» 
 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА 

«Физические процессы в диодах, стабилитронах и транзисторах» 
 
 

                                                                               

05 
 

                                                                                                                           

                                                                                       
 
 

                                                                       
 
 
 
 
 
 
 
 

Хабаровск

2007

Содержание:

Введение

   Изучение  курса «Физические основы электроники» является важным при подготовке специалистов в области автоматики, телемеханики, связи на железнодорожном транспорте.

   Цель  курсовой работы – связать изучение физических процессов в полупроводниковых  приборах с практическими расчётами  простейших электронных схем.

     Объём  курсовой работы представляет  набор задач, в которых охвачены физические процессы в наиболее широко распространенных приборах – диодах и транзисторах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Задача 1.5.

Диод имеет  обратный ток насыщения Io =10 мкА, напряжение, приложенное к диоду, равно 0,5 В. Пользуясь упрощенным уравнением вольтамперной характеристики диода, найти отношение прямого тока к обратному при Т = 300 k.   

Решение: 
 

                       

 

 

 

Ответ:

 
 

Задача 1.39.

По исходным данным определить ток в цепи, состоящей из источника напряжения E, резистора R и диода. Рабочая точка находится на прямой ветви диода. Привести схему. 
 

Таблица 1                                                                      Таблица 2

Исходные  данные Вариант
5
Обратный  ток 

насыщения диода  I0, мкА

 10
Температура T,К 200
 
  Исходные данные Вариант
0
Напряжение  источника  
питания Е, В		 5
Сопротивление резистора 

R, Ом

 8
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Схема:

 
 
 

Решение: 

Задача решается графо-аналитическим методом.

1. Используя значение I0 и задаваясь напряжением диода (U = 0,05В; 0,1В; 0,15В, 0,2В, 0,25В, 0,3В) построить вольтамперную характеристику в соответствии с уравнением:

 

                         (1)                       

где

е = 1,6*10-19 Кл - заряд электрона;

k = 1,38*10-23 Дж/К-  постоянная Больцмана.

2. На том же  графике построить нагрузочную  прямую, используя уравнение:

 
 

Точка пересечения  нагрузочной прямой с вольтамперной характеристикой и есть решение задачи. Нагрузочная прямая строится по двум точкам: если I=0, то U=E, если U=0, то I=E/R.  

Подставляя исходные значения в (1), получим прямую ветвь ВАХ диода:    

U, В 0 0,024 0,048 0,072 0,096 0,12 0,144 0,168 0,192
I, А 0 0,00003 0,00015 0,00062 0,00251 0,01001 0,03989 0,15888 0,63279

                                                                                                                    

Ответ: I = 0,6 [А]

Задача  2.1.32.

Транзистор включен в усилительный каскад по схеме с общим эмиттером. Каскад питается от одного источника напряжения Е. Для подачи смещения в цепи базы используется гасящий резистор. Генератор входного сигнала подключен к базе транзистора через разделительный конденсатор. По исходным данным требуется:

   а) построить линию Рктах ;

   б)  по выходным характеристикам найти: постоянную составляющую тока коллектора /ко ; постоянную составляющую напряжения коллектор-эмиттер Uкэ0, амплитуду переменной составляющей тока коллектора Imк; амплитуду выходного напряжения UтК=Uткэ ; коэффициент усиления по току Ki; выходную мощность РВЫХ ; мощность, рассеиваемую на нагрузке постоянной составляющей тока коллектора Рк0, полную потребляемую мощность в коллекторной цепи Ро; КПД коллекторной цепи . Проверить, не превышает ли мощность, выделяемая на коллекторе в режиме покоя Рк0, максимально допустимую мощность РKmax ;

   в) с помощью входной характеристики определить: напряжение смещения UБЭ0 ; амплитуду входного сигнала UтБЭ, входную мощность РВХ, коэффициент усиления по напряжению КU и по мощности КP , входное сопротивление каскада RВХ; сопротивление резистора RБ и ёмкость разделительного конденсатора СР . Диапазон усиливаемых колебаний 100 Гц - 100 кГц. Начертить схему усилительного каскада. 

   Таблица 1                                                              Таблица 2

   
Исходные  данные Вариант
5
Ток базы в рабочей точке Iбо, мА 0,4
Мощность, рассеиваемая

коллектором Рктах, мВт

 130
Амплитуда тока базы IтБ, мА 0,2
 
   
Исходные  данные Вариант
0
Напряжение  источника питания ЕК, В 9
Сопротивление резистора R, кОм 0,3
 
 
 

   Решение.  

    На семействе выходных характеристик строим линию максимально допустимой мощности, используя уравнение:

   

 

   

   Затем, используя уравнение линии нагрузки Iк=(Е+UКЭ)/Rн, на семействе выходных характеристик наносим линию нагрузки: при Iк=0 UКЭ=-E=-9  B - первая точка линии нагрузки; при UКЭ=0 Iк=E/Rн=5/300=30мА - вторая точка линии нагрузки.

   Точка пересечения линии нагрузки с характеристикой, соответствующей постоянной составляющей тока базы IБ0 =  400 мкА, определит рабочую точку. Ей будет соответствовать постоянная составляющая тока коллектора IK0 = 7,5мА и постоянная составляющая напряжения UКЭ0 = -6,5 В .

   Амплитуду переменной составляющей тока коллектора определим как среднюю: 

     [мА]

   Амплитуду переменного напряжения на нагрузке: 

     [В] 

   Коэффициент усиления по току:

     

   Выходная  мощность: 

     [мВт] 

   Полная  потребляемая мощность в коллекторной цепи: 

     [мВт] 

   КПД коллекторной цепи:

   

   Мощность, рассеиваемая на коллекторе постоянной составляющей коллекторного тока:

     [мВт]

   т.е. режим  работы допустим.

   Далее расчет ведем по семейству входных  характеристик. Поскольку у транзисторов входные характеристики расположены близко друг к другу, то в качестве рабочей входной характеристики можно принять одну из статических характеристик, соответствующую активному режиму, например характеристику, снятую при UKЭ=5B. 
 
 

   

 

   Из  графика находим:

   |UБЭ0| = 260 [мВ] 0,26 [В] 

   Амплитуда входного напряжения:

     [мВ]

   Модуль  коэффициента усиления по напряжению:

   

   Коэффициент усиления по мощности: 

   KP = |KIKU| = 17,5 . 33 = 577,5 

   Входная мощность: 

   PВХ = 0,5. ImБ . UmБ = 0,5 . 0,2. 10-3. 31,5. 10-3 = 3,15 [мкВт] 

   Входное сопротивление:

     [Ом]

   Сопротивление резистора:

    [кОм]

   Ёмкость конденсатора CP определяется из условия:

    ,

   где - низшая рабочая частота.

   И тогда:

     [мкФ]

Задача 2.1.33.

В рабочей точке  усилителя, рассмотренного в предыдущей задаче, найти параметры h11Э, h21Э, h22Э, RВЫХ=1/h22Э, и аналитически рассчитать КI, КU, КP, RВХ .

   Решение. Рассчитаем параметры в рабочей  точке при UКЭ= -7,2 В и IK0= 6 мА:

   

     [мСм]

     [Ом] 

     [Ом] 
 

   С помощью  найденных параметров определим  искомые значения по приближённым формулам.

   Коэффициент усиления по току , точнее:

   

   (сходится  с графо-аналитическим расчётом). 

   Входное сопротивление:

     [Ом]

   Коэффициент усиления по напряжению:

     

   Коэффициент усиления по мощности:

   KP = |KI KU| = 33,3 . 8,75= 291,4

Задача  2.1.34.

Рассчитать, при  каких напряжениях UВХ транзистор в схеме, приведенной на рис. 2.9, будет находиться:                                                    

   а)  в режиме насыщения;                                                                         

   б)   в режиме отсечки;

   в)  в активном режим 
 

     

   Таблица 1                                                Таблица 2 

                                                        
Исходные  данные Вариант
  0
Сопротивление R1, кОм 20
Сопротивление R2, кОм 10
Сопротивление R3, кОм 1
Коэффициент передачи тока β 60
                                                        
Исходные  данные Вариант
  5
Напряжение  источника Ек, В +9
Напряжение  источника Е, В +9
Напряжение  порога Unop, В +0,6
Обратный  ток IК0, мкА 1
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Решение.

   Из  исходных данных имеем, что транзистор является германиевым и обладает n-p-n переходом, так как и Ек  > 0 соответственно.

   А) Для получения режима насыщения необходимо на вход ключа подать такое напряжение UВХ, при котором будет протекать ток:

   

   

   Выражая UВХ , получим:

     [В]

   Т.к  >0 следовательно в данной схеме n-p-n транзистор и условии

   отсечки примет вид UБ<UПОР 

   Б)  Условие отсечки транзистора запишем в виде:

   

   откуда  следует:

   

     [В]

    [В] 

   В) Условие активного режима:

    .

     

Ответ:

в режиме насыщения:   [В]            

в режиме отсечки:     [В]            

в активном режим:      

Задача 2.2.13.

Полевой транзистор с управляющим р-n переходом и каналом n-типа используется в цепи усилительного каскада. По исходным данным определить: напряжение смещения затвор-исток UЗИ , крутизну транзистора в рабочей точке S, сопротивление резистора в цепи истока R1, сопротивление нагрузки в цепи стока R2, напряжение сток-исток UСИ. 
 
 
 
 
 
 

   Таблица 1 

Исходные  данные Вариант
5
Напряжение  отсечки UОТС, В 2
Ток стока max IСmax, мА 6
Ток стока в рабочей точке IС, мА 3
Коэффициент усиления |КU| 10
Напряжение Eс, В 15
 

     Схема: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Решение.

   Для решения задачи необходимо использовать основные соотношения для полевого транзистора с встроенным затвором:

   

   То  есть:

     [В]

     [Ом-1]

   

     [кОм]

     [кОм]

     [В]

Ответ:

 [В]         [кОм]           [Ом-1]

[В]         [кОм]

      
 
 
 
 
 

Вывод:

       Итак, в ходе работы, были изучены физические процессы в наиболее широко распространенных приборах – диодах и транзисторах, а также были рассмотрены вопросы и задачи, связывающие изучение физических процессов в твердотельных приборах с расчётами простейших электронных схем.

Список  литературы:

 
    
  1. Бодиловский, В. Г. Полупроводниковые и электровакуумные приборы / В. Г. Бодиловский. – М. ; Транспорт,1986. – 433 с.
  2. Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. – М. : Высшая школа, 2006. – 788 с.