close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Ziatdinov3ndd

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный университет
аэрокосмического приборостроения
ИССЛЕДОВАНИЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Методические указания
к выполнению лабораторных работ
Санкт-Петербург
2011
Составитель С. И. Зиатдинов
Рецензент доцент, кандидат технических наук В. И. Исаков
Методические указания содержат описание двух лабораторных
работ по курсу «Электроника». Рассматривается теория полупроводникового диода и биполярного транзистора. Представлена методика выполнения исследования характеристик полупроводниковых
приборов.
Предназначены для студентов, обучающихся по специальности
230201 «Информационные системы и технологии».
Подготовлены кафедрой информационно-сетевых технологий и
рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом
Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.
Редактор А. В. Подчепаева
Верстальщик С. Б. Мацапура
Сдано в набор 18.01.11. Подписано к печати 15.02.11.
Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 0,93.
Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 51.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения (ГУАП), 2011
Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА
Цель работы: изучение и практическое исследование работы и
характеристик полупроводникового диода.
1. Общие сведения о полупродниковых диодах
При разработки и построении разнообразных электронных
устройств полупроводниковые диоды находят самое широкое применение. Полупроводниковые диоды изготавливаются из полупроводниковых материалов – германия и кремния. Соответственно полупроводниковые диоды делятся на германиевые и кремниевые.
На рис. 1 показана структура атома чистого полупроводника.
В валентной зоне по определенным орбитам вокруг ядра вращаются электроны. Общий отрицательный заряд электронов равен
положительному заряду ядра. В результате атом полупроводника
является электрически нейтральным.
ÇƹÈÉǻǽÁÅÇÊËÁ
¹ÈɾҾÆƹØÀÇƹ
›¹Ä¾ÆËƹØÀÇƹ
¸½ÉÇ
Рис. 1. Энергетические уровни атома
3
Между зоной проводимости и валентной зоной находится запрещенная зона, в пределах которой не могут длительное время находиться электроны, покинувшие по какой-либо причине валентную
зону.
При t = 0 K зона проводимости полупроводника пуста. В этом
случае полупроводник является диэлектриком. С ростом температуры электроны валентной зоны могут преодолеть запретную зону
и попасть в зону проводимости. При этом полупроводник начинает
проводить электрический ток – это собственная проводимость полупроводников.
Удельная электрическая проводимость чистых полупроводниковых материалов колеблется в пределах 10–10–104 См/cм. Природа собственной проводимости заключается в следующем. Электроны, вращающиеся вокруг ядра атома полупроводника, могут находиться на различных орбитах (оболочках). В атоме германия всего
32 электрона, из них 28 находятся на внутренних орбитах и прочно
удерживаются. У кремния всего 14 электронов, из них 10 находятся на внутренних орбитах. Во внешних оболочках атомы германия
и кремния имеют по 4 электрона, слабо удерживаемых на орбитах.
Именно эти 4 электрона атома германия или кремния могут покинуть свои орбиты и стать свободными.
Если электрон покидает атом и попадает в зону проводимости,
то атом становится положительно заряженным и говорят, что образовалась дырка, положительно заряженная. Эту дырку может заместить другой электрон. Таким образом, в материале идет процесс
образования дырок и хаотическое движение электронов. При этом
средний ток равен нулю. При t >0 K свободные электроны и дырки образуются попарно. Этот процесс называется генерацией пары.
Процесс захвата дыркой свободного электрона называется рекомбинацией. Промежуток времени с момента генерации зарядов до
их рекомбинации называется временем жизни.
Под действием внешнего электрического поля заряды в полупроводнике начинают двигаться, т. е. появляется собственная проводимость или дрейф. Созданный дрейфом зарядов ток называется
дрейфовым.
Электрические свойства полупроводников зависят от содержания в них атомов примесей. Примеси делятся на донорные и акцепторные.
Донорные примеси. В качестве донорной примеси для германия
и кремния используется сурьма, у каждого атома которой на внеш4
них орбитах имеется по пять электронов, слабо связанных с ядром.
При малом содержании примесей атомы примеси взаимодействуют
с атомами полупроводника только четырьмя своими электронами,
отдавая пятый в зону проводимости. Чем больше примесей, тем
больше свободных электронов. В таком полупроводнике ток создается движением электронов. Это полупроводники n-типа («негатив» – отрицательный) с электронной проводимостью.
Акцепторные примеси. Примеси, атомы которых отбирают
электроны у полупроводника и создают примесную дырочную проводимость, называются акцепторными.
В качестве акцепторных примесей обычно используют индий, у
которого каждый атом имеет три электрона на внешних орбитах.
Если в чистый полупроводник ввести атомы индия, то для полной
связи с атомами полупроводника нужны 4 электрона, т. е. одного
электроны не хватает и в этом месте образуется дырка, которая может быть заполнена электроном. Чем больше будет примеси индия,
тем больше будет не хватать электронов и электроны могут двигаться от дырки к дырке. Это полупроводники с дырочной проводимостью р-типа («позитив» – положительный).
Основные свойства р-n-перехода. Если соединить полупроводники различной проводимости, то граничный слой между двумя
областями называется р-n-переходом (электронно-дырочный переход, рис. 2).
Если на полупроводники подать от источника электроэнергии
постоянное напряжение таким образом, что положительный потенциал будет приложен к полупроводнику n-типа, а отрицательный
потенциал к полупроводнику р-типа (рис. 3), то электроны в полупроводнике n-типа оттянутся к положительному полюсу, а дырки в
полупроводнике р-типа – к отрицательному полюсу.
¨ÇÄÌÈÉǻǽÆÁÃ
QËÁȹ
¨ÇÄÌÈÉǻǽÆÁÃ
OËÁȹ
¶Ä¾ÃËÉÇÆÔ
ÔÉÃÁ
QOȾɾÎǽ
Рис. 2. P-n-переход
5
QOȾɾÎǽ
O
Q
"
,
&
Рис. 3. P-n-переход при обратном смещении
При этом р-n-переход расширяется и превращается в область,
практически лишенную свободных зарядов. В результате ток в полупроводнике отсутствует. В этом случае говорят, что р-n-переход
закрыт и обладает большим сопротивлением (обратное смещение
р-n-перехода).
При смене полярности источника электроэнергии (рис. 4) дырки
и электроны начнут встречно двигаться, рекомбинируя в зоне р-nперехода.
Таким образом, в замкнутой цепи появится прямой ток IПР, величина которого зависит от ЭДС источника электроэнергии Е (р-nпереход смещен в прямом направлении). На рис. 5 дано обозначение диода на электрических принципиальных схемах.
На рис. 6 показана вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода.
При малых значениях Е зависимость величины тока IПР от Е
носит нелинейный характер.
В лабораторной работе теоретически изучается устройство и работа полупроводникового диода, а также путем моделирования на
O
Q
,
"
*ÈÉ
&
Рис. 4. P-n-переход при прямом смещении
6
*
™Æǽ
£¹Ëǽ
Рис. 5. Обозначение диода
&
Рис. 6. Типовая ВАХ диода
ЦВМ исследуется его ВАХ-зависимость тока диода от напряжения
между анодом и катодом: IД = f(UАК).
Устройство и работа полупроводникового диода изложены в тексте лекций и в литературе [1].
2. Порядок выполнения лабораторной работы
1. С помощью приложения MICROCAP собрать следующую схему.
При этом из библиотеки MICROCAP необходимо взять полупроводниковый диод типа 5082-2207. Сопротивление резистора R принять равным 1 Ом.
В рассматриваемой схеме напряжение UИСТ источника постоянного тока делится между последовательно включенными диодом и
резистором
7%
6¡ª«
*
3
Рис. 7. Схема исследования характеристик диода
7
UИСТ = UД+UR.
Падение напряжения на резисторе находится из соотношения
UR = IД×R,
где IД ток диода. Поскольку сопротивление резистора равно 1 Ом,
то
UR = IД.
Следовательно, для определения тока диода достаточно измерить напряжение на резисторе.
Напряжение на диоде можно найти из соотношения
UД = UИСТ – UR..
2. Произвести исследование ВАХ диода. При этом по выше изложенной методике для каждого значения напряжения источника UИСТ необходимо найти значение напряжения между анодом и
катодом UД и ток диода IД Данные исследований занести в табл. 1
и 2.
Таблица 1
UИСТ, В
0
0,2
0,4
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,2
1,4
IД, мА
UД, В
Таблица 2
UИСТ, В
–1
–2
–3
–4
–5
–6
–7
–8
–9
–10
–11
IД, мА
UД, В
3. Cодержание отчета
1. Титульный лист.
2. Цель работы.
3. Схема экспериментальной установки.
4. Таблица с результатами практических исследований.
5. ВАХ диода.
6. Выводы с объяснением формы ВАХ диода.
8
–12
4. Контрольные вопросы
1. Собственная проводимость полупроводников.
2. Примесная проводимость полупроводников.
3. Понятие и общие характеристики p-n-перехода.
4. P-n-переход в отсутствии внешнего напряжения.
5. Свойства p-n-перехода при обратном смещении.
6. Свойства p-n-перехода при прямом смещении.
7. Понятие диффузионной и барьерной емкостей диода.
8. Конструкция полупроводникового диода.
9. Объяснить форму ВАХ диода.
10. Влияние температуры на прямой и обратный токи диода.
9
Лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО
БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
Цель работы: изучение и практическое исследование работы и
характеристик полупроводникового биполярного транзистора.
1. Общие сведения о полупродниковых транзисторах
Биполярные транзисторы создаются путем соединения трех полупроводников различной проводимости (рис. 1, 2).
Поверхности полупроводников металлизируются и к ним припаиваются выводы. При этом образуются три электрода (вывода):
Э – эмиттер, Б – база, К – коллектор.
На рис. 2 показан полупроводниковый биполярный транзистор
типа р-n-р, а на рис. 1 – транзистор типа n-p-n.
На рис. 3 и 4 приведены схемы подключения внешних источников электроэнергии к транзисторам различной проводимости.
OQO
Э
O
QOQ
K
O
Q
Э
Q
š
Q
O
š
Рис. 1. Транзистор типа n-p-n
Рис. 2. Транзистор типа p-n-p
£
£
Q
O
š
&š
Q
&£
O
¶
Рис. 3. Подключение
транзистора типа n-p-n
10
K
š
&š
O
&£
Q
¶
Рис. 4. Подключение
транзистора типа p-n-p
На рис. 3 и 4 источник электроэнергии EБ создает напряжение
между базой и эмиттером, источник ЕК создает напряжение между
коллектором и эмиттером.
Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на примере транзистора p-n-p-типа. Под действием источника EБ базоэмиттерный переход находится в открытом состоянии (рис. 5).
В результате дырки из области эмиттера устремляются в базу,
где часть из них, рекомбинируясь, образуют ток базы IБ. Поток
дырок в эмиттере создает большой ток эмиттера IЭ. Под действием
источника EК из базы большая часть дырок оттягивается в область
коллектора, образую большой ток коллектора IК. При этом соблюдается следующее соотношение: IЭ = IК + IБ, IБ << IЭ, IК.
Транзистор характеризуется коэффициентом усиления по току
β = IК/IБ, значение которого колеблется для различных типов
транзистора от нескольких десятков до нескольких сотен. Таким
образом, управляя с помощью источника EБ малым током базы IБ,
можно осуществлять управление достаточно большим током эмиттера IЭ и коллектора IК.
На принципиальных электрических схемах биполярные транзисторы типа p-n-p- и типа n-p-n изображаются соответственно следующим образом (рис. 6, 7).
*£
,
Q
*š
O
&£
Q
&š
*¶
¶
Рис. 5. Работа биполярного транзистора
11
,
,
š
š
¶
¶
Рис. 6. Транзистор типа p-n-p
Рис. 7. Транзистор типа n-p-n
Свойства транзисторов определяются входными и выходными
вольт-амперными характеристиками.
На рис. 8 показана типовая входная ВАХ маломощного транзистора, определяющая зависимость тока базы IБ от напряжения между базой и эмиттером UБЭ при постоянном напряжении
UКЭ.
Семейство типовых выходных ВАХ маломощного биполярного
транзистора приведено на рис. 9.
ВАХ показывает зависимость тока коллектора IК от напряжения между коллектором и эмиттером UКЭ при постоянном токе
базы IБ.
В лабораторной работе теоретически изучается устройство и работа биполярного транзистора, а также путем моделирования на
*š
6£¶ DPOTU
ř
#
6š¶
Рис. 8. Входная ВАХ транзистора
12
*£
*š ř
ř
*š
*š
ř
*š
*š
*š ř
#
#
6£¶
Рис. 9. Семейство выходных ВАХ транзистора
ЦВМ исследуются его входная и выходная ВАХ-зависимость тока
базы от напряжения между базой и эмиттером IБ = f(UБЭ) (входная
характеристика) и зависимость тока коллектора от напряжения
между коллектором и эмиттером IК = f(UКЭ) (выходная характеристика) для различных значений тока базы.
Устройство и работа биполярного транзистора изложены в тексте лекций и в литературе [1].
2. Порядок выполнения лабораторной работы
1. Исследование входной ВАХ биполярного транзистора
Под входной ВАХ транзистора понимается зависимость тока
базы IБ от напряжения между базой и эмиттером UБЭ транзистора при постоянном напряжении между коллектором и эмиттером
UКЭ, т.е. IБ = f(UБЭ) при UКЭ = const.
Для исследования входной ВАХ транзистора необходимо с помощью MICROCAP собрать следующую схему (рис. 10).
При этом из библиотеки MICROCAP необходимо взять полупроводниковый транзистор типа КТ608А. Сопротивление резистора R
принять равным 1 Ом.
Ток базы IБ, протекая через резистор R, создает на нем напряжение UR = IБ×R. При R = 1 Ом UR = IД. Исследования необходимо провести для двух значений напряжения UКЭ = 10 В и
UКЭ = 50 В. Результаты измерений тока базы IБ занести в табл. 1
и 2.
13
*š
75
6š¶
6£¶
3
Рис. 10. Схема исследования входной ВАХ транзистора
Таблица 1
UКЭ = 10 В
UБЭ,В
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
IБ,мА
Таблица 2
UКЭ = 50 В
UБЭ,В
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
IБ,мА
2. Исследование выходной ВАХ биполярного транзистора
Выходной ВАХ транзистора является зависимость тока коллектора транзистора IК от напряжения между коллектором и эмиттером транзистора UКЭ при постоянном токе базы IБ, т.е. IК = f(UКЭ)
при IБ = const.
Для исследования выходной ВАХ необходим источник стабильного тока базы. Источником стабильного тока базы является генератор э.д.с. с большим внутренним сопротивлением RИСТ, значительно превышающим сопротивление нагрузки RН. Источник стабильного тока можно представить последовательно соединенными
14
¡ÊËÇÐÆÁÃÊ˹ºÁÄÕÆǼÇËÇù
3¡ª«
£
6¡ª«
3)
Рис. 11. Схема генератора тока
генератором э.д.с. и резистором с большим сопротивлением RИСТ.
(рис. 11).
При этом ток, протекающий в цепи источника, можно положить
равным IИСТ = UИСТ/ RИСТ и не зависящим от нагрузки при условии RИСТ >> RН.
Для проведения исследований необходимо собрать следующую
схему, приняв RИСТ = 100 к (рис. 12).
*š
75
Ã
6£¶
6¡ª«
3
Рис. 12. Схема исследования выходной ВАХ транзистора
15
В данной схеме ток базы находится из выражения
IБ = UИСТ /100×103.
Ток коллектора однозначно определяется падением напряжения на резисторе R с сопротивлением 1 Ом, т.е. IК = UR.
Измерения необходимо провести для трех значение тока базы:
IБ = 6 мА, IБ = 12 мА и IБ = 24 мА. Результаты измерений занести
в табл. 3, 4 и 5.
Таблица 3
IБ = 6 мА
UÊÝ , В
0,05
0,1
0,2
0,5
1,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10
IÊ , ìÀ
Таблица 4
IБ = 12 мА
UÊÝ , В
0,05
0,1
0,2
0,5
1,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10
IÊ , ìÀ
Таблица 5
IБ = 24 мА
UÊÝ , В 0,05
0,1
0,2
0,5
1,0
2,0
4,0
6,0
8,0
IÊ , ìÀ
3. Содержание отчета
1. Титульный лист.
2. Цель работы.
3. Электронная модель экспериментальной установки.
4. Таблица с результатами практических исследований.
5. Входная и семейство выходных ВАХ транзистора.
6. Выводы с объяснением формы входной и выходной ВАХ.
16
10
4. Контрольные вопросы
1. Конструкция биполярного транзистора.
2. Принцип работы биполярного транзистора.
3. Входная ВАХ биполярного транзистора.
4. Выходные ВАХ биполярного транзистора.
17
Библиографический список
1. Зиатдинов С. И. и др. Электронный усилитель на биполярном
транзисторе: Методические указания к выполнению лабораторной
работы. СПб., ГУАП, 2000.
2. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника. М.: Высшая школа,
1991.
Содержание
Лабораторная работа № 1. Исследование полупроводникового
диода............................................................................... 3
Лабораторная работа № 2. Исследование полупроводникового
биполярного транзистора.................................................... 10
Библиографический список................................................. 17
18
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
929 Кб
Теги
ziatdinov3ndd
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа