фоэ,1ч
.pdfФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Уральский государственный университет путей сообщения»
___________________________________________________________
Кафедра электроники
Л.Н. Воронцова Г.Л. Штрапенин
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Часть 1
Екатеринбург
2005
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Уральский государственный университет путей сообщения»
Кафедра электроники
Л.Н. Воронцова Г.Л. Штрапенин
Отформатировано: русский
(Россия)
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Методическое руководство к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 190402
“Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте”
В2-х частях Часть 1
Екатеринбург
2005
Отформатировано: русский
(Россия)
Отформатировано: русский
(Россия)
УДК 621.3 В-75
Руководство составлено в 2 частях в соответствии с учебным планом дисциплины " Физические основы электроники" для студентов всех форм обучения специальности 190402 "Автоматика, телемеханика и связь" и содержит теоретические сведения и указания к выполнению лабораторных работ на специализированных стендах и в программе моделирования электрон-
ных схем Electronics Workbench (Multisim).
Руководство может быть использовано на аудиторных занятиях и для самостоятельной работы студентов.
Утверждено редакционно-издательским советом университета.
Авторы: Л. Н. Воронцова, доцент кафедры “Электроника” УрГУПС, Г. Л. Штрапенин, доцент кафедры “Электроника” УрГУПС, канд. физ.-мат. наук.
Рецензент: Ю. В.Новоселов, доцент кафедры “Электроника” УрГУПС, канд. тех. наук.
© Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2005
Оглавление |
|
Описание лабораторного оборудования............................................................... |
4 |
Лабораторная работа №1 Исследование полупроводниковых |
|
выпрямительных диодов ........................................................................................ |
4 |
Лабораторная работа № 2 Исследование стабилитронов................................ |
14 |
Лабораторная работа № 3 Исследование биполярных транзисторов в схеме |
|
включения с общим эмиттером (оэ).................................................................... |
17 |
Лабораторная работа № 4 Исследование полевых транзисторов................... |
30 |
Лабораторная работа № 5 Исследование работы транзистора в ключевом |
|
режиме.................................................................................................................... |
39 |
Лабораторная работа № 6 Исследование интегральных логических |
|
элементов ............................................................................................................... |
56 |
3
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
В состав лабораторного оборудования входит базовый блок и набор схем-макетов. Базовый блок содержит два источника напряжения ИН1 (0…5 В) и ИН2 (0…15 В), источник тока ИТ (0…10 мА), два генератора синусоидального напряжения, два генератора импульсов и два комбинированных цифровых измерительных прибора 1 и 2. Изменение напряжений источников ИН1 и ИН2 и тока ИТ в указанных пределах производится ручками «Грубо» и «Точно». Частота сигналов генераторов синусоидального и импульсного напряжения изменяется в пределах 0,2…200 кГц ступенчато с помощью соответствующих клавиш и плавно ручками «Грубо» и «Точно». Комбинированными цифровыми измерительными приборами 1 и 2 можно измерять постоянные и переменные напряжения от 0,2…200 В, сопротивления от 20 Ом до 20 кОм и частоту в пределах 0,2…200 кГц, задав соответствующими клавишами нужный режим и предел измерения (назначение каждой клавиши указано на передней панели базового блока). Цифровые миллиамперметры 1 и 2 служат для измерения токов от 2…200 мА.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ
Цель работы: измерение вольтамперных характеристик (ВАХ) кремниевого диода КД103 и диода Шоттки 1N5817, сравнительная оценка полученных характеристик и определение параметров диодов.
Краткие теоретические сведения
1.1. Собственный полупроводник. Проводимость собственного полупроводника
К полупроводникам относятся германий Ge (заряд ядра 32), кремний Si (заряд ядра 14) и другие материалы, находящиеся в IV группе системы элементов Менделеева, т. е. на внешних орбитах у них находится по 4 электрона. В собственных полупроводниках, не содержащих примеси, при температуре абсолютного нуля все валентные электроны находятся в связанном состоянии, образуя ковалентные связи с валентными электронами соседних атомов, свободных электронов нет, и проводимость полупроводника равна нулю.
С ростом температуры электроны получают дополнительную тепловую энергию, которая разрывает некоторые ковалентные связи, и электроны становятся свободными. На месте ушедшего из связи электрона образуется "дырка" (вакантное состояние), которую может занять электрон соседнего
4
атома и таким образом дырка может перемещаться к соседнему атому и т.д. Образование в результате разрыва ковалентной связи пары подвижных носителей зарядов "электрон-дырка" называется генерацией электроннодырочной пары. Возможен и обратный процесс, когда свободный электрон, перемещаясь хаотически между узлами кристаллической решетки, может занять вакантное состояние - дырку и снова стать связанным с атомом. Такое исчезновение пары свободных носителей зарядов называется рекомбинацией электронно-дырочной пары. Для генерации электронно-дырочной пары требуются затраты некоторого количества энергии, при рекомбинации энергия выделяется. Процессы генерации и рекомбинации электронно-дырочных пар происходят непрерывно, и при температуре, отличной от абсолютного нуля, проводимость собственного полупроводника не равна нулю, хотя она очень низка, т. к. в собственных полупроводниках очень мало свободных электро-
нов и дырок, причем их концентрации равны ni = pi .
1.2.Примесные полупроводники
1.2.1.Полупроводники n-типа
Атомы примеси, введённые в кристаллическую решетку собственного полупроводника, существенно влияют на его проводимость. В зависимости от характера примеси различают полупроводники n- и p-типа. При введении в собственный полупроводник (Ge, Si) примеси из соседней V группы системы элементов Менделеева (например сурьмы Sb, мышьяка As) четырьмя своими валентными электронами атом примеси образует ковалентные связи с атомами основного вещества, а пятый оказывается несвязанным и уже при очень малой энергии возбуждения становится свободным, а атом примеси – положительным ионом, неподвижно расположенным в узле кристаллической решетки основного вещества. В примесных полупроводниках, как и в собственных, тоже идет процесс генерации электронно-дырочных пар за счет разрыва ковалентных связей, но пятивалентная примесь создает дополнительное количество свободных электронов. Такая примесь называется донорной, а полупроводник с электронной проводимостью – полупроводником n-типа. Примеси вводят столько, чтобы концентрация свободных примесных элек-
тронов nд была во много тысяч раз больше концентрации собственных электронов ni. Свободные носители, образуемые в результате введения примеси в полупроводник, которых оказывается существенно больше собственных, называют основными, а носители противоположного знака – неосновными. В полупроводниках n-типа основными носителями являются электроны, а неосновными – дырки.
Количество основных носителей в полупроводнике зависит от количества примеси, а количество неосновных – от интенсивности разрыва кова-
5
лентных связей, т.е. от температуры, освещения и др. внешних факторов, дающих энергию для генерации электронно-дырочных пар.
1.2.2. Полупроводники p-типа
При введении в собственный полупроводник трехвалентной примеси (например, индия In) из соседней III группы, у которой только 3 электрона на внешней орбите, атом примеси захватывает недостающей для образования ковалентной связи электрон у атома основного вещества (германия или кремния) и становится неподвижным отрицательным ионом. На месте ушедшего электрона образуется дырка. Этот процесс способствует появлению дополнительных дырок в полупроводнике. Примесь, создающая дополнительные дырки, называется акцепторной, а полупроводник – p-типа. Основными носителями в полупроводнике p-типа являются – дырки, неосновными – элек-
троны.
1.3. Контакт p- и n- полупроводников. Контактная разность потенциалов. Запирающий слой
Контакт полупроводников p- и n-типов называют p-n переходом,
рис. 1.1.
|
p |
|
|
|
- Uк + |
|
|
n |
А |
К |
|
– |
+ |
|
– |
+ |
– |
+ |
– |
+ – |
|
– |
|
|
– |
+ |
+ |
|
|
– |
+ |
+ |
б) |
||
|
|
– |
|
+ |
+ |
– |
p – + n |
||||
– |
+ |
|
– |
|
|||||||
– + |
– |
|
|
|
+ |
– + |
+ |
|
|||
– |
+ |
|
– |
+ |
– |
+ |
– |
+ |
|
– + |
в) |
|
|
|
|
|
|
а) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
–– отрицательные ионы акцепторов;
+– положительные ионы доноров;
+– дырки;
–– электроны.
Рис. 1.1
Отформатировано:
Шрифт: 12 пт
Отформатировано:
Шрифт: 12 пт
Отформатировано:
Шрифт: 12 пт
При контакте полупроводников с разными типами проводимости из приконтактной области начинается диффузионное движение электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, а дырок – из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа. При встрече электронов с дырками они активно рекомбинируют, в результате чего в приконтактной области создается нескомпенсированный объемный заряд положительных ионов доноров в
6
полупроводнике n-типа и отрицательных ионов акцепторов в полупроводнике p-типа, как показано на рис. 1.1. За счет этих объемных нескомпенсиро-
ванных зарядов создаются электрическое поле и потенциальный барьер U к ,
который называется контактной разностью потенциалов. Контактная разность потенциалов препятствует дальнейшему диффузионному движению основных носителей через контакт, но способствует дрейфовому движению неосновных носителей. В условиях равновесия ток неосновных носителей
Iдр будет равен и противоположен току основных носителей I дифф , и общий ток во внешней цепи будет равен нулю
I = I дифф +Ι др =0.
Поскольку приконтактный слой в результате рекомбинации обеднен подвижными носителями зарядов, он имеет гораздо больше сопротивление по сравнению с сопротивлением остального объема p- и n- областей и назы-
вается запирающим.
Подавляющее большинство полупроводниковых диодов содержит один p-n переход. Выводы диода называются анодом и катодом, как показано на рис. 1.1б. При контакте полупроводников p- и n-типа с одинаковым содержанием примеси p-n переход называется симметричным. В большинстве полупроводниковых приборов используются несимметричные p-n переходы, т.е. контакты полупроводников с разным содержанием примеси. В таких контактах запирающий слой неравномерно распространяется в p- и n- области. Запирающий слой располагается в основном в области с малым содержанием примеси, например, как показано на рис. 1.1в.
1.4.Прямое смещение p-n перехода
Внешнее напряжение нарушает равновесие между диффузионным и дрейфовыми токами. Если внешнее напряжение имеет такую полярность, что повышает потенциал p- области (анода) по отношению к n- области (катоду), то включение p-n перехода называется прямым (рис. 1.2а). В этом случае внешнее напряжение оказывается подключенным к запирающему слою встречно с контактной разностью потенциалов. Потенциальный барьер
уменьшается до величины Uк −Uпр , и запирающий слой уменьшается. В ре-
зультате диффузионный ток увеличивается, а дрейфовый уменьшается. Во внешней цепи течет прямой ток Iпр, который создается движением основных
носителей (рис. 1.2а).
7
1.5.Обратное смещение p-n перехода
При подаче внешнего напряжения, понижающего потенциал p- области (анода) по отношению к n- области (катоду), включение p-n перехода называется обратным (рис. 1.2б). Полярность внешнего напряжения в этом случае
совпадает с полярностью контактной разности потенциалов U к .
|
p |
– + |
|
n |
|
|
|
p |
– + n |
|
|||
|
|
– + |
|
|
|
|
|
|
|
– + |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
– + |
|
|
|
|
|
|
|
– + |
|
||
Iпр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iобр |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
+ |
Uпр |
– |
|
|
|
– |
Uобр + |
а) б)
Рис. 1.2
Потенциальный барьер возрастает до величины U к +U обр , запираю-
щий слой увеличивается, в результате чего диффузионный ток основных носителей существенно уменьшается, а дрейфовый ток неосновных носителей быстро достигает насыщения. Во внешней цепи течет незначительный об-
ратный ток Iобр, величина которого определяется концентрацией неосновных носителей (рис. 1.2, б).
1.6Вольтамперная характеристика p-n перехода
Вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n перехода нелинейна (рис. 1.3). Это значит, что сопротивление перехода непостоянно. При прямом включении сопротивление p-n перехода мало (десятки, единицы Ом), при обратном - в десятки тысяч раз больше и составляет сотни кОм.
Прямой ток становится заметным, когда прямое напряжение U пр приближается к контактной разности потенциалов U к . Поскольку U к в кремниевых переходах составляет UкSi ≈ 0,5 ÷0,6 В, то прямая ветвь ВАХ
кремниевого p-n перехода сдвинута вправо (рис. 1.3). Принято считать пороговое напряжение отпирания кремниевого p-n перехода равным 0,6 – 0,7 В.
На начальном участке прямой ветви U пр <U к, и сопротивление диода Rд = Rр + Rз.с + Rn определяется сопротивлением запирающего слоя Rз.с , которое гораздо больше сопротивлений p- и n-областей ( Rз.с >> Rp ,Rn ).
С ростом прямого напряжения Uпр ширина запирающего слоя уменьшается и исчезает совсем, сопротивление диода уменьшается и при
8
Uпр ≈Uк становится постоянным и определяется значениями Rp и Rn , которые зависят от концентрации примеси в областях p и n.
Рис. 1.3.
Прямой ток создаётся движением основных носителей, обратный – неосновных. Поскольку основных носителей в полупроводнике в десятки тысяч раз больше, чем неосновных, то прямой ток гораздо больше обратного. Отсюда следует, что основное свойство диода – односторонняя проводимость
Iпр >> Iобр.
Из вольтамперной характеристики p-n перехода видно, что прямое падение напряжения на линейном участке ВАХ при прямом включении мало зависит от тока и составляет не более 1 В.
1.7.Диоды Шоттки
В качестве выпрямительных диодов используют также диоды Шоттки, которые представляют собой контакт металл-полупроводник (рис. 1.4).
|
|
+ |
|
Al |
|
металл |
|
– n |
Al + |
||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
– – – |
|
|
|
|
|
|
+ |
|||
|
|
– |
Al |
|
Uпр |
|
|
||||
+ + + + |
|
Uк + |
|
|
|
|
|
||||
|
n |
|
|
||||||||
n-Si |
|
|
|
|
|
– |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
–полупр.
Рис. 1.4
Для изготовления диода Шоттки нужно брать такие составляющие, чтобы работа выхода электронов из металла была больше, чем в полупровод-
9