2015_4488

По известной толщине базы определяется время диффузии дырок сквозь нее:

Величина времени диффузии неосновных носителей позволяет рассчитать диффузионную емкость прямо смещенного эмиттерного p–n- перехода, которую невозможно измерить непосредственно из-за шунтирующего ее малого дифференциального сопротивления перехода:

1.3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка, схема которой показана на рис. 1.1, позволяет реализовать методику измерения емкости на основе RC- делителя.

+mA

Рис. 1.1. Схема измерения емкости p–n-переходов

Схема собирается с помощью соединительных проводов на базе учебного комплекса МУК ФОЭ1 с использованием трех ампервольтметров АВ1 и трех генераторов напряжений соответственно для вход-

11

ной (эмиттерной), выходной (коллекторной) цепи, а также цепи измерения емкости. Стенд с транзисторами СЗЭЛ01 содержит набор биполярных и полевых транзисторов. Переключение разных типов транзисторов и схем включения проводится строго при выключенном напряжении питания на генераторах ГН3 и измерительных приборах с помощью соединительных проводов.

Входной эмиттерный ток задается генератором тока ГТ= и контролируется миллиамперметром mA1. Выходное напряжение задается генератором ГН= и контролируется вольтметром V2=. Входное напряжение измеряется вольтметром V1. Напряжение переменного генератора контролируется вольтметром V~.

На переднюю панель установки выведены регулировки эмиттерного тока и коллекторного напряжения и приборы для измерения токов и напряжений в соответствующих цепях.

Переменное напряжение (U0 = 1,5 В, f = 1 кГц) подается на делитель, образованный емкостью (измеряемой CX , т. е. емкости коллекторного или эмиттерного перехода или калибровочной С0 , в зависимости от подключения) и резистором R1 . Напряжение, измеряемое переменным вольтметром V~, можно вычислить, согласно выражению

кость. Отношение напряжения U2 (при подключенной исследуемой емкости CX ) к U1 (при подключенной калибровочной емкости С0 ) позволяет определить искомую емкость:

12

1.4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Собрать схему согласно рис. 1.1. Использовать C0 22 пФ, С1 3,3 мкФ, R1 = 8,3 кОм, R2 = 47,5 кОм. Следует учитывать, что

при подключении вольтметра переменного тока к точке «1» – измеряется напряжение на калибровочной емкости C0 ; к точке «2» – изме-

ряется напряжение на емкости коллекторного перехода; к точке «3» – измеряется напряжение на емкости эмиттерного перехода.

сквозь базу и диффузионную емкость прямосмещенного p–n-эмиттер- ного перехода для германиевого и кремниевого транзисторов.

1.5. ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К РАБОТЕ

1.Объяснить физическую природу барьерной емкости p–n-пе- рехода и ее ВФХ.

2.Объяснить физическую природу диффузионной емкости p–n-пе-

рехода и ее зависимость от тока и напряжения на нем.

3.Объяснить методику измерения емкости в данной работе.

4.Вычислить, как уменьшается барьерная емкость диода с резким

переходом при увеличении модуля внешнего напряжения на 1 В, если известно, что при U = –5 В Cбар = 20 пФ.

5. Имеется кремниевый p–n-переход NА 1018 см 3 , Nд 1015 см 3. Вычислить:

13

а) высоту потенциального барьера q 0 , если внешнее напряжение U = 0, собственная концентрация ni 2 1010 см 3 ;

б) координаты границ обедненной области с каждой стороны перехода, если внешнее напряжениеU 10 В, ап 1,062 10 12 Ф см 1 ;

в) барьерную емкость CБ при внешнем напряжении U 15 В, если площадь поперечного сечения F 10 8 м2 ;

г) напряжение лавинного пробоя Uпроб. Напряженность электрического поля E 1,5 107 В/м.

6.Привести и объяснить выражение для расчета барьерной емкости для случая резкого (симметричного и асимметричного) p–n-перехода.

7.Привести и объяснить выражение для расчета барьерной емкости для случая плавного p–n-перехода.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИКАПОВ

2.1. ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Целью работы является изучение принципа действия варикапов и определение их основных параметров.

2.2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Варикап – обратносмещенный полупроводниковый диод, применяющийся в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. В нем используется свойство p–n-перехода изменять барьерную емкость под действием внешнего напряжения. Основное применение варикапов – электрическая перестройка частоты колебательных контуров.

Варикапы изготавливаются из кремния, арсенида галлия. Типичная схема включения варикапа показана на рис. 2.1. Обратное напряжение на варикап подается через разделительный

высокоомный резистор (R > 100 кОм), предотвращающий шунтирова-

14

ние емкости варикапа малым внутренним сопротивлением источника питания. Изменяя величину обратного напряжения, можно регулировать емкость варикапа. Колебательный LC-контур, настраиваемый при помощи варикапа, включают параллельно последнему.

Рис. 2.1

Для уменьшения влияния переменного напряжения на емкость варикапа можно использовать встречно-последовательное включение одинаковых варикапов, как показано на рис. 2.2.

Рис. 2.2

Переменное напряжение поступает на них в противофазе, поэтому вызываемое этим напряжением изменение емкости взаимно компенсируется, а результирующая емкость варикапов остается неизменной.

Основными параметрами варикапов являются:

–полная емкость;

–коэффициент перекрытия по емкости;

–добротность;

–максимально допустимое обратное напряжение;

15

–обратный ток;

–температурный коэффициент емкости.

Полную емкость варикапа можно определить согласно выраже-

нию 2.1:

где Uобр – напряжение на варикапе (обычно Uобр = – 4 В); к – контактная разность потенциалов; Cп – паразитная емкость; m – коэффи-

циент, зависящий от конструкции варикапа (для кремниевых сплавных варикапов к = 0,7 В, m = 1/2). Начальная емкость варикапа определя-

ется как барьерная емкость электронно-дырочного перехода при отсутствии напряжения (выражение 2.2):

Начальная емкость зависит от площади электронно-дырочного перехода S, а также от концентрации легирующей примеси N в его базе и может составлять от единиц пикофарад до десятых долей микрофарад.

Коэффициент перекрытия по емкости KC определяется как отно-

шение емкостей варикапа при максимальном и минимальном значении обратного напряжения (выражение 2.3):

Как правило, коэффициент перекрытия по емкости составляет 5– 10 раз.

Добротность варикапа можно определить как отношение реактивной мощности к мощности потерь (выражение 2.4):

где реактивная мощность составляет

16

Напряжение U~ на варикапе VD контролируется вольтметром V~. Согласно выражению (2.11) определяется емкость Cобщ :

висящая от Uобр и связанная с соединительными проводами, разъемами, контактами и т. д.

2.4.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Собрать схему, согласно рис. 2.4, установить напряжение переменного генератора UГ~, частоту FГ~ = 2 МГц.

2.Снять зависимость U~ (Uобр), вычислить согласно выражению

(2.11) Собщ для всех значений Uобр.

3. Отключить варикап. Провести измерение и вычислить согласно выражению (2.11) Cп .

4. Определить Cв , построить вольт-фарадную характеристику

Cв(Uобр) .

5. Рассчитать коэффициент перекрытия емкости KC и диапазон изменения резонансной частоты fр . Значения индуктивности L и по-

стоянной емкости С1 колебательного контура (см. рис. 2.3) выбрать по указанию преподавателя.

2.5. ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К РАБОТЕ

1.Какие полупроводниковые диоды называют варикапами?

2.Назначение варикапов, нарисовать пример применения варикапа, пояснить принцип его работы.

3.Перечислить основные параметры варикапов.

4.Как изменится емкость варикапа при увеличении обратного напряжения?

19

5.Можно ли использовать в качестве варикапа обычный полупроводниковый диод или, например, коллекторный (эмиттерный) переход биполярного транзистора?

6.Как экспериментально снять вольт-фарадную характеристику варикапа?

7.Что такое добротность, как она определяется для варикапа и резонансного контура?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ОСНОВЫ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКИ НЕПРЕРЫВНЫХ СЛУЧАЙНЫХ ВЕЛИЧИН

3.1. ВВЕДЕНИЕ

Первая лабораторная работа посвящена теоретическим основам математической статистики. В ней изучаются основные распределения непрерывных случайных величин, используемые при статистической обработке результатов измерений. Определяются вероятности, с которыми случайные величины попадают в заданный интервал, и, наоборот, определяются интервалы, в которые случайная величина попадает с заданной вероятностью. Выполняется знакомство с некоторыми статистическими функциями программных пакетов MathCAD и Excel.

3.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ НЕПРЕРЫВНЫХ СЛУЧАЙНЫХ ВЕЛИЧИН

Непрерывная случайная величина x характеризуется функцией распределения P(x) . Ее статистический смысл заключается в вероят-

ности того события, что в результате i-го наблюдения xi будет иметь значение, меньшее или равное x :

обычно имеет область определения ( , ) или (0, ) . Если функция

20