Кафедра управления и информатики в технических

и экономических системах

МЕТДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ»

Владимир 2012

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ДИОДОВ (вентильных , Шоттки , опорных , светоизлучающих)

Ц е л ь р а б о т ы . Ознакомиться со статическими характеристиками и параметрами диодов .

I. Т е о р е т и ч е с к и е с в е д е н и я

А . Вентильные диоды

Вентильные диоды предназначены для преобразования переменного тока промышленной частоты ≈ 50Гц …50кГц в постоянный . Условное графическое обозначение (УГО) и график вольтамперной характеристики (ВАХ) выпрямительного диода приведены на рис.1 . ВАХ типового вентильного диода

описывается уравнением .

.

а б в

Рис.1

На графике ВАХ (б) цена деления по оси прямых напряжений выбрана равной 0,2 В , что позволяет учесть прямое падение на диоде; .на рис. (в) цена деления − 1В , поэтому прямая ветвь ВАХ практически сливается с осью прямых токов . При обратном напряжении ток через диод I_обр пренебрежимо мал .

В схемах выпрямления вентильный диод выполняет функцию ключа , реагирующего на знак приложенного к нему напряжения . При прямом напряжении («+» на аноде «−» на катоде) диод открыт − ключ замкнут ; при обратном напряжении («−» на аноде «+» на катоде) диод закрыт − ключ разомкнут .

Конструктивно ВД делятся на плоскостные и точечные , а по тех − нологии изготовления на сплавные , диффузионные , эпитаксиальные . Плоскостные ВД благодаря большой площади перехода применяются для выпрямления больших токов . У точечных площадь перехода не − велика и поэтому они относятся к слаботочным .

ВД большой мощности обычно изготавливают из кремния или арсенида галлия . Кремниевые сплавные ВД используются для выпрям − ления переменного тока с частотой до 5кГц . Кремниевые диффузион − ные ВД могут работать на частотах до 100кГц . Германий реже ис − пользуется для изготовления диодов .

При больших прямых токах и обратных напряжениях приходится учитывать и такие параметры , как U_пр и I_обр , т.к. они определяют мощность потерь P_пот (рассеиваемая мощность) на диоде .

P_пот = P_пр + P_обр , где P_пр = I_пр∙U_пр , P_обр = I_обр∙U_обр .

Предельные значения I_пр._макс , U_{обр.макс} и рассеваемой мощности P_{расс.макс} , а также рабочая частота f_р указаны в справочной литературе . По мощ − ности ВД делят на : маломощные I_пр ≤ 0,3А , средней мощности I_пр до 10А , мощные I_пр ≥ 10А .

Если частота выпрямленного тока превышает рабочую , то потери в диоде резко возрастают , он нагревается , увеличивается вероятность теплового пробоя . В перечень параметров ВД входят диапазон рабочих температур окружающей среды T_р , максимальная температура корпуса T_к и перехода T_п диода .

Некоторые электрические и предельные эксплуатационные параметры ВД общего применения :

Среднее прямое напряжение при номинальном

среднем токе , в рабочем диапазоне температур....U_пр.ср

Средний обратный ток при U_{обр.макс} в рабочем

диапазоне температур……………………………… ..I_обр.ср

Обратное напряжение (амплитудное значение)……..U_{обр.макс}

Постоянное обратное напряжение………………....0,7U_{обр.макс}

Средний прямой ток……………………………………I_{пр.ср.макс}

Импульсный прямой ток (указываются длительность

и частота импульсов)……………………………………I_пр.имп

Средняя рассеиваемая мощность………………………...P_расс

Частота без снижения режимов (рабочая частота)……f_р

Температура перехода диода…………………………….T_п

Температура корпуса диода………………………………T_к

Диапазон рабочих температур окружающей среды…...T_р

У кремниевых ВД рабочий диапазон температур :

−60…+(125−150)⁰С , у германиевых : −40…+(70−80)⁰С .

Б . Диоды Шоттки

Диоды Шоттки − это вид вентильных диодов ; предназначены для преобразования переменного тока в постоянный . На рис.2 представлены : УГО диода Шоттки (а) , структура обычного диода на основе p – n − перехода (б) и структура диода Шоттки (в) .

В ДШ используется выпрямляющий контакт (барьер ) , образующий − ся между металлом и полупроводником n – типа . И в металле , и в п/п – слое подвижными носителями зарядов являются электроны . Отсюда следует главная особенность ДШ − они работают на основных носителях . Такие явления , как накопление избыточных неосновных носителей в

а б в

Рис.2

базе и их рассасывание сутствуют , соответственно C_диф = 0 . Поэтому диоды Шоттки – весьма быстродействующие приборы , они могут ра − ботать на частотах до десятков гигагерц .

Формула и график типовой ВАХ ДШ выглядят также , как и у ВД на основе p – n – перехода, но есть и отличия . Для диода Шоттки формула ВАХ

Здесь φ_s несколько меньше φ_Т , поэтому прямое падение напряжения на диодах Шоттки меньше , чем на кремниевых диодах ; типовые значения напряжения пятки U_пят ≈ 0,15…0,3В .

Реальная ВАХ ДШ на 7…10 декадах изменения прямого тока точно повторяет теоретическую ВАХ , поэтому ДШ (точнее барьеры Шоттки) применяются для моделирования логарифмической функции .

В . Опорные диоды

УГО стабилитрона и ВАХ приведены на рис.3 ,а ,б . ОД имеет два вывода , может быть смещен в прямом и обратном направлении . Ос − новной режим работы ОД − режим электрического пробоя (на обратной ветви ВАХ) . Пробой может быть лавинным , туннельным и смешанным . В режиме пробоя , особенно лавинного , при значительном изменении тока I_обр = I_ст напряжение на стабилитроне U_обр = U_ст меняется незначительно , поэтому говорят , что стабилитрон стабилизирует напряжение .

Параметры стабилитронов : I_ст.мин , I_ст.ном , I_{ст.макс} – токи стабилизации минимальный , номинальный , максимальный ; U_ст.мин , U_ст.ном , U_{ст.макс} − напряжения стабилизации минимальное , номинальное , максимальное .

Минимальный и максимальный токи стабилизации ограничивают рабо − чую область (РО) ВАХ стабилитрона (рис.22,в) . Применение стабили −

а б в

Рис.3

трона при I_ст < I_ст.мин не рекомендуется , т. к. прибор становится источ − ником радиопомех . При I_ст > I_{ст.макс} стабилитрон нагревается , может выйти в режим теплового пробоя и разрушиться .

На рабочей области ОД определяют дифференциальное сопротивле − ние r_диф , как отношение приращений ΔU_ст и ΔI_ст

;

чем меньше r_диф , тем выше стабилизирующие свойства ОД .

Напряжение стабилизации зависит от типа пробоя . ОД с туннельным пробоем − низковольтные , U_ст до 5,5В ; ОД с лавинным пробоем − высоковольтные , U_ст выше 7В . У ОД с напряжением U_ст = (5,5…7)В пробой смешанный .

Напряжение стабилизации ОД зависит от температуры . U_ст стаби − литронов с лавинным пробоем увеличивается с ростом температуры . Это означает , что температурный коэффициент напряжения (ТКН) положительный , ε > 0 . U_ст стабилитронов с туннельным пробоем от − рицательный , ε < 0 . У стабилитронов со смешанным пробоем ТКН близок к нулю (дать пояснение) .

По рассеиваемой мощности стабилитроны подразделяют на мало − мощные P_рас ≤ 0,3Вт , средней мощности 0,3≤ P_рас ≤ 5Вт и большой мощности P_рас > 5Вт .

Для стабилизации напряжения иногда используют прямое падение напряжения на диоде . Такие приборы называют стабисторами . В области прямого смещения p – n – перехода напряжение на нем сос − тавляет примерно 0,7…2 В и мало зависит от тока . В отличие от стабилитронов ТКН у стабисторов отрицательный .

Стабилитроны изготавливают на основе кремниевых переходов (дать пояснение) .

Г . Светоизлучающие диоды (СИД)

СИД преобразуют энергию электрического сигнала в световое излу − чение за счет рекомбинации электронов и дырок . В обычных диодах рекомбинация пар носителей зарядов при протекании прямого тока происходит с выделением тепла . Такая рекомбинация называется теп − ловой , или фононной . В светодиодах преобладает рекомбинация с из − лучением света ; такая рекомбинация называется фотонной .

Спектр излучения узкий , поэтому оно воспринимается как одно − цветное . Цветность излучения определяется материалом , из которого изготовлен светодиод и может также зависеть от силы прямого тока . Материалы , идущие на изготовление СИД − это , так называемые , ин − терметаллические соединения : фосфид галлия , арсенид галлия , фосфид арсенид галлия , карбид кремния и др.

На рис. 4 приведены УГО (а) и типовые ВАХ (б) СИД .

а б

Рис.4

ВАХ светодиода отличается увеличенным , по сравнению с крем − ниевыми диодами , прямым падением напряжения . Напряжение пятки U_пят может находиться в пределах (1,3…2,4)В . Допустимое обратное напряжение невелико и обычно не нормируется . Таким образом , рабочее включение (напряжение) СИД − прямое .

Применения СИД : 1) индикация тока ; 2) формирование цифро − знаковых шкал измерительных приборов ; 3) изготовление оптопар .

II . Описание лабораторного стенда (рис.5)

На стенде можно снимать статические характеристики диодов и БП триодов . На лицевой панели стенда размещены : гнезда для подклю − чения источников питания и приборов , переключатели полярности нап− ряжения и тока , потенциометры плавной регулировки напряжения , кон − такты для подпайки диодов и триодов .

Чтобы снять ВАХ диода , достаточно сместить его в прямом нап − равлении напряжением 1…2,5 В , а в обратном − не более 20…30В .

При снятии характеристик диодов используются : гнезда G1 , G2 ; G3 , G4 ; потенциометр R1 ; переключатели S1 , S4 , вольтметр pV1 милли − амперметр pА1 для измерения прямого и обратного тока . Остальные элементы стенда в данной работе не используются . Предел тока , измеряемого миллиамперметром pA1 может быть расширен до 20мА , если замкнуть перемычкой гнезда , располагающиеся на левой боковой стенке стенда .

Рис. 5

III . Порядок выполнения работы

1 . Ознакомиться с параметрами исследуемых диодов по справочнику . Подпаять к контактам диод согласно условному обозначению .

2 . Снять прямую ветвь ВАХ диода I_пр = f(U_пр) .

а) повернуть шток потенциометра против часовой стрелке до упора ;

б) для расширения пределов измеряемого тока до 20мА замкнуть перемычкой гнезда на левой боковой стенке стенда ;

в) включить источник питания , выставить на его выходных зажимах напряжение не более 5В ; подключить к гнездам G3 , G4 вольтметр с большим входным сопротивлением ;

г) подсоединить источник питания к гнездам G1 , G2 ; «+» к гнезду G1 , «−» к гнезду G2 ; перевести переключатели S1 и S4 в нижнее по − ложение ;

д) поворачивая шток потенциометра R1 по часовой стрелке фикси − ровать I_пр и U_пр по pA1 и pV1 .

Количество измерений (фиксируемых точек ВАХ диода) не менее 10 . Большая часть измерений должна приходиться на области «пятки» и выхода на омический участок прямой ветви ВАХ .

3 . Снять обратную ветвь ВАХ диода I_обр = f(U_обр) .

а) повернуть шток потенциометра R1 против часовой стрелке до упора ;

б) перевести переключатель S4 в верхнее положение ; установить напряжение на выходных зажимах ИП напряжение порядка 20…30В ;

в) поворачивая шток потенциометра R1 по часовой стрелке фикси − ровать значения тока и напряжения на диоде ;

д) если обратный ток мал (не фиксируется) , то следует вернуться к п. а) , затем , сняв перемычку , расширяющую пределы измерения тока , повторить указания п. в) .

Количество измерений − не менее 10 .

Примечание . Обратную ветвь ВАХ стабилитрона рекомендуется снимать с перемычкой , расширяющей предел измерения pA до 20мА . Переход в область пробоя у стабилитронов может происходить очень резко , поэтому надо внимательно следить , чтобы ток I_обр = I_ст не превышал 20мА .

IV . Содержание отчета

Отчет должен содержать

1. Наименование и цель работы .

2. УГО и таблицы основных данных исследуемых диодов .

3. Таблицы наблюдений .

4. Графики экспериментальных ВАХ диодов (графики выполняются в одной координатной системе) .

5. Выводы о проделанной работе (сравнительный анализ ВАХ и па − раметров диодов) .

6 . Отчет выполняется каждым участником работы .

V . Контрольные вопросы

1. Вентильные диоды (ВД) : назначение , УГО , уравнение ВАХ типового ВД . Какие параметры можно определить по ВАХ диода ?

2. Дайте краткую классификацию ВД по конструкции , технологии , частоте и мощности .

3. Приведите перечень электрических предельных , эксплуатационных параметров ВД общего назначения .

4. Диоды Шоттки (ДШ) : назначение , УГО ; главные отличия от ВД ; формула ВАХ . Изобразите ВАХ ВД (кремниевого , германиевого) и ВАХ ДШ .

5. Опорные диоды (ОД) : назначение , УГО , графики ВАХ . Па

раметры ОД : U_ст , I_ст , r_диф , ε ; классификация ОД по мощности . Какие типы пробоев используются в ОД ?

6. Светоизлучающие диоды (СИД) : назначение , УГО , графики ВАХ . Сравнение ВАХ : ВД , ДШ , СИД .

Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

БИПОЛЯРНЫХ ТРИОДОВ

Ц е л ь р а б о т ы . Ознакомление со статическими характери − тиками и параметрами биполярных триодов .

I. Т е о р е т и ч е с к и е с в е д е н и я

БПТ универсальный полупроводниковый прибор , который может работать в режиме управляемого сопротивления и ключа (рис. 1) . УГО и структура БПТ представлены на рис. 2 .

Рис. 1

Прибора имеет три электрода : эмиттер , баз , коллектор ; построен на основе трех п/п слоев . Между крайними и средним слоями образуются переходы : эмиттерный (ЭП) и коллекторный (КП) . В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают триоды p – n – p (а) и n – p – n (б) с взаимно противоположными рабочими полярностями . Чтобы не дублировать рассуждения и выводы , будем рассматривать только трио − ды p – n – p . Левый крайний слой , по обозначению электрода , будем называть эмиттером , правый слой − коллектором , средний − базой .

Условимся , что концентрации примесей в p – слоях эмиттера и кол − лектора на 2…3 порядка выше , чем концентрация примеси в n – слое базы , следовательно коллектор и эмиттер − низкоомные слои , база − высокоомный .Следовательно , и концентрации основных носителей зарядов в p – слоях на 2…3 порядка выше . чем в n – слое (в базе) .

Триод может быть включен нормально и инверсно . В нормальном , или рабочем включении , эмиттерный переход смещен прямо , эмиттер инжектирует свои основные носители (в данном случае дырки) в базу . Коллекторный переход смещен обратно , он «собирает» инжектированные носители , прошедшие

слой базы . База должна быть достаточно тонкой , ее ширина (расстояние между ЭП и КП) меньше диффузионной длины дырок , тогда большая

а б

Рис. 2

их часть достигает коллекторного и перебрасывается его полем в коллектор .

Будем считать , что поток дырок , инжектированных эмиттером в базу образует ток эмиттера I_э , поток дырок , дошедших до коллекторного перехода образует ток коллектора I_к . Незначительное количество дырок , не достигших коллекторного перехода , «остаются» в базе , рекомби − нируют с ее электронами , нарушая электронейтральность . Для восста − новления электронейтральности из внешней цепи в базу «притекают» дополнительные электроны . Поток этих электронов образует ток базы I_б. (I_б направлен из базы , см. рис. 2 ,а) .

Эффективность работы триода оценивают коэффициентом передачи тока эмиттера в цепь коллектора α

, отсюда I_к = α∙I_э .

Судя по структуре , изображенной на рис. 2 , триод симметричен по отношению к слою базы , поэтому , в принципе , эмиттер и коллектор можно поменять функциями , т.е. коллекторный переход сместить прямо , а эмиттерный − обратно . Такое включение называют инверсным . В действительности структура триода несимметрична и , как следствие , нормальное и инверсное включения неравноценны .

На рис. 3 приведена , близкая к реальной , структура сплавного диффузионного триода . Индий , как химический элемент , образует с p – слоями германия (эмиттером и коллектором) невыпрямляющие контакты и используется для подсоединения электродов Э и К . Выпрямляющие переходы , эмиттерный и коллекторный , образуются между p – слоями эмиттера , коллектора и n – слоем базы , причем площадь КП значительно больше площади ЭП . Отсюда следует , что при нормальном включении триода КП лучше выполняет функцию собирания , чем эмиттерный

переход при инверсном включении . Коэффициент передачи для нор − ного включения α больше , чем для инверсного α_и : α > α_и .

Рис. 3

Инверсное включение в настоящее время в схемотехнике применяется редко .

Когда говорят об эмиттерном и коллекторном напряжениях , под − разумевают , что оба отсчитываются от базы , принятой за основной электрод , общий для входной (эмиттерной) и выходной (коллекторной) цепей триода . Эмиттерное напряжение U_эб , коллекторное − U_кб . Такое включение , позволяющее наглядно

изучить свойства и параметры триода называют включением с общей базой (ОБ , рис. 4) . Полярности напряжений и направления токов эмиттера I_э , базы I_б и коллектора I_к соответствуют нормальному , или прямому включению триода . Схема ОБ не является единственной и самой лучшей . Основное применение находит схема включения с общим эмиттером (ОЭ) . Но

Рис. 4

по схеме включения с ОБ легче усвоить принципы работы БПТ .

Принцип действия БПТ .

Принцип действия рассматривается на примере триода прямой проводимости , включенного с ОБ . На рис. 5 изображены структуры и потенциальные диаграммы , соответствующие равновесному состоянию , когда оба перехода закорочены , следовательно U_эб = U_кб = 0 (рис. 5, а) и нормальному включению триода , когда эмиттерный переход смещен прямо , коллекторный − обратно (рис. 5, б) .

В равновесном состоянии потенциальный барьер и напряженость электрического поля каждого из p – n – переходов невелики . Дырки эмиттера и коллектора легко преодолевают невысокие потенциальные барьеры ЭП и КП и диффундируют в базу . В то же время дырки базы попадая в поле любого из переходов перебрасываются ими (дрейфуют) из базы в эмиттер и коллектор . Встречные потоки дырок , через переходы равны , следовательно , диффузионный и дрейфовый дырочные токи равны , а их сумма I_p.диф + I_p.др = 0 . То же самое справедливо для электронов : I_n.диф + I_n.др = 0 . В итоге в равновесном состотоянии токи через любой из переходов равны нулю .

В нормальном включении эмиттерный переход смещен прямо , кол − лекторный – обратно : U_эб > 0 , U_кб < 0 (рис. 5,б). Потенциальный барьер ЭП снижается на величину приложенного напряжения U_эб и становится ýже , напряженность электрического поля ЭП минимальная . В этих условиях дрейфовые составляющие токов через ЭП пренебрежимо малы . Множество дырок p – cлоя легко преодолевают низкий барьер ЭП и диффундируют в базу . Поток дырок , диффундирующих из эмиттера в базу , образует ток эмиттера I_э . Электроны базы также участвуют в образовании тока I_э , но их доля слишком мала (по условию на 2…3 порядка меньше , чем дырок в эмиттере) и в дальнейшем не учитывается .

Потенциальный барьер КП повышается на величину приложенного напряжения U_кб , переход расширяется за счет высокоомного слоя − базы , напряженность поля перехода растет . Дырки , инжектированные эмиттерным переходом в базу и достигшие КП , перебрасываются его полем (дрейфуют) в кол − лектор . Этот поток дрейфующих дырок образует ток коллектора I_к . Диффузия дырок из коллектора в базу невозможна из – за большой высоты потенциального барьера . Таким образом , ток коллектора I_к имеет дрейфовую природу .

Дополнением к собираемой дырочной составляющей I_к является небольшой обратный ток коллекторного перехода , который обозначают I_к0 . Природа I_к0 рассмотрена в разделе «Обратная ветвь ВАХ диода . Обратный ток диода − перехода» .

Незначительная доля дырок , инжектированных ЭП попадает в пас − сивные области базы , рекомбинирует с электронами и нарушает ее электронейтральность . Для восстановления элетронейтральности от «−» полюса источника U_эб в базу притекают дополнительные электроны . Поток этих электронов в выводе базы создает ток базы I_б .

По аналогии можно рассмотреть процессы в триоде при инверсном включении и любых режимах работы БПТ .

В биполярных триодах обратной проводимости (n – p – n ) основную роль в образовании токов I_э и I_к играют электроны , а ток базы − дырочного происхождения .

Рис. 5

Вольтамперные характеристики ВАХ (БПТ)

Основные статические вольтамперные характеристики БПТ : коллекторные и эмиттерные . Коллекторные ВАХ – выходные , устанав − ливают связь между выходным током I_к и напряжением U_кб : I_к = f(U_кб) . Эмиттерные ВАХ – входные , устанавливают связь между входным током I_э и напряжением U_эб : I_э = f(U_эб) .

Формулы ВАХ находят в итоге анализа работы идеализированной модели , представляющей триод в виде двух встречно включенных p – n – переходов (диодов) , взаимодействующих и имеющих общую базу . Полное описание статических характеристик БПТ дает система урав − нений Эберса – Молла . Уравнения системы громоздки и используются редко .