32

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Дніпродзержинський державний технічний університет

Кафедра Електроніки

Методичні вказівки

до виконання лабораторних робот з дисципліни

„Технологічні основи електроніки”

студентами спеціальностей

6.090800 – Електронні системи;

6.090800 – Фізична і біомедична електроніка

Затверджено

редакційно-видавничоюсекцією

науково-видавничої ради ДДТУ

Протокол № від 04.2009 р.

м. Дніпродзержинськ

2009 р.

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт

з дисципліни „Технологічні основи електроніки” студентами спеціальностей

6.090800 „Електронні системи”, 6.090800 – Фізична і біомедична електроніка

Укладачі к.т.н. Трикіло А.І.

Відповідальний за випуск:

ст. викладач Нельга А.Т.

Рецензент:

к.т.н. Багрій В,В,

Анотація.

У методичній розробці наведені вказівки до виконання лабораторних робіт по дисципліні „Технологічні основи електроніки”. Розглянуто фізичні та електроенергетичні особливості, що мають місто при виготовленні та роботі напівпровідникових електронних приладів – діодів, біполярних та уніполярних

Лабораторна робота № 1 Технолого-конструктивні особливості виробництва напівпровідникових діодів

Мета: вивчення конструкції ППД, технологічних і конструктивних особливостей виробництва.

1. Теоретична частина

Напівпровідниковий діод — двополюсний прилад, заснований на нелінійних властивостях електронно-дірчастого переходу в напівпровідниках або контакту напівпровідник — метал. Велике поширення набули точкові і площинні діоди германієві, діоди кремнієві, діоди тунельні і ін. Точкові діоди виготовляються з притискним або із зварним контактом (электрич. формування), площинні — методами сплаву, дифузії домішок, вирощування монокристалів напівпровідника з розплаву, створення эпитаксиальных плівок і т.д. Д. п. призначені для перетворення, модуляції, детектування СВЧ коливань, випрямляння, посилення електричних сигналів в різних радіоелектронних пристроях. Дослідження чутливості р—n -перехода до різних випромінювань привело до створення фотодіодів і фотоелементів; наявність залежності місткості р-n- переходу від прикладеної напруги дозволила створити варикапы і діоди параметричні; явище лавинного пробою лягло в основу створення опорних діодів (кремнієві стабілітрони).

На відміну від лампових діодів, де струм в замочному напрямі дуже малий, зворотний струм напівпровідникового діода має, як правило, помітну величину. Крім того, допустима зворотна напруга напівпровідникового діода обмежена напругою пробою, що виникає унаслідок тунельного ефекту в сильному полі, або лавинного множення носіїв заряду або теплового пробою, зворотна напруга також пов'язана з явищами на поверхні напівпровідника.

Точковий діод (мал. 1) складається з корпусу 1, голкотримача 2, голки 3, кристала Ge n-типа провідності 4, кристаллодержателя 5 і висновків 6. Основним елементом є контакт вістря голки і поверхні кристала. Стабілізація електричних властивостей

таких контактів здійснюється електричним формуванням — пропусканням через діод одного або неск. імпульсів електричного струму У прямому напрямі.

Під час формування приконтактная область Ge піддається термічній обробці і стає p - типу провідності, в результаті виникає п-p -переход. Формування приводить до підвищення допустимої зворотної напруги і збільшення прямого опору. Діоди германієві призначені для використовування в діапазоні частот до 150 Мгц, при темпрах навколишнього середовища від —60° до + 80°, як детектори, перетворювачі частоти і т.д. Основні електричні параметри точкових діодів типа Д2А—Д2Ж: середнє значення випрямленого струму 8—50 ма; прямий струм при напрузі 1в 2-50 ма; зворотна напруга не менше 7 в (до 150 в), при цьому зворотний струм 0.1—0.25 ма.

Проїзво площинних діодів здійснюється в основному методом сплаву In з Ge n-типа провідності. Кристал Ge і що знаходиться з ним в контакті штабик In нагріваються в атмосфері обчищеного водню до темп-ры 500-550° З. При нагріванні In розчиняє Ge; при охолоджуванні з розплаву випадає тверда фаза, що містить 1018—1019 атомів In в 1 см3, створююча рекристаллизованный шар Ge p -типа провідності. На межі цього шару і початкового Ge створюється n-p -переход. Омічний контакт з протилежною стороною пластинки Ge проводиться сплавом Ge з Sn, що містить донори — елементи V групи (напр., Sb, As). Пластинка Ge припаюється до кристаллодержателю; до In припаюється контактний вусик; діод піддається тому, що хімічному труїть, сушці і герметизується в корпусі.

На відміну від точкових діодів, теоретичний розрахунок яких дозволяє передбачити лише якісні, залежність, теорія площинних діодів дозволяє розрахувати основні параметри: зворотний струм, пробивна напруга, місткість. В сплавних діодах

провідність області р-типа значно вище за провідність області n-типа; для деяких діодів відношення проводимостей складає 104—105. Практично всі параметри діодів визначаються властивостями висхідного матеріалу в десяті частки ом-см визначається тунельним механізмом і розраховується по формулі де: Uz – напруга зинеровского пробою - питомий опір областей відповідно п і p-типа провідності. При більшому значенні питомого опору пробій обумовлений виникненням лавинного множення носіїв струму, і напруга пробою електронного і дірчастого напівпровідників відповідно визначається емпіричними формулами:

або , де - питомий опір бази. Робоча напруга площинних германієвих діодів при кімнатній темп-ре складає звичайно 0.5  –  0.7 в, кремнієвих 0.3  -  0.5 в. Зворотний струм діода в робочому діапазоні напруг обумовлений в основному термічною генерацією дірок в Ge, Si і визначається формулою

де: q - заряд електрона; Dр — коэфф. дифузії дірок; Lp — ефективна довжина дифузії дірок; р0 — рівноважна концентрація дірок; А — площа p-n -перехода.

Рівняння вольтамперной характеристики сплавних діодів:

, де I -ток через діод; до - постійна Больцмана; Т  -  абс. температура; U — прикладена до діода напруга (U>0 — пряма напруга, U<0 — зворотна напруга); R — послідовний опір в діоді. Зарядна місткість при зворотній напрузі співпадає з місткістю p-n - переходу і виражається формулою:

де:  - діелектрична постійна Ge, ( - (- ность електронів і дірок відповідно), контактна різниця потенціалів між дірчастим і електронним Ge, Si. Площинні діоди використовуються при частотах до 50 кгц при температурі навколишнього середовища від —50°до + 120° як випрямлячі перем. струму.

Діод СВЧ - напівпровідниковий діод для детектування або перетворення частоти в діапазоні сантиметрових і міліметрових хвиль. Діоди СВЧ розділяються на видео- і змішувачі. Основні області вживання перших - радіолокація, радіотелеуправління, радіоастрономія і зміряє, техніка. Діоди змішувачів застосовуються в радіолокації і ін. областях, де вони працюють в якості

перетворювачів частоти в супергетеродинних приймачах СВЧ. Діоди СВЧ використовуються в помножувачах частоти як нелінійний опір або нелінійна місткість, служать як перемикачі.

Зміна імпедансу діода при зміні напруги зсуву дозволяє управляти потужністю в хвилеводі. Діодні перемикачі надзвичайно прості по конструкції, вимагають малої потужності для управління і мають вельми малий час перемикання (дещо ncек і менше).

Як детектування, так і перетворення частоти за допомогою напівпровідникового діода обумовлено нелінійністю вольтамперной характеристики діода.

По теорії випрямляння

де: q - заряд електрона; до - постійна Больцмана; Т - абсолютна температура; U - напруга на діоді. Проте реальні характеристики відхиляються від цього. В діапазоні СВЧ істотний вплив на роботу діода надає місткість випрямляючого контакту. Вона шунтує нелінійний опір замикаючого шару і тим самим зменшує ефективність діода. У зв'язку з цим діод СВЧ мають вельми малу місткість контакту - від декількох сотих до декількох десятих часток пф. На СВЧ велике значення має узгодження імпедансу діода з передаючою лінією (хвилеводом). Узгодження діода в широкій смузі частот також залежить і від конструкції патрона і величини його місткості. В цьому відношенні якнайкращою є коаксіальна конструкція діода (мал. 2,б).

Діод змішувача характеризується втратами перетворення L, т. е, відношенням потужності сигналу, поглиненої в діоді, до потужності на проміжній частоті (ПЧ), вихідним опором R і шумовий темп-рій tш. L зменшуються із збільшенням потужності гетеродина; на високих частотах вони ростуть разом з твором . Втрати перетворення вимірюються за умови узгодження вихідного опору діода з входом УПЧ. Вихідний опір змішає, діода є диференціальним опором, вимірюваним на виході ПЧ в поминальному режимі діода. Шумова температура є відношення потужності шумів, що виділяється на виході ПЧ в робочому режимі діода, до потужності теплового шуму активного опору , рівного вихідному опору діода. При цьому передбачається, що шуми гетеродина пригнічені. Діод змішувача піддається дії імпульсної потужності, що просочується через розрядник захисту приймача. Якщо вона перевищує певну межу, в ньому наступають необоротні зміни, супроводжувані зростанням L і tШ (вигоряння). Спостерігаються також деякі оборотні зміни параметрів діода відразу після дії імпульсу; ці зміни зникають в період від декількох секунд до багатьох хвилин.

Діоди СВЧ виготовляються в керамічному патроні (мал. 2, а) і коаксіального типу (мал. 2,б). На міліметрових хвилях застосовуються хвилеводні конструкції діодів (мал. 2, в). В діодах СВЧ використовуються кристали Si і  Ge.

Мал. 2. Діоли СВЧ: а — в керамич., би — в коаксіальному патронах;

в — хвилеводної конструкції.

З першими здійснюється притискний контакт вольфрамовим або молібденовим загостреним дротом, другі мають зварний контакт з платинородиевой дротом.