TX7Eh4KK48

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

––––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

––––––––––––––––––––––––––––––––––

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ РАДИОКОМПОНЕНТОВ

Методические указания к лабораторным работам

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2014

1

УДК 539.2(076)

Физические свойства полупроводниковых радиокомпонентов: метод. указания к лаб. работам / сост.: М. Ф. Ситникова, Е. Ю. Замешаева, Н. С. Аничкова, И. В. Мунина. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. 30 с.

Содержат описания лабораторных работ по изучению физических свойств полупроводниковых радиокомпонентов в рамках дисциплины «Основы электроники и радиоматериалы». Приведена методика расчета основных характеристик устройств с помощью пакета MicroCap.

Предназначены для студентов, обучающихся по учебным планам 111– 117, 811–814, 4- го семестра подготовки бакалавров по направлениям: 210400.62 – « Радиотехника»; 210700.62 – « Инфокоммуникационные технологии и системы связи»; 211000.62 – « Конструирование и технология электронных средств»; для подготовки специалистов по специальности 210601.65 – «Радиоэлектронные системы и комплексы».

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014

2

На рис. 1.1 представлено схематическое изображение структуры p− n- перехода (а) и его вольтамперная характеристика (б).

Обратный ток перехода I0 для кремниевых p− n-переходов составляет обычно доли или единицы миллиампер, для германиевых − микроампер.

UUпроб

U

Обратная

ветвь

Рис. 1.1

Выражение для прямого тока I через переход представляют в виде

I = I0 ехр (V/φ0 ),

где V − прямое напряжение на переходе; φ0 ≈ 25 мВ – температурный потенциал при 20 ºС.

Если обратное напряжение, приложенное к p−n -переходу, превосходит некоторое предельное значение, то возникает пробой перехода.

1.2. Построение и анализ прямой ветви вольтамперных характеристик диодов

Построение прямой ветви вольтамперных характеристик (ВАХ) диодов выполняется при использовании схемы, представленной на рис. 1.2.

Диоды D1 (кремниевый, модель 1N4148), D2 (германиевый, модель 10TQ045_IR) и D3 (диод Шотки, модель 1N5819) через токоограничивающие резисторы R1, R2, R3 подключены к источнику напряжения V1 в прямом на-

4

Перед выполнением моделирования необходимо построить чертеж схемы. Графическое изображение новой схемы создается по команде File > New или при нажатии на кнопку (режим Schematic) в открывшемся пустом окне. Для упрощения построения схемы можно запустить координатную сетку, нажав на кнопку на панели инструментов или выбрав команду Options > View > Grid.

Компоненты вносятся в схему при нажатой кнопке (Component) в строке наиболее употребительных команд окна редактора схем.

Источник постоянного напряжения выбирается нажатием на кнопку (Battery) набора элементов, размещенных на специальной рабочей панели. Выбранный элемент приводится курсором в нужное место экрана и фиксируется нажатием левой клавиши мыши.

Ориентацию элемента на схеме изменяют при нажатой левой клавише мыши щелчком правой клавиши мыши. При каждом щелчке правой клавиши компонент поворачивается на 90º.Отпускание левой клавиши фиксирует компонент.

После фиксации источника постоянного напряжения в открывшемся диалоговом окне для ввода и редактирования атрибутов указываются позиционное обозначение PART (V1) и номинальное значение VALUE (20 В). Ввод заканчивается нажатием кнопки ОК. Обозначения всех элементов схем и единиц измерения вводятся латиницей.

Диод выбирается из наиболее часто используемых на практике элементов, размещенных на панели инструментов. После его фиксации в открывшемся диалоговом окне указывается модель элемента MODEL.

Резистор перед выведением на чертеж выбирается в меню Component > Analog Primitives > Passive Components или из набора наиболее часто ис-

пользуемых элементов, размещенных на панели инструментов. После фиксации резистора в открывшемся диалоговом окне указываются его позиционное обозначение PART и номинальное значение параметра VALUE (2 кОм).

Для удобства задания значений параметров в системе MicroCap используются сокращенные обозначения численных коэффициентов (порядков величин), которые приведены в табл. 1.1. Обозначения вводятся латинскими буквами после численного значения без пробела.

Таблица 1.1

5

Ввод проводников осуществляется при выделении соответствующей пиктограммы или выбором команды Options > Mode > Wire. Начало проводника отмечается нажатием левой клавиши мыши на выводе компонента. Прокладывая проводник при нажатой клавише , удобно рисовать отдель-

но его горизонтальные и вертикальные линии, при каждой смене направления отпуская и снова нажимая клавишу. Отпускание клавиши фиксирует окончание линии. Символ «земля» для схемы выбирается из набора элементов, размещенных на панели инструментов.

Для получения информации об элементе и возможности редактирования его атрибутов необходимо два раза щелкнуть левой клавишей мыши по элементу в режиме выбора объектов.

Режим выбора объектов используется также для выполнения операции очистки. Пиктограмма активизируется, стрелка маркера устанавливается на удаляемом объекте схемы. Объект выделяется нажатием левой клавиши мыши, после чего удаляется нажатием клавиши Delete.

ВАХ диодов строятся в режиме анализа схемы по постоянному току. Переход в этот режим производится по команде Analysis > DC. В открывшемся диалоговом окне задания на расчет (рис. 1.3) в строке Variable 1 в ячейке Name указывается имя варьируемого параметра (V1), а в ячейке Range – его максимальное, минимальное значения, а также шаг. В нижней части диалогового окна приведена таблица с параметрами, используемыми при выводе результатов моделирования:

Page – страница, на которой выводятся графики заданных функций (поле не является обязательным);

P − номер рисунка, на котором строится график заданной функции; X Expression − имя переменной, откладываемой по оси X;

Y Expression − имя функции, откладываемой по оси Y;

X Range − верхняя и нижняя границы исследуемого диапазона изменения переменной;

Y Range − максимальная и минимальная границы отображения функции. Моделирование начинается при нажатии кнопки Run или клавиши F2.

Окно задания на расчет DC Analysis Limits сворачивается, и его вкладка остается в нижней части экрана. На экране открывается окно графиков прямой ветви ВАХ диодов ID = f(VD) (рис. 1.4).

6

одов D1, D2, D3 в заданном интервале изменения тока через диод (диапазон изменения тока задается преподавателем) от r1 = V1/I1 до r2 = V2/I2, а также уровень прямого напряжения на диоде Vпр = (V1 + V2)/2.

Результаты расчетов заносятся в табл. 1.2.

Из полученных ВАХ следует, что в области токов 1...10 мA прямое напряжение для кремниевого диода составляет около 0.6 В, для германиевого – порядка 0.3 В, для диода Шотки – порядка 0.2 В. Прямое направление зависит от контактной разности потенциалов на p– n-переходе. Из трех рассмотренных типов диодов кремниевые имеют максимальную контактную разность потенциалов, диоды Шотки – минимальную, а германиевые – промежуточное значение.

1.3.Задание

Всхеме (см. рис. 1.2) определить необходимое напряжение источника V1(1) для обеспечения в цепи, состоящей из элементов R1 и D1, тока, заданного преподавателем, используя совместные ВАХ диода и резистора.

Y

2

I2

R1 = V(R)/I = ctg α

1 I1

X

V1(D) V1(R)

Рис. 1.5

На графике ВАХ диода отмечается точка 1 с заданным током I1 и определяется соответствующее падение напряжения на диоде V1(D) (рис. 1.5). Затем рассчитывается падение напряжения на резисторе V1(R) при заданном

8

токе I1 (V1(R) = I1R1) и откладывается по оси напряжений от точки V1(D). Полученная сумма V1(1) = V1(D) + V1(R) определяет напряжение, создающее заданный ток в цепи.

Наклонная прямая с началом в точке V1(1) на оси X, проходящая через точку 1, является графиком ВАХ резистора, направленным встречно графику ВАХ диода. С ростом заданного тока рабочая точка диода перемещается вверх по графику ВАХ. Прямая ВАХ резистора с углом наклона α переносится в новую рабочую точку. Ее пересечение с осью Х дает новое значение источника напряжения V2(1).

1.4. Зависимость ВАХ диодов от температуры

Увеличение температуры при поддержании неизменного тока через диод приводит к уменьшению падения напряжения на диоде.

Следует построить семейство ВАХ кремниевого диода в зависимости от температуры, используя схему рис. 1.6.

После построения чертежа схемы выполняется переход в режим расчета по постоянному току по команде Analysis > DC. В открывшемся диалоговом окне задания на расчет (рис. 1.7) в строке Variable 1 в ячейке Name указывается имя варьируемого параметра V1, а в ячейке Range его максимальное и минимальное значения и шаг.

Вгруппе полей, объединенных заголовком Temperature, устанавливается линейный – Linear – метод изменения температуры и задаются ее максимальное, минимальное значения и шаг изменения, например: 100, 20, 40.

Втаблицу с параметрами, используемыми при выводе результатов моделирования, записываются данные для графика функции ID1 = f (VD1).

При нажатии кнопки Run на экран выводится семейство ВАХ для различных значений температуры (рис. 1.8). С помощью пиктограммы следует нанести на графики точки, ордината которых соответствует заданному значению тока, проходящего через диод, и занести в протокол соответствующие им значения напряжения для каждого значения температуры.

Нужная точка отмечается нажатием левой клавиши мыши при совмещении с точкой перекрестия маркера и буксировке маркера в удобное место для фиксации координат. Полученные данные следует зафиксировать в протоколе.

9