Sb95887

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

––––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

––––––––––––––––––––––––––––––––––

М. Ф. Ситникова Е. Ю. Замешаева И. В. Мунина

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАДИОКОМПОНЕНТОВ

Учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2017

1

УДК 539.2(076)

ББК З 852 я7

С41

Ситникова М. Ф., Замешаева Е. Ю., Мунина И. В.

С41 Физические свойства радиокомпонентов: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. 24 с.

ISBN 978-5-7629-2118-3

Содержит 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.

Предназначено для студентов, обучающихся по учебным планам 111– 117, 811–814, 4-го семестра подготовки бакалавров по направлениям: 11.03.01 «Радиотехника»; 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»; 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств»; для подготовки специалистов по специальности 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы».

УДК 539.2(076)

ББК З 852 я7

Рецензент: канд. техн. наук, доц. кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО П. В. Капитанова

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

2

Лабораторная работа № 1 СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ДИОДОВ. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДОВ

1.1. Основные свойства p−n-переходов

Полупроводниковый диод представляет собой прибор, основанный на свойствах p−n-перехода. В собственном полупроводнике свободные электроны и дырки образуются попарно и число электронов равно числу дырок. При введении в полупроводник донорных примесей электрон атома примеси, не участвующий в межатомных связях, легко переходит в зону проводимости полупроводникового материала. При этом в кристаллической решетке остается неподвижный положительно заряженный ион примеси, а электрон добавляется к свободным электронам собственной проводимости. В этом случае концентрация свободных электронов в полупроводнике превышает концентрацию дырок в нем. Такой полупроводник называют полупроводником n-типа. При введении в полупроводник акцепторных примесей атомы примеси в процессе формирования межатомных связей отбирают электрон у одного из атомов полупроводникового материала, становясь неподвижными отрицательными ионами. В этом случае концентрация дырок в полупроводнике превышает концентрацию свободных электронов и полупроводник называют полупроводником p-типа.

На границе полупроводников n- и p-типов за счет диффузии часть электронов из n-слоя переходит в p-слой, рекомбинируя с дырками, и наоборот. При этом в пограничном n-слое остается нескомпенсированный положительный заряд примесных ионов, а в p-слое – нескомпенсированный отрицательный заряд примесных ионов. Возникает контактная разность потенциалов, препятствующая переходу дырок в n-область и электронов − в p-область. Если к p−n-переходу приложено внешнее напряжение в прямом направлении («плюс» к слою p и «минус» к слою n), то это напряжение, скомпенсировав контактную разность потенциалов, создаст прямой ток через переход. Когда напряжение приложено в обратном направлении, оно увеличивает потенциальный барьер и проводимость перехода остается весьма малой. На рис. 1.1 представлено схематическое изображение структуры p−n-перехода (а) и его вольт-амперная характеристика (б).

3

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

V проб

V

Обратная

ветвь

Рис. 1.1

Выражение для прямого тока I через переход представляют в виде

I = I0ехр (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 прямой ветви вольт-амперных характеристик диодов

Построение прямой ветви вольт-амперных 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 направлении (p- слой – к «плюсу», n-слой – к «минусу» источника). При напряжении на диоде, компенсирующем контактную разность потенциалов, через p–n-переход проходит прямой ток.

4

набора элементов, разме щенных на специальной ра очей панели. Выбранный элемент приводится курсором в нужное место экрана и фик ируется нажатием левой клави ши мыши. Ориентацию элемента на схеме изм еняют п и нажатой левой клави ше мыши щелчком правой клавиши м ыши. При каждом щелчке

милли, 10–3; k – кило, 103; Meg – мега, 10 . Обозначения вводятся латинскими буквами после числе нного значения без пробела. Ввод проводников осуществляется при выделении соответству ющей пиктограммы или выбором команды Optio s > Mode > Wire. Начало проводника отмечается н жатием левой лавиши мыши на выводе компонента. Прокладыва проводник при нажатой клавише, удобно ри овать отдельно его горизонтальные и вер-

тикаль ые линии, при каждой смене напр вления отпуская и снова нажимая клавишу. Отпускание клавиши фиксирует окончание ли нии. Сим вол «земля» для схемы выбирается из набора элементов, размещенных на панели инструментов. ля получения информации об элементе и возможности редактирования его атрибутов необходимо два раза елкнуть левой клавишей мыши о элементу в режиме выбора объектов.

Режим выбора объектов используется также для выполнения операции очистк и. Пиктограмма актив зируется, стрелка маркера устанав ивается

в режиме анализа схемы по постоянному току. Переход в этот режи м произ-

5

водитс по команде Analysis > D C. В открывшемся диалоговом окне задания

P номер рисунка, на котором строится график заданной функции;

XExpressi on − имя переменн ой, откладываемой по оси X;

YExpressi on − имя функции, откладываемой по оси Y;

XRange − верхняя и нижняя границ ы исследуемого диапазона изменения переменной;

YRange − максимальная и минимальная границы отображения функции. М делирование нач инается при нажатии кноп и Run. а экране откры-

вается окно граф иков прямой ветви ВАХ диодов ID = f(VD).

При необходимости изменения параметров, используемых для остроения графиков, следует в брать окно задания на расчет нажатием на вкладку

DC > DC Analysis Limits.

Для считывания координат точек на графике используется реж им электронно о курсора (маркеров), который запускается выбором пиктограммы . Под каждым графиком ыводятс значения токов и напря ений, соответст-

6

вующие представленным на графиках маркерам, а также разница между ними. Для выбора нужного графика из всех (в данном случае трех) следует навести курсор на поле необходимого графика и нажать левую клавишу мыши.

Расположение двух точек на графике выбранной функции изменяется перемещением с удерживанием левой (для одной точки) или правой (для другой точки) клавиши мыши. При отпускании клавиши значения координат точки фиксируются. С помощью маркеров следует измерить ВАХ трех диодов и занести в протокол соответствующие значения. По точкам, указанным преподавателем, следует оценить диапазон изменения сопротивления каждого из диодов D1, D2, D3 в заданном интервале изменения тока через диод от r1 = V1/I1 до r2 = V2/I2.

1.3. Зависимость ВАХ диодов от температуры

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

Следует построить семейство ВАХ каждого диода в зависимости от температуры, используя схему рис. 1.2. Анализ характеристик осуществляется в режиме DC. В окне задания параметров (рис. 1.4) в группе полей, объединенных заголовком Temperature, устанавливается линейный – Linear – метод изменения температуры и задаются ее максимальное, минимальное значения и шаг изменения, например: 100, 20, 40.

Рис. 1.4

7

В таблицу 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. С помощью полученных графиков при заданном токе (ток задается преподавателем) рассчитывается изменение напряжения на диоде с изменением температуры на 1 °С: ∆V⁄∆T при I = const.

1.4.Задание

Всхеме (см. рис. 1.2) определить необходимое напряжение источника V1 для обеспечения в цепи, состоящей из элементов R1 и D1, тока, заданного преподавателем, используя совместные ВАХ диода и резистора. На графике ВАХ диода отмечается точка 1 с заданным током I1 и определяется соответ-

ствующее падение напряжения на диоде V1(D) (рис. 1.7). Затем рассчитывается падение напряжения на резисторе V1(R) при заданном 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.

Рис. 1.7

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).

8

Лабораторная работа № 2 ОДНОПОЛУПЕРИОДНЫЙ ДИОДНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

2.1. Исследование диодного выпрямителя

Простейшим примером использования выпрямительных свойств диодов служит схема, представленная на рис. 2.1. Преобразование переменного тока в постоянный по направлению ток осуществляется с помощью диода.

тически равно нулю. Величина Rобр оценивается ориентировочно отношением Vобр к току насыщения Iобр. Для диода 1N4148 обратный ток составляет Iобр ≈ 7 · 10–9 А. При Vобр = 5 В сопротивление диода в обратном направле-

нии равно Rобр = 5/(7·10–9) ≈ 700 · 106 Ом.

При построении схемы (рис. 2.1) источник синусоидального сигнала V1

выбирается из меню Component > Analog Primitives > Waveform Sources > Voltage Sources. После фиксации источника V1 на схеме открывается диалоговое окно задания параметров. В строке VALUE для источника задается сигнал sin(0 50V 50H), где первая цифра в скобках – постоянная составляющая; 50V (50В) – амплитуда сигнала; 50H (50 Гц) – частота сигнала. Построение графиков переходных характеристик выполняется при выборе меню Analysis > Transient. Параметры моделирования задаются в открывшемся диалоговом окне согласно данным, приведенным в табл. 2.1.

В строке Time Range указывается длительность временного интервала по оси X. Обычно этот интервал времени выбирается равным двум периодам

9

входного сигнала (40 мс). В столбце X Expression отмечается переменная T, а в столбце X Range указывается максимальное время по оси X, обычно равное значению Time Range. В ячейках столбца Y Expression отмечаются выводимые на график функции:

V(V1) – напряжение источника сигнала;

V(R1) – напряжение на выходе схемы;

V(D1) – падение напряжения на диоде.

В графе Y Range устанавливаются границы отображения этих функций, определяемые по максимальному и минимальному значениям. Результат моделирования переходного процесса на каждом элементе схемы приведен на рис. 2.2. Необходимо определить, какая из характеристик на графике соответствует каждому элементу схемы.

V, В

Т, с

Рис. 2.2

Моделирование начинается при нажатии кнопки Run или при нажатии клавиши F2. Закрытие режима анализа и возврат в окно схемы выполняется нажатием клавиши F3 или закрытием соответствующего окна. По полученным графикам при амплитудном значении входного сигнала Vm следует определить падение напряжения на диоде V(D1), напряжение на резисторе

10