Физика полупроводниковых приборов [РТФ, Смирнов, 4 семестр] / Смирнов Мет_указания к лаб_работам по ФПП

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Практикум к лабораторным работам по дисциплине «Физика полупроводниковых приборов»

Составитель В. И. Смирнов

Ульяновск

УлГТУ

2018

УДК 621.382 (076) ББК 32.965я7

Ф50

Рецензент: зам. директора по научной работе УФ ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, канд.техн.наук А. А. Черторийский

Рекомендовано научно-методической комиссией радиотехнического факультета в качестве практикума.

Ф50 Физика полупроводниковых приборов : практикум к лабораторным работам по дисциплине «Физика полупроводниковых приборов» / сост. В. И. Смирнов. – Ульяновск : УлГТУ, 2018. – 37 с.

Сборник лабораторных работ выполнен в соответствии с программой дисциплины «Физика полупроводниковых приборов».

Представлены лабораторные работы, целью которых является изучение работы основных полупроводниковых приборов, а именно, диодов, биполярных и полевых транзисторов. Изучение работы производится в среде схемотехнического моделирования Proteus. К каждой лабораторной работе приведены контрольные вопросы для самопроверки.

Сборник предназначен для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 11.04.03 – «Конструирование и технология электронных средств» и 11.03.04 – «Электроника и наноэлектроника».

Работа подготовлена на кафедре «Проектирование и технология электронных средств».

УДК 621.382 (076) ББК 32.965я7

© Смирнов В.И., составление, 2018 © Оформление. УлГТУ, 2018

3

ВВЕДЕНИЕ

Сборник лабораторных работ по дисциплине «Физика полупроводниковых приборов» для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 11.04.03 – «Конструирование и технология электронных средств» и 11.03.04 – «Электроника и наноэлектроника», включает в себя описания четырех работ, цель которых – изучение принципов действия полупроводниковых приборов (диодов, биполярных

иполевых транзисторов) и их основных технических характеристик.

Вотличие от традиционных лабораторных работ по данной дисциплине, выполняемых на специализированных измерительных стендах, в данном практикуме все лабораторные работы выполняются в среде схемотехнического моделирования Proteus. На первом этапе производится проектирование принципиальной схемы для измерения технических характеристик объекта (диода или транзистора). Затем к нужным компонентам схемы подключаются виртуальные измерительные приборы (вольтметры, амперметры, осциллографы, генераторы сигналов, спектроанализаторы и др.). После этого производится схемотехнический анализ схемы с выводом сигналов в нужных точках схемы на виртуальные измерительные приборы.

Описание системы Proteus и основных приемов работы с ней дано в Приложении. Перед выполнением лабораторных работ студентам рекомендуется детально изучить работу с системой Proteus.

4

Лабораторная работа № 1.

Изучение вольт-амперной характеристики p-n-перехода

Цель работы

1.Изучение электрических процессов в p-n-переходе.

2.Изучение вольт-амперной характеристики p-n-перехода.

Подготовка к работе

1. Изучить теорию электронно-дырочного перехода, включая вопросы:

-формирование p-n-переходов в полупроводниках;

-процессы в p-n-переходе при отсутствии внешнего напряжения и при его наличии;

-вольт-амперные характеристики (ВАХ) идеального и реального p-n-перехода.

2.Подготовить развернутые ответы на контрольные вопросы.

3.Изучить работу системы схемотехнического моделирования

Proteus.

4.Подготовить таблицы для записи результатов измерения ВАХ диодов.

Задание 1.1. Измерение ВАХ диодов

1.Получить у преподавателя исходные данные для моделирования (типы электронных компонентов и условия проведения моделирования).

2.Спроектировать измерительную схему в среде Proteus согласно рис.1.1, включающую в себя источник питания на +1V, переменный резистор, миллиамперметр и милливольтметр постоянного тока, диод и общую шину («Землю»). Источник питания и общую шину установить кнопкой «Терминал» на левой панели инструментов. Установку величины напряжения +1V произвести в окне редактирования свойств после двойного щелчка левой кнопки мыши на компоненте. Переменный резистор POT-HG выбрать в библиотеке электронных компонентов

5

(Resistors\Variable\ POT-HG) или найти там же по имени в поле Keywords.

Тип диода (путь в библиотеке: Diode\Rectifiers\...) задается преподавателем.

3.Произвести моделирование, варьируя с помощью переменного резистора ток ID через диод и измеряя напряжение UD на диоде. Записать результаты измерения тока ID и напряжения UD в подготовленные таблицы (формат таблицы приведен ниже). Диапазон напряжений UD должен перекрывать области от полуоткрытого p-n-перехода (около 400 мВ) до полностью открытого p-n-перехода (около 800 мВ). Это можно реализовать, изменяя напряжение источника питания, уменьшая его при низких значениях UD и увеличивая при высоких значениях UD.

4.Используя программные пакеты Mathcad или Excel построить графики ВАХ диодов и вставить их в отчет. Проверить экспоненциальный характер зависимости ID от UD. Для этого построить график зависимости ID = f(UD) в полулогарифмическом масштабе и проверить его на линейность.

5.Подготовить отчет, включающий в себя титульный лист (в произвольной форме), краткое изложение теории, результаты моделирования и выводы по работе. Выводы должны быть конкретными и базироваться на результатах моделирования.

Рис. 1.1. Принципиальная схема к заданию 1.1 «Измерение ВАХ диодов»

6

Таблица к заданию 1.1 «Измерение ВАХ диодов»

Задание 1.2. Изучение ВАХ диодов с помощью осциллографа

1.Получить у преподавателя исходные данные для моделирования (типы электронных компонентов и условия проведения моделирования).

2.Спроектировать измерительную схему в среде Proteus согласно рис.1.2, включающую в себя генератор сигналов специальной формы, осциллограф, диод, резистор на 100 Ом и общую шину («Землю»). Генератор и осциллограф находятся в виртуальных инструментах на левой панели инструментов.

Рис. 1.2. Принципиальная схема к заданию 1.2 «Изучение ВАХ диодов с помощью осциллографа»

3. Произвести моделирование, установив в генераторе сигналов пилообразное напряжение и варьируя амплитуду и частоту сигнала. Для удобства наблюдения осциллограмм неиспользуемые каналы A и B

7

отключить. Для фиксации осциллограмм на экране установить в окне Trigger синхронизацию по каналу C или D. Сделать для отчета скриншоты лицевой панели генератора сигналов и осциллографа.

4.В режиме моделирования установить источник (Source) сигнала в горизонтальной развертке (Horizontal) в положение D и исследовать ВАХ диода. Используя кнопку «Cursors», определить напряжение, при котором диод открывается. Сделать для отчета скриншот лицевой панели осциллографа.

5.Подготовить отчет, включающий в себя титульный лист (в произвольной форме), краткое изложение теории, результаты моделирования и выводы по работе.

Типы диодов для моделирования к заданиям 1.1 и 1.2

диода

Контрольные вопросы

1.Какие существуют способы формирования p-n-перехода в полупроводниках?

2.Объяснить возникновение контактного электрического поля в области p-n-перехода.

3.Что такое контактная разность потенциалов и от чего зависит ее величина?

4.Объяснить выпрямляющие свойства идеального p-n-перехода. Записать формулу для ВАХ идеального p-n-перехода (формулу Шокли) и дать необходимые пояснения. Изобразить график ВАХ идеального p-n- перехода.

5.Объяснить возникновение генерационной и рекомбинационной составляющих тока через p-n-переход. Как они влияют на вид ВАХ идеального p-n-перехода? Как зависят эти составляющие тока от типа полупроводника и температуры?

8

Лабораторная работа № 2.

Изучение выпрямляющих свойств, переходных процессов и механизмов пробоя в диодах

Цель работы

1.Изучение выпрямляющих свойств диодов.

2.Изучение переходных процессов в диодах.

3.Изучение механизмов пробоя диодов.

Подготовка к работе

1.Изучить теорию электронно-дырочного перехода, включая

вопросы:

- выпрямляющие свойства диодов; - барьерная и диффузионная емкости диодов и их влияние на

переходные процессы;

- механизмы пробоя p-n-перехода при обратном смещении на диоде.

2.Подготовить развернутые ответы на контрольные вопросы.

3.Подготовить таблицы для записи результатов измерения ВАХ.

Задание 2.1. Изучение переходных процессов в диодах

1.Получить у преподавателя исходные данные для моделирования (типы электронных компонентов и условия проведения моделирования).

2.Спроектировать измерительную схему в среде Proteus согласно рис. 2.1, включающую в себя генератор сигналов, осциллограф, два диода, один из которых выпрямляющий (rectifiers), другой – импульсный (switching), резисторы и общую шину («Землю»). Установку параметров сигнала (амплитуда, постоянное смещение, частота и др.) произвести в окне редактирования свойств после двойного щелчка левой кнопки мыши на компоненте. Установка параметров производится при остановленном процессе моделирования.

9

Рис. 2.1. Принципиальная схема к заданию «Изучение переходных процессов в диодах»

3.Произвести моделирование, установив импульсный тип сигнала и его параметры в окне редактирования свойств генератора сигналов. Сравнить форму сигналов, снимаемых с выпрямительного и импульсного диодов для различных периодов следования импульсов. Сделать для отчета скриншоты лицевой панели осциллографа и окна редактирования свойств генератора сигналов.

4.Произвести моделирование, установив синусоидальный тип сигнала. Сравнить форму сигналов, снимаемых с выпрямительного и импульсного диодов, варьируя при этом частоту сигнала (например, 5 и 50 кГц) Сделать для отчета скриншоты лицевой панели осциллографа и окна редактирования свойств генератора сигналов.

5.Подготовить отчет, включающий в себя титульный лист (в произвольной форме), краткое изложение теории, результаты моделирования и выводы по работе.

Задание 2.2. Изучение работы стабилитрона

1. Получить у преподавателя исходные данные для моделирования (типы электронных компонентов и условия проведения моделирования).

10