Физические основы электроники. Методическое пособие для проведения лабораторных работ

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФИЛИАЛ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО

БЮДЖЕТНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ

КАФЕДРА СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

О.Г. Щербань В.Л. Львов

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Методическое пособие для проведения лабораторных работ

Ростов-на-Дону

2012 г.

2

УДК 621.351

Щербань О.Г., Львов В.Л. Физические основы электроники. Методическое пособие для проведения лабораторных работ.

Составители: Доцент кафедры СПОИ к.т.н. доцент Щербань О.Г. Ассистент кафедры СПОИ Львов В.Л.

Рецензент: Зав. кафедрой СПОИ д.т.н. профессор Соколов С.В.

Пособие рассмотрено и утверждено на заседании кафедры СПОИ 19 июня 2012 года (протокол № 10)

Издательство СКФ МТУСИ

Сдано в набор 26.11.12 Изд. № 196 . Подписано в печать 8.04.13 . Зак. № 210 . Печ. листов 3. Учетно-изд. л. 2.4. Печать оперативная. Тир. 50 экз.

Отпечатано в Полиграфическом центре СКФ МТУСИ, Серафимовича, 62.

3

АННОТАЦИЯ

Курс «Физические основы электроники» изучается студентами специально-

сти 210700. Учебный план предусматривает выполнение лабораторного практи-

кума в количестве 18 часов для студентов очного обучения и 8 часов для студен-

тов заочного обучения.

Прохождение лабораторного практикума ставит своей задачей проверку на практике полученных теоретических знаний. Предлагаемое пособие содержит краткое изложение основных сведений из теории физических основ полупровод-

никовой электроники и порядок выполнения лабораторных работ на лаборатор-

ном стенде «Электронные приборы», а также порядок моделирования процесса исследования по каждой лабораторной работе на компьютере с использованием программы Electronics Workbench. Сборник предназначен для подготовки сту-

дентов к лабораторным занятиям и является руководством при выполнении ла-

бораторных работ.

4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Цель: исследование свойств электронно-дырочного перехода при прямом и обратном включении.

1 Подготовка к лабораторной работе

Изучить литературу [1 , [2 , [3 , конспект лекций по данной теме.

Обратить внимание на то, что в лабораторной работе для исследований вы-

прямляющего электрического p+- n - перехода используются кремниевый и гер-

маниевый диоды (полупроводниковый диод это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводам (рисунок

1.1)).

Рисунок 1.1 Структуры полупроводниковых диодов:

а с выпрямляющим электрическим переходом в виде p+- n - перехода, б с

выпрямляющим электрическим переходом на контакте между металлом и полупро-

водником. В выпрямляющие электрические переходы, Н невыпрямляющие

(омические) электрические переходы

Область диода с малой концентрацией примесей ( n-область) называют ба-

зой, а область с большой концентрацией ( p+- область) – эмиттером.

Паспортные данные некоторых диодов:

5

Впроцессе измерений НЕДОПУСТИМО превышение предельно-

допустимых значений токов и напряжений. Рекомендуется, чтобы величины максимальных значений токов через диод и напряжения не превышали 70 - 80%

от паспортных данных.

2 Порядок выполнения лабораторной работы

2.1 На лабораторной установке «Электронные приборы» собрать схему, со-

ответствующую прямому подключению источника постоянного напряжения к электронно-дырочному переходу (см. литературу):

Обратить при этом внимание на полярность подключения эмиттера и базы диода! Она должна соответствовать прямому току через переход!

2.2 Задавая смещения на диод (электронно-дырочный переход) низковольт-

ным источником, фиксировать напряжения и соответствующие им значения прямого тока. Результаты занести в таблицу 1. При это необходимо помнить о предельных значениях прямого тока для данного типа диода и соответствующих им положительных напряжениях. Это поможет верно выбрать предельное пря-

мое напряжение источника постоянного питания на испытательном стенде.

Диод _________ Таблица 1

Uпр, ___

Iпр, ___

2.3 Заменить в схеме диод (германиевый на кремниевый или наоборот). По-

вторить действия пункта 2.2. Результаты занести в таблицу 2.

Диод ___________ Таблица 2

Uпр, ___

Iпр, ___

6

2.4 На лабораторной установке «Электронные приборы» собрать схему, со-

ответствующую обратному подключению источника постоянного напряжения к электронно-дырочному переходу (см. литературу):

Обратить при этом внимание на полярность подключения эмиттера и базы диода! Она должна соответствовать отрицательному току через переход!

2.5 Задавая смещения на диод (электронно-дырочный переход) низковольт-

ным источником, фиксировать напряжения и соответствующие им значения об-

ратного тока. Результаты занести в таблицу 3. При этом необходимо помнить о предельных значениях обратного тока для данного типа диода и соответству-

ющих им отрицательных напряжениях. Это поможет верно выбрать предельное обратное напряжение источника постоянного питания на испытательном стенде.

Рекомендуется использовать высоковольтный источник постоянного напряжения Е2.

Диод __________ Таблица 3

Uобр, ___

Iобр, ___

2.6 Заменить в схеме диод (германиевый на кремниевый или наоборот). По-

вторить действия пункта 2.5. Результаты занести в таблицу 4.

Диод __________ Таблица 4

Uобр, ____

Iобр, ____

7

Исследовать зависимость барьерной емкости диода от напряжения.

2.7 На лабораторной установке «Электронные приборы» собрать схему для измерения барьерной ёмкости электронно-дырочного перехода:

2.8 Без диода настроить контур Q-метра посредством ёмкости. Зафиксиро-

вать соответствующее значение С1.

2.9 Подключить диод. Настроить снова контур Q-метра и измерить второе значение емкости С2. Величина барьерной емкости равна С = С1 – С2. (Для уменьшения шунтирующего действия величина R выбирается достаточно боль-

шой).

2.10Измерить величину барьерной емкости различных диодов при не-

скольких значениях параметра U2. Результаты занести в таблицу 5.

Таблица 5

U2, ___

С, ____

2.11Выполнить компьютерное моделирование исследования вольт-

амперных характеристик выпрямляющего электрического перехода в виде p+- n - перехода, используя программу Electronics Workbench. Для выполнения задания необходимо собрать схему исследования (рисунок 1.2).

Порядок построения схемы (рисунок 1.2):

Примечание: если операция выполняется левой кнопкой мыши (ЛКМ), то ЛКМ не упоминается, если операция выполняется правой кнопкой мыши (ПКМ),

то в тексте указывается ПКМ.

8

100 Ом

Рисунок 1.2 Схема исследования ВАХ диода

(программа Electronics Workbench)

2.11.1 На панели инструментов щелкнуть Источники питания (Soures) и

перетащить на рабочее поле Батарею (Battery) и Заземление (Ground),

щелкнуть Диоды (Diodes) и перетащить Диод (Diode), щелкнуть Базисные элементы (Basis) и перетащить Резистор (Resistor), щелкнуть Индикаторы

(Indicators) и перетащить Вольтметр (Voltmeter) и Амперметр (Ammeter). Все элементы можно перетаскивать по полю, нажав ЛКМ. Все элементы можно поворачивать на 900, для этого на элементе щелкнуть ПКМ и в выпавшем меню щелкнуть Разворот (Rotate).Эти операции можно выполнять и с элементами, соединенными между собой проводниками, соединения остаются.

2.11.2 После размещения элементов производится их соединение проводниками. Для этого курсор подвести к выводу элемента, появляется точка, нажать ЛКМ и провести проводник до вывода другого элемента.

Нельзя присоединять один вывод к другому непосредственно, соединение осуществляется только через проводник. Для удаления проводника подвести курсор к выводу элемента, появится точка, нажать ЛКМ и отвести проводник на свободное место.

2.11.3 Задать параметры элементов. Для этого щелкнуть по элементу ПКМ, появится меню, в котором щелкнуть Свойства компонента

9

(Component Properties). В выпавшем подменю щелкнуть Значение (Value) и

установить значение параметра элемента. Для диода щелкнуть Модели

(Models) и выбрать марку диода по индивидуальному заданию из библиотек

1n, general2, ins shot, internat.

2.11.4 Снять прямую ветвь вольтамперной характеристики диода, для этого необходимо задать 8-10 значений напряжения источника Е. После каждого значения Е включать схему, нажимая в верхнем правом углу экрана Переключатель (Activate simulation) и снимать показания с амперметра и

2.11.5 Снять обратную ветвь вольтамперной характеристики, для этого развернуть батарею на 1800, подключение ее выводов поменять местами и выполнить измерения как в п.2.11.3, при этом Uобр должно изменятся от 0 В до напряжения пробоя, при котором ток пробоя равен 0,5 -

1 А.

Результаты измерений занести в таблицу 7.

Диод __________ Таблица 7

Uобр,____

Iобр, ____

2.11.6 Постройте схему (рисунок 1.3) для снятия вольт-амперной характеристики с помощью осциллографа. В качестве источника питания выбирается Источник переменного напряжения (AC Voltage Source).

Параметры Источника переменного напряжения для снятия прямой ветви ВАХ:

-амплитуда (Voltage) – 50 В(V),;

-частота (Frequency) – 0.02 Гц (Hz);

10

- фаза (Phase) – 0 град. (Deg).

Параметры Источника переменного напряжения для снятия обратной ветви ВАХ:

-амплитуда – 500 В;

-частота – 0.02 Гц;

-фаза – 180 град.

Рисунок 1.3 Схема исследования ВАХ диода с помощью осциллографа

Для размещения на рабочем поле осциллографа надо щелкнуть Инструменты (Instruments), выбрать Осциллограф (Oscilloscope) и

перетащить его на рабочее поле.

У осциллографа четыре входа: внизу левый – вход канала А, внизу правый – вход канала В, справа верхний – заземление, справа нижний – внешняя синхронизация. Осциллограф соединить со схемой.

Для получения изображения на осциллографе надо дважды щелкнуть по осциллографу, появится изображение передней панели осциллографа, ее можно перетаскивать в удобное для Вас место рабочего поля.

На панели осциллографа необходимо установить: входы обоих каналов открыты (АC), тип развертки В/А – канал В по вертикали, канал А по горизонтали.

Для нормального отображения ВАХ необходимо установить градации развертки: