Электроника. Лабораторный практикум. Учебно-методическое пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

В.М. МЕРЕНКОВ, В.П. РАЗИНКИН, Л.Г. ЗОТОВ

ЭЛЕКТРОНИКА

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Учебно-методическое пособие

НОВОСИБИРСК

2017

1

УДК 621.38(075.8) М 52

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. В.А. Хрусталев д-р техн. наук, проф. В.К. Макуха

Работа подготовлена на кафедре теоретических основ радиотехники для студентов II курса РЭФ направлений 11.03.01 – Радиотехника, 11.03.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи

иутверждена Редакционно-издательским советом университета

вкачестве учебно-методического пособия

Меренков В.М.

М 52 Электроника. Лабораторный практикум: учебно-методи- ческое пособие / В.М. Меренков, В.П. Разинкин, Л.Г. Зотов. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2017. – 80 с.

ISBN 978-5-7782-3278-5

В пособии даны краткие теоретические сведения и описания лабораторных работ по основным полупроводниковым приборам (диодам, стабилитронам, биполярным и полевым транзисторам). В процессе экспериментов студенты знакомятся с их принципом действия, характеристиками и параметрами, а также схемами подключения, особенностями функционирования и моделирования.

Предназначено студентам РЭФ для подготовки и проведения лабораторных работ по дисциплине «Электроника».

2

ВВЕДЕНИЕ

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

На первом лабораторном занятии студенты знакомятся с правилами техники безопасности, устройством лабораторного стенда и порядком проведения занятий.

Лабораторное задание и теоретические вопросы функционирования исследуемого электронного прибора необходимо изучить заранее по конспекту лекций и рекомендуемой литературе. Наиболее важные теоретические сведения о механизме функционирования, назначении прибора, технологии изготовления, номинальных и предельно допустимых электрических параметрах приводятся в описании каждой лабораторной работы. Всё это следует внимательно просмотреть, а электрические параметры внести в отчет.

Важно! Описание любой лабораторной работы содержит предварительное задание. Каждый студент выполняет задание дома индивидуально и присоединяет его к отчёту. Номер варианта задания назначает ведущий лектор. В дальнейшем он будет соответствовать номеру лабораторного стенда.

Внимание! Студенты, не выполнившие предварительное задание или списавшие его, к лабораторной работе не допускаются.

Необходимые для отчета графики строятся на листах миллиметровой бумаги стандартного размера А4 по два графика на листе. Масштаб по осям координат выбирается в соответствии с пределами возможного изменения измеряемой величины. Важно: графики служат основой экспериментального определения параметров электронных приборов, поэтому рекомендуется обратить внимание на точность, аккуратность и чистоту их выполнения. Каждая кривая должна состоять, как правило, не менее чем из шести экспериментальным точек. При этом линии вычерчивают гладкими, используя метод графического усреднения

3

(т. е. между точками, но на минимальном расстоянии от них). На каждом графике требуется указать тип испытываемого прибора и режим испытания (координаты рабочей точки, температуру).

Внимание! Экспериментальные точки наносите сразу на график.

Последовательность написания отчета дана в разделе «Содержание отчета».

Каждая бригада работает на одном и том же стенде в течение всего семестра. При проведении лабораторных работ категорически за-

прещается:

–подключать измерители тока к клеммам, предназначенным для подключения измерителей напряжения;

–подключать измерители тока и напряжения, встроенные в стенд,

клюбым внешним цепям, кроме клемм на лицевой панели;

–коммутировать переключатели и вращать ручки в блоках, не относящихся к проводимой лабораторной работе.

В конце занятий студенты отключают электропитание, приводят в порядок рабочее место и сдают лабораторный стенд преподавателю или учебному мастеру.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Лабораторный стенд состоит из функциональных блоков, смонтированных в едином корпусе.

Питание электронных приборов, исследуемых в лабораторных работах, производится двумя независимыми источниками напряжения V1 и V2. Выходное напряжение каждого источника регулируется гру-

бо в пределах от 0 до 14 В и точно 5 % от установленного грубого значения.

Коммутатор блоков обеспечивает подключение одной из 12 исследуемых схем к источникам питания. Индикация номера подключенной схемы осуществляется светодиодом. Он же служит индикатором включения стенда. После включения питания автоматически подключается блок «1А».

Блок измерителей состоит из одного цифрового вольтметра (V) и двух цифровых амперметров (A). Каждый измеритель имеет два предела измерения. Установка нужного предела должна контролироваться

4

с особым вниманием. Измерительные приборы подключаются к полупроводниковым приборам с помощью внешних проводников по схеме, представленной на панели блока.

НАИМЕНОВАНИЕ БЛОКОВ СТЕНДА

Блок 1А. Полупроводниковые диоды и их температурные свойства

Исследуемые приборы – кремниевый выпрямительный диод 1N4001, германиевый выпрямительный диод Д7Ж, выпрямительный диод с барьером Шоттки 1N5819.

Блок 1В. Полупроводниковые стабилитроны и их температурные свойства

Исследуемые приборы – кремниевые стабилитроны серии 1N47 и BZX55C, отличающиеся напряжением пробоя и дифференциальным сопротивлением.

Блок 2А. Биполярный транзистор в схеме с общей базой

Исследуемый прибор – германиевый n–p–n-транзистор МП41А.

Блок 2В. Биполярный транзистор в схеме с общим эмитте-

ром

Исследуемые приборы – германиевый n–p–n-транзистор МП37А и кремниевый n–p–n-транзистор КТ3102.

Блок 3А. Полевой транзистор в схеме с общим истоком

Исследуемый прибор – кремниевый полевой транзистор с управ-

ляющим p–n-переходом и каналом n-типа КП350.

5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Цель работы

1.Ознакомиться с лабораторным стендом.

2.Ознакомиться с реальными статическими вольт-амперными характеристиками (ВАХ) и параметрами германиевого, кремниевого диодов и диода с барьером Шоттки при различных температурах.

3.Выявить основные различия между диодами.

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя внешними выводами. Под выпрямляющим переходом понимают область контакта двух материалов, существенно меняющую свою проводимость при смене полярности приложенного напряжения. В качестве выпрямляющего электрического перехода может быть электронно-дырочный p–n-переход (контакт полупроводников n- и p-типов). При этом p и n области в кристалле полупроводника создаются путем добавления определенных донорных и акцепторных примесей в один и тот же полупроводник (германий, кремний и т. д.). Такие переходы также принято называть гомогенными (от греческого ὁμογενής «однородный»). В случае контакта полупроводников разного химического состава или контакта металла (m) и полупроводника (n), рис. 1.1, переходы называются гетерогенными (ετερογενής – «неоднородный»).

Диод с электронно-дырочным переходом (рис. 1.1, а) кроме вы-

прямляющего электрического перехода «В» имеет два невыпрямляющих перехода «Н», через которые p- и n-области диода соединяются с внешними выводами.

6

Рис. 1.1. Устройство полупроводникового диода:

а – с электронно-дырочным переходом; б – с выпрямляющим контактом металл–полупроводник

Диод с выпрямляющим электрическим переходом в виде контакта металл – полупроводник имеет всего один невыпрямляющий переход

(рис. 1.1, б).

В зависимости от соотношения линейных размеров, определяющих площадь выпрямляющего перехода, и его толщины различают плоскостные и точечные диоды. У плоскостных диодов линейные размеры значительно больше толщины. Точечные диоды имеют очень малую площадь p–n-перехода, она значительно меньше характеристической длины, определяющей физические процессы в переходе и в окружающих его областях.

Выпрямляющий переход обладает следующими свойствами: нелинейностью вольт-амперной характеристики; явлением ударной ионизации; туннелированием носителей сквозь потенциальный барьер; барьерной емкостью. Эти свойства выпрямляющего перехода используют для создания различных видов полупроводниковых диодов: выпрямительных диодов, смесителей, умножителей, модуляторов, стабилитронов, стабисторов, туннельных и обращенных диодов, варикапов.

Выпрямительные полупроводниковые диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты в постоянный ток. В качестве выпрямительных диодов чаще всего используют плоскостные германиевые (Ge) и кремниевые (Si) диоды, допускающие благодаря значительной площади p–n-перехода большой выпрямленный ток. И те и другие рассчитаны на прямые токи от десятых долей ампера до десятков ампер. Основное различие заключается в прямом падении напряжения, которое для германиевых диодов не более 0,5 В, а у кремниевых доходит до 1,5 В, что можно объяснить большей шириной запрещенной зоны кремния.

7

Вольт-амперная характеристика диода (ВАХ) – это зависимость тока, протекающего через диод, от приложенного к нему напряжения. Примерный вид ВАХ изображен на рис. 1.2.

–200

Iобр,мкА

Рис. 1.2. Вольт-амперная характеристика диода при различных температурах

Прямосмещенный переход (Uпр и Iпр ) обладает высокой прово-

димостью. Соответствующую этому ветвь ВАХ называют прямой. Обратносмещенный переход (Uобр и Iобр) имеет крайне низкую прово-

димостью, а ветвь ВАХ называется обратной.

Чем выше температура диода, тем при одном и том же приложенном напряжении через него протекает больший ток. Это происходит из-за возрастания концентрации свободных носителей заряда (p, n) в полупроводнике при его нагревании. Причем, так как при комнатной температуре большинство атомов примеси уже ионизировано, их концентрация растет в основном за счет увеличения собственной проводимости полупроводника.

Пробой выпрямительных диодов имеет тепловой характер, так как при увеличении напряжения увеличивается ток и, следовательно, температура диода. Поэтому пробивное напряжение уменьшается с повышением внешней температуры.

Верхний предел диапазона рабочих температур германиевых дио-

дов составляет 75...85 С. Существенный недостаток германиевых диодов – их высокая чувствительность к кратковременным импульсным перегрузкам.

Кремниевые плоскостные диоды рассчитаны на прямые токи от десятых долей ампера до десятков ампер при падении напряжения до 1,5 В.

8

Сувеличением температуры прямое падение напряжения на них уменьшается. Верхний предел диапазона рабочих температур кремниевых

диодов достигает 125 С. Допустимое обратное напряжение кремниевых диодов (до 1600 В) значительно превосходит аналогичный параметр германиевых диодов.

Основные параметры выпрямительных диодов

Максимально допустимый выпрямленный ток (Iвп ср max ) – сред-

ний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его длительная и надежная работа.

Среднее прямое напряжение (Uпр ) – среднее за период прямое

напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.

Максимально допустимое обратное напряжение (Uобр max ) –

наибольшее постоянное обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать.

Наибольший обратный ток (Iобр) – ток через диод в обратном

направлении при приложенном к нему максимально допустимом обратном напряжении.

Дифференциальное сопротивление диода (Ri ) – отношение малого приращения падения напряжения на диоде к малому приращению тока

внем в заданной рабочей точке (рис. 1.3).

Вбыстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шоттки, выпрямляющий переход которых выполнен на основе

контакта металл–полупроводник. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие определяется скоростью процесса перезарядки барьерной емкости. Диоды Шоттки и диоды на основе p–n-перехода имеют похожие ВАХ (см. рис. 1.2), но и у диодов Шоттки прямая ветвь представляет собой почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи малы (от долей до десятков наноампер).

Конструктивно диоды Шоттки выполняют в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением наносят слой металла.

9

2.ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

1.По заданным в табл. 1.1 и 1.2 значениям на одном графике в различных масштабах построить прямую и обратную ветви ВАХ диода

Рис. 1.3. Рабочая точка на ВАХ диода

10