Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы электроники. Лабораторный практикум. Учебное пособие
.pdf
11
7. По ВАХ или табл. 1 определить напряжение стабили-
100 Ом
~
u
0,5...1 кГц
зации
U
.
ст
8. Выключить источник питания.
Опыт 3. Регистрация прямой и обратной ветви стабилитрона
на переменном токе
1. Собрать цепь согласно принципиальной схеме (рис. 6).
Подать на вход синусоидальное напряжение от генератора напряжения специальной формы частотой 0,5...1 кГц (по заданию
преподавателя) максимальной амплитуды и отрегулировать развёртку по времени, синхронизацию и усиление по двум каналам
так, чтобы на экране помещались 1,5-2 периода кривых тока и
напряжения. Не включать в схему измерительные приборы, так
как они могут создавать дополнительные паразитные ёмкости.
Включить инвертирование сигнала по каналу II, чтобы отклонение луча вверх соответствовало прямому току через диод.
ВХОД I ВХ ОД II
(X) (Y)
Рис. 6. Принципиальная схема для регистрации ВАХ на переменном
токе
2. Переключая множитель частоты x1, x10, x100 и регулируя при каждом переключении длительность развёртки осциллографа, наблюдать за изменением кривой тока. Сохранить полученные изображения для дальнейшего анализа. В выводе пояснить результаты. Следует иметь в виду, что в положении x100
выходное напряжение генератора снижается примерно в 2 раза.
12
3. Включить и настроить осциллограф в режиме X–Y. При
этом на экране появится изображение динамической вольтамперной характеристики диода: прямой ток по оси Y вверх,
прямое падение напряжения – по оси X вправо.
4. Сохранить изображение с экрана осциллографа.
5. Определить по осциллограмме напряжение стабилиза-
ции, напряжение на стабилитроне при прямом токе, дифференциальное сопротивление в середине диапазона стабилизации (при
токе 70-80 мА).
6. Увеличить частоту в 10 и 100 раз и посмотреть, как изменится вольтамперная характеристика. Объяснить почему.
Второй этап. Исследование диода Шоттки. Диод Шоттки -
полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании свойств контакта «металл – полупроводник». Наиболее важными особенностями диодов Шоттки (по сравнению с
диодами на основе p-n-перехода), определяющими их использование, являются низкое напряжение отсечки и высокое быстродействие. Диоды Шоттки чаще всего используются в импульсных
источниках питания, мощных выпрямителях на высоких скоростях переключения, СВЧ-схемах, конверторах и т. д.
Рассмотрим явления в контакте электронного (n-типа) полупроводника и металла в предположении, что работа выхода
электрона из полупроводника АП меньше работы выхода электрона из металла АМ, то есть АП< АМ. На рис. 7, а показана энерге-
тическая диаграмма металла (М) и полупроводника (П), не находящихся в контакте друг с другом. Термодинамическая работа
выхода электрона из металла АМили полупроводника АП определяется разностью между энергией покоящегося электрона в вакууме у поверхности материала Е0 и уровнем Ферми F в этом ма-
териале, т. е. в случае металла АМ= Е0 – FМ, а в случае полупроводника АП= Е0 – FП.
13
а б в
Рис. 7. Энергетические диаграммы металла (М) и полупроводника
(П) при отсутствии контакта между ними (а), в начальный момент после
их соединения (б) и в равновесном состоянии при наличии контакта (в)
Если обеспечить идеальный контакт металла и полупроводника, т. е. такой контакт, при котором отсутствует вакуумный
или диэлектрический слой между металлом и полупроводником,
то электроны будут переходить преимущественно из полупроводника в металл (так как уровень Ферми в полупроводнике в
момент соединения с металлом лежит выше, чем в металле,
FП>FМ(рис. 7, б). В этом случае контактная область металла
заряжается отрицательно, а в той области полупроводника, из которой ушли свободные электроны в металл, проявляется некомпенсированный положительный заряд, создаваемый ионами
доноров. Поток электронов из полупроводника в металл будет
иметь место до тех пор, пока уровни Ферми FПи FМ не выровняются, после чего установится динамическое равновесие (встречные токи электронов jП и jМ будут равны друг другу по абсолютной величине). В результате между металлом и полупроводником
возникнет контактная разность потенциалов, а энергетические
уровни в полупроводнике изогнутся (рис. 7, в).
В приповерхностной области заряд металла будет находиться в пределах длины экранирования, которая составляет доли
нанометра. Так как концентрация доноров на несколько порядков
меньше концентрации электронов в металле, то толщина слоя
нескомпенсированных ионов доноров будет гораздо больше и
сравнима с толщиной обычного p-n-перехода.
14
Наличие потенциального барьера на границе «металл – полупроводник», высота которого может изменяться в зависимости
от величины и полярности приложенного напряжения, приводит
к тому, что вольт-амперная характеристика (ВАХ) контакта будет
несимметричной и, следовательно, возможно явление выпрямления переменного тока. Прямым будем считать напряжение U
(U > 0), когда металл имеет положительный потенциал относительно полупроводника. При прямом напряжении энергетические
уровни в удаленной от границы «металл – полупроводник» области сдвинутся вверх на величину eU (рис. 8, а). Переход электронов из полупроводника в металл облегчится, так как высота
барьера для электронов со стороны полупроводника уменьшится,
а со стороны металла высота барьера ФМ останется прежней. В
этом случае результирующий поток электронов отличен от нуля
и направлен от полупроводника к металлу. При увеличении прямого напряжения поток электронов возрастает, а толщина запорного слоя (области пространственного заряда) LПуменьшается.
а б
Рис. 8. Энергетическая диаграмма при прямом (а) и обратном (б) сме-
щении диода Шоттки
При обратных напряжениях (U<0, положительный потенциал на полупроводнике) энергетические уровни в удаленной от
границы «металл – полупроводник» области сдвинутся вниз на
величину e|U| (рис. 8, б), высота потенциального барьера для
электронов со стороны полупроводника увеличится, а со стороны
металла снова останется неизменной. Вследствие этого поток
15
электронов jПсо стороны полупроводника уменьшится и при
увеличении обратного напряжения |U| будет стремиться к нулю.
Поэтому через барьер будут проходить только электроны из металла в полупроводник. При этом ширина запорного слоя LПувеличится.
Процесс протекания тока через выпрямительный контакт
значительно зависит от того, испытывают ли электроны соударения при прохождении через запорный слой или нет. Первый
вариант реализуется тогда, когда толщина запорного слоя L
больше длины свободного пробега l электрона, а второй – при
обратном соотношении. В соответствии с этим существует две
теории выпрямления: диффузионная – для толстого перехода
(LП>>l) и диодная – для тонкого перехода (LП<<l ). На рис. 9 показаны ВАХ, полученные согласно диодной (кривая 1) и диффузионной (кривая 2) теории.
П
Рис. 9. Вольт-амперная характеристика диода Шоттки в случае тонкого
(1) и толстого (2) запорного слоя
В обоих случаях ВАХ диода Шоттки описывается выраже-
qU
нием: )1( -=
kT
eII , но ток насыщения I
s
определяется разны-
s
ми выражениями в диодной и диффузионной теории.
При прямом напряжении (U > 0) ток через диод Шоттки оп-
ределяется экспоненциальным членом (единицей можно пренеб-
16
речь). При обратном смещении (U < 0) экспоненциальный член
становится мал по сравнению с единицей, и при больших
значениях напряжения в случае
толстого перехода ток растет
пропорционально U, а в случае тонкого – достигает насыщения.
В большинстве реальных контактов «металл – полупроводник»
идеальная ситуация, рассмотренная выше, не достигается. Это
связано с тем, что поверхность полупроводника может содержать
тонкий диэлектрический слой окисла, молекулы воды, ионы различных веществ, а также другие органические и неорганические
загрязнители. Поэтому ВАХ реальных полупроводниковых приборов на основе контакта «металл – полупроводник» (диодов
Шоттки) может не совпадать с теоретической.
Вид уравнения ВАХ диода Шоттки по форме аналогичен
уравнению ВАХ диода на основе p-n-перехода, однако напряжение отсечки у диода Шоттки, обычно, меньше, чем у диодов на
основе p-n-перехода, и составляет около 0,4 В. Другое значительное отличие диода Шоттки от диода на основе p-n-перехода заключается в том, что в нем не происходит накопление неосновных носителей заряда, в связи с чем переключение диода Шоттки
из открытого в закрытое состояние и обратно происходит намного быстрее, чем в случае p-n-перехода. Диоды Шоттки благодаря
этому свойству широко используются в СВЧ-электронике, а также для повышения быстродействия логических схем.
При контакте «металл – сильно легированный полупроводник» толщина запорного слоя уменьшается настолько, что оказывается возможным туннелирование электронов сквозь потенциальный барьер. Данный эффект используется для создания невыпрямляющих ( омических) контактов к областям полупроводниковых приборов на основе p-n-перехода.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с краткой теорией.
2. Собрать схему (рис. 1 0), подключить клемму 1 к гнезду
источника питания «+» с ручкой регулировки, клемму 2 - к «0 ».
17
Рис. 10. Схема снятия прямой ветви ВАХ диода Шоттки
3. Подключить стенд к сети, включить вводной автомат,
включить источник питания.
4. Увеличивая с помощью ручки напряжение источника пи-
тания, занести показания амперметра и вольтметра в табл. 2. Построить по полученным значениям прямую ветвь ВАХ диода
Шоттки.
Таблица 2
UПрямая
ветвь
ветвь
I
UОбратная
I
5. Выкрутить ручку регулировки до упора против часовой
стрелки, уменьшая напряжение источника питания. Выключить
источник питания. Собрать схему (рис. 11) для построения обратной ветви ВАХ диода.
6. Увеличивая с помощью ручки напряжение источника питания, занести показания амперметра и вольтметра в табл. 3. Построить по полученным значениям обратную ветвь ВАХ диода
Шоттки.
7. Выключить источник питания.
18
Рис. 11. Схема снятия обратной ветви ВАХ диода Шоттки
8. Определить для нескольких точек на прямой и обратной
ветви статическое и динамическое сопротивление диода по формулам (1) и (2).
9. Проанализировать результаты, сделать выводы.
Таблица 3
Прямая
ветвь
Обратная
ветвь
U
I
U
I
Содержание отчёта
1. Название работы.
2. Цель работы.
3. Исследуемые схемы.
4. Результаты наблюдений с таблицами.
5. Статические ВАХ диодов и стабилитрона по экспери-
менту на постоянном токе построить на одном рисунке с разными
масштабами для прямых и обратных ветвей ВАХ. Обработать полученные графики и определить основные параметры диодов и
стабилитрона.
6. Нарисовать динамические ВАХ и графические построения, позволяющие определить основные параметры диодов и стабилитрона.
19
7. Основные параметры рассчитать как для статических, так
D
D
D
D
и для динамических ВАХ:
- прямое статическое и дифференциальное значения диодов:
U
R = в двух точках: при малом напряжении (U
ст.пр
пр
I
пр
=0,1 В);
пр
при среднем напряжении (в середине восходящего участка ВАХ);
U
R
диф.пр
пр
= ;
I
D
пр
- прямое статическое и дифференциальное значения диодов:
U
R = в двух точках: при малом напряжении (U
ст.пр
пр
I
пр
= 0,1 В);
пр
при среднем напряжении (в середине восходящего участка ВАХ);
U
R
диф.пр
пр
= ;
I
D
пр
- обратное статическое и дифференциальное сопротивления
диодов:
U
R = при U
ст.обр
R
диф.обр
обр
I
обр
U
обр
= ;
I
D
обр
= 20 В;
обр
- обратное статическое и дифференциальное сопротивления
стабилитрона (в середине диапазона стабилизации):
U
R = при I
ст.обр
обр
I
обр
= 60 мА;
обр
R
диф.обр
U
обр
= .
I
D
обр
8. Из осциллограмм определить для тех же значений:
Ucт= В, U0= В, R
= Ом – для стабилитрона; U0= В, R
диф
диф
= Ом -
для диодов.
9. Выводы.
10. Ответы на контрольные вопросы.
20
Контрольные вопросы и задания
1. Что такое диод?
2. Что такое стабилитрон?
3. В чем отличие диода от стабилитрона?
4. Нарисуйте вольт-амперную характеристику диода.
5. Как обозначаются выпрямительный диод и стабилитрон?
6. Что такое динамическое сопротивление диода?
7. Что такое статическое сопротивление диода?
8. Назовите основные параметры диода.
9. Перечислите основные параметры стабилитрона.
10. Нарисуйте схему для построения прямой ветви ВАХ
диода.
11. Нарисуйте схему для построения обратной ветви ВАХ
диода.
13. Запишите уравнение ВАХ выпрямительного диода.
14. Каково напряжение отсечки у выпрямительного диода?
15. В чем особенности диода Шоттки?
Лабораторная работа № 2. Исследование тиристоров
Цель работы: исследование статических вольт-амперных
характеристик управляемого тиристора.
Краткие теоретические сведения
Тиристоры являются переключающими приборами, имеющими четырёхслойную структуру. Они имеют два устойчивых
состояния: открытое (проводящее) и закрытое (непроводящее).
Тиристоры выпускаются с двумя или тремя выводами. В первом
случае они называются динисторами (или диодными тиристорами), во втором – тринисторами (триодными или управляемыми
тиристорами). Структура диодного тиристора (динистора) n-р –
n–р показана на рис. 12, а. Для понимания принципа действия
четырёхслойный прибор можно представить, как два трёхслойных прибора (рис. 12, б) или два транзистора, соединённых как
показано на рис. 12, в. При прямом приложенном напряжении,
показанном на рисунках, левый и правый p–n переходы открыты,
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]