Лабораторные работы №14, 15, 16, 17

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Курский государственный технический университет»

Кафедра электротехники, электроники и автоматики

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Методические указания

по выполнению лабораторных работ: №14, 15, 16, и 17 по информационноизмерительной технике и электронике

КУРСК 2009

2

Составители: Г.И. Передельский, О.Г. Цыганков

УДК 621.38

Рецензент к.т.н., профессор кафедры электроснабжения

О.М.Рыбалкин

Исследование полупроводниковых приборов: Методические указания по выполнению лабораторных работ №14, 15, 16 и 17 по информационно-измерительной технике и электронике / Курск. гос. техн. ун-т; Сост.: Г.И. Передельский, О. Г. Цыганков. Курск, 2009. 19 с.

Излагаются методические указания к выполнению цикла лабораторных работ "Исследование полупроводниковых приборов" по курсу "Информационно-измерительная техника и электроника". Изучается принцип действия, снимаются вольт-амперные характеристики, определяются параметры ряда наиболее часто используемых в усилительной, преобразовательной и измерительной технике полупроводниковых приборов.

Предназначена для студентов специальностей 140211 и 120500

Ил. 9. Библиогр.: 3 назв.

Рецензент: зав. каф. электроснабжения канд. техн. наук, профессор

Курский государственный технический университет. Издательско-полиграфический центр

Курского государственного технического университета. 305040, Курск, ул.50 лет Октября , 94.

3

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Предложенный цикл лабораторных работ ставит целью изучение принципа действия, снятие характеристик и определение параметров ряда полупроводниковых приборов: диодов, стабилитронов, динисторов, тиристоров, биполярных и полевых транзисторов.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Цикл состоит из четырех работ, каждая из которых рассчитана на 2 часа. В первые два часа выполняется работа №14, в которой исследуются германиевый и кремниевый диоды и стабилитрон; в следующие два часа изучаются динистор и тиристор - работа №15; в работе №16 снимаются характеристики и параметры биполярных транзисторов, включенных по схеме с OЭ и ОБ; работа №17 посвящена изучению полевого транзистора.

1.1. Диоды

Полупроводниковыми диодами (ПД) принято называть двух - электродные полупроводниковые приборы с одним р-n переходом, обеспечивающие одностороннюю проводимость.

ПД классифицируются по ряду признаков, основными из которых являются: назначение, конструктивно-технологические особенности, вид исходного полупроводникового материала. В работе исследуется выпрямительный германиевый диод D 9Г и кремниевый импульсный диод 2D503A. Принцип действия и характеристики этих диодов не имеют принципиальных различий. Отличительной особенностью импульсных диодов на фоне выпрямительных является их способность работать на высоких частотах и в импульсных схемах, что обеспечивается соответствующими конструктивно-технологическими решениями при изготовлении. Условно-графическое изображение этих приборов в схемах показано на рис.1.1а, а соответствующая вольтамперная характеристика (ВАХ) на рис.1.1.б.

4

Прямая ветвь ВАХ описывается уравнением:

где Iа- прямой ток;

Uа- прямое напряжение;

Is - ток насыщения (обратный ток р-n перехода);Т - тепловой потенциал.

Обратная ветвь ВАХ описывается выражением:

где Iв и Uв - соответственно обратный ток и обратное напряжение. Прямую ветвь ВАX часто аппроксимируют ломаной линией

(участки 0-1 и 1-3). На участке 0-1 Iа считают равным нулю (при

а 0 - напряжение потенциального барьера р-n перехода ( от 0,3 до

При анализе обратной ветви ВАХ становится очевидным, что уже при весьма малых Uв обратный ток Iв - Is. Однако неограниченное увеличение Uв приводит к явлению пробоя р-n перехода, проявляющимся в резком возрастании Iв.

1.2. Полупроводниковые стабилитроны

Полупроводниковые стабилитроны (ПС) - это полупроводниковые диоды, напряжение на которых при обратном смещении в области электрического пробоя слабо зависит от тока.

5

Рабочим участком ВАX ПС является область пробоя, соответствующая изменению обратного тока от Iст. min до Iст. max , как это показано на рис.1.2б. На рис.1.2а приведено условнографическое обозначение стабилитрона.

Пробивное напряжение - напряжение стабилизации стабилитрона - зависит от ширины р-n перехода и от удельного сопротивления базы диода, поэтому разные типы стабилитронов имеют различные напряжения стабилизации. Напряжение стабилизации изменяется в зависимости от температуры, причем эти изменения имеют различный знак в зависимости от фазы электрического пробоя (туннельный или лавинный).

Выпускаются симметричные стабилитроны, имеющие два р-n перехода и стабилизирующие напряжения разной полярности. Условно-графическое изображение такого стабилитрона показано на рис.1.2. в.

В работе исследуется стабилитрон D 814A.

1.3. Динисторы

Динисторы (неуправляемые тиристоры) представляют собой 4-х слойную структуру, выполненную из полупроводникового материала с чередующимся типом проводимости. При этом образуется три р-n перехода, поэтому его иногда рассматривают как два сочленённых биполярных транзистора различного типа проводимости.

Условно-графическое изображение динистора и его ВАХ показаны соответственно на рис.1.3.а и 1.3 б. Электродов - два и носят они названия как у диодов: анод, катод.

6

Предназначены динисторы для работы в режиме переключения. Действительно, при увеличении прямого напряжения до Ua<Uвкл ток через прибор очень мал. При достижении Ua значения Uвкл напряжения включения ток через прибор резко возрастает, а напряжение на приборе падает. При этом обеспечивается большая скорость нарастания тока и малые потери электрической энергии, преобразующейся в тепло. Обратная ветвь ВАХ у динисторов аналогична той, которой обладают выпрямительные диоды.

В работе исследуется динистор KH102A.

1.4. Тиристоры

Управляемые тиристоры или тринисторы отличаются от динисторов наличием управляющего электрода, присоединенного к одной из баз. Управление тиристором происходит путем подачи прямого смещения между управляющим электродом и ближайшим эмиттером. Причем управление возможно статическое и импульсное. В однооперационных тиристорах достигается таким путем только включение (открытие) тиристора, в 2-х операционных возможно подачей сигналов разной полярности осуществлять как открытие, так и закрытие. Электродов у тиристоров три: анод, катод, управляющий электрод.

Условно-графическое изображение для различных тиристоров и семейство их ВАХ показаны соответственно на рис.1.4а, б и в.

7

Из рис.1.4 следует, что при различных токах управляющего электрода Iу напряжение, при котором происходит включение тиристора из непроводящего состояния в проводящее, различно и оно тем меньше, чем больше ток управления. Этим свойством собственно и определяется функциональное назначение тиристоров.

В работе исследуется однооперационный тиристор, управляемый по катоду 2У101А.

1.5. Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, состоящие из трех слоев примесного полупроводника с чередующимися типами проводимости и двумя р-n переходами. Предназначены биполярные транзисторы для целей усиления и генерирования электрических сигналов.

Биполярные транзисторы (БТ) имеют три электрода: эмиттер, базу и коллектор. В зависимости от того, какой из этих электродов является общим для входной и выходной цепей при представлении транзистора 4-х полюсником, различают три схемы его включения: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК), как это показано на рис.1.5а, б и в, для транзистора р-n-р типа.

8

Соотношения токов входных и выходных электродов для приведенных схем включения транзистора определяются

где 0 и 0 -коэффициенты передачи по току; Iко и I*ко - тепловые токи.

Зависимости токов во входной и выходной цепях БТ от соответствующих напряжений в статическом режиме описываются с помощью так называемых входных и выходных характеристик, виды которых для схем включения с ОБ и ОЭ приведены соответственно на рис. 1.6 а, б, в и г.

На рис. 1.6 истинные знаки токов и напряжений не отражены.

В работе исследуется транзистор р-n-р типа П26.

9

1.6. Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (ПТ) - это полупроводниковые триоды, принцип действия которых основан на изменении сопротивления проводящего канала под действием электрического поля. Предназначены они, как и биполярные транзисторы, для усиления и генерирования электрических колебаний.

Существуют две разновидности ПТ: с затвором в виде р-n перехода и с изолированным затвором (МДП или МОП транзисторы). В работе исследуются ПТ с затвором в виде р-n перехода, поэтому далее речь будет идти именно о нем.

ПТ с затвором в виде р-n перехода имеет три электрода: исток, сток и затвор. Исток и сток представляют co6oй две крайние области кристалла примесного полупроводника р или n типа, затвор-слой примесного полупроводника противоположной проводимости по отношению к основному кристаллу и расположенный на его поверхности. Благодаря возникновению р-n перехода между затвором и основным кристаллом сток и исток оказываются связанными суженной областью полупроводника, называемой каналом, сечение которого, а, следовательно, и проводимость будут зависить от величины обратного смещения указанного р-n перехода. Прямое смещение затвор-исток не используется, т.к. в этом случае теряется основное достоинство ПТ - большое входное сопротивление.

Условно-графическое обозначение ПТ с затвором в виде р-n перехода и каналом р-типа показаны на рис. 1.7а, а и на рис. 1.7 б, в приведены его статические характеристики: стоковые и стокозатворные соответственно.

10

Аналогично электронным лампам, полевые транзисторы характеризуются рядом параметров: внутренним сопротивлением

выражением: М =S . Ri.

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка выполнена в виде настольного переносного стенда, верхняя панель которого показана на рис.2.1. На верхней панели стенда расположены органы управления и ряд приборов, на правой боковой стенке находится тумблер "сеть". Переключатель SA1 позволяет изменять вид прибора, подлежащего исследованию, переключатели SA2 и SA3 изменяют полярность источников питания во входной Евх и выходной Евых цепях исследуемых приборов, а потенциометры ” Евх ” и “ Евых ” позволяют изменять их величины. Щитовые приборы ПА1 и ПА2 предназначены для измерения тока во входных и выходных цепях полупроводниковых приборов, переключатели SА5 и SА6 позволяют менять диапазон измеряемых токов. Щитовой прибор ПV с переключателем его диапазона измерений SA4 предназначен для измерения интересующих напряжений; для подключения прибора ПV к измеряемой цепи служит его гнездо ПV. Помимо названных на верхней панели слева вверху расположены гнезда: Евх, Uвх, Евых, Uвых, позволяющие подключать измерительный прибор к источникам питания Евх и Евых , либо к входной или выходной цепям исследуемого прибора. Слева внизу на панели расположены три гнезда, соединенных с общей точкой источников питания.