Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
10
Добавлен:
22.03.2016
Размер:
573.44 Кб
Скачать

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

Кафедра Электроакустики и ультразвуковой техники

И. Г. Сидоренко, П. В.Пашков, М. М. Шевелько, С. Ю. Шевченко

Исследование статических характеристик полупроводниковых приборов

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению лабораторных работ по курсу «Элементная база

электроники»

Санкт-Петербург

2011

Пособие посвящено изучению основного состава элементов электроники, их назначению, классификации, конструктивному исполнению, основным характеристикам, правилам обозначения.

- 2 -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. «ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИОДА И

СТАБИЛИТРОНА»

.............................................................................................

- 6

-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. «ИССЛЕДОВАНИЕ

 

 

СТАТИЧЕСКИХ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

 

 

БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА ...............................................................»

- 20

-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. «ИССЛЕДОВАНИЕ

 

 

СТАТИЧЕСКИХ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЕВОГО

 

ТРАНЗИСТОРА» .....................

ОШИБКА ! ЗАКЛАДКА НЕ ОПРЕДЕЛЕНА.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4. «ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТИРИСТОРА» .- 29 -

ЛИТЕРАТУРА ................

ОШИБКА! ЗАКЛАДКА НЕ ОПРЕДЕЛЕНА.

- 3 -

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Рис. 1

Лабораторный стенд для исследования статических вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов (рис. 1) в своем составе содержит:

исследуемые полупроводниковые приборы (диод (1), стабилитрон(2), тиристор(3), биполярный транзистор(4), полевой транзистор(5));

встроенный блок питания, обеспечивающий стенд тремя независимо изменяющимися напряжениями;

универсальный цифровой мультиметр для измерения токов и напряжений с индикацией результатов на двухстрочном жидкокристаллическом дисплее. В нижней части лицевой панели лабораторного стенда расположены кнопки управления схемой коммутации с индикацией ее состояния посредством светодиодов, а также ручки потенциометров, управляющих напряжениями встроенных источников питания E1, E2 и E3.

Изменение состояния схемы коммутации стенда производится однократным нажатием соответствующей кнопки и удержанием ее в течение

-4 -

0,5 сек. В правом верхнем углу находится жидкокристаллический дисплей мультиметра с кнопками переключения страниц выводимой информации. Расположение страниц следующее:

E3

E1

E2

I 3

I1

 

В левом верхнем углу - выключатель питания (Сеть). В средней зоне – мнемосхема лабораторного стенда.

На задней панели расположены сетевой предохранитель и разъем связи с ЭВМ. Все измерения, выполняемые в ходе выполнения лабораторной работы, проводятся на постоянном токе.

Для снижения влияния температуры при прогреве исследуемых полупроводниковых приборов в ходе эксперимента используются облегченные режимы их работы, соответствующие начальным участкам их вольт-амперных характеристик. С целью повышения чистоты экспериментов в области высоких токов и напряжений рекомендуется проводить кратковременные измерения с промежутками между ними, достаточными для охлаждения прибора.

- 5 -

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК ДИОДА И СТАБИЛИТРОНА

Цель работы

1.Изучение статических вольт-амперных характеристик диода и стабилитрона;

2.Приобретение навыков экспериментального измерения статических вольт - амперных характеристик маломощных полупроводниковых приборов.

Краткие теоретические сведения

Полупроводниковыми диодами называют двухэлектродные полупроводниковые приборы с выпрямляющим электрическим переходом. В качестве выпрямляющего электрического перехода применяется p-n-переход, гетеропереход или выпрямляющий контакт металла с полупроводником (диод Шоттки).

В зависимости от способа изготовления диоды бывают точечными, сплавными, эпитаксиальными и др.

По функциональному назначению диоды делятся на выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, детекторные, модуляторные, переключающие, умножительные, стабилитроны (стабисторы), варикапы, туннельные, обращенные, параметрические, фотодиоды, светодиоды, лазерные диоды, магнитодиоды, диоды Ганна и др.

Подавляющее большинство полупроводниковых диодов представляет собой структуру, состоящую из областей n-типа и p-типа, имеющих различную концентрацию примесей и разделенных электронно-дырочным переходом.

Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом. Условное обозначение диода на схемах приведено на рис. 1.

- 6 -

Рис. 1. Условное обозначение диода

Независимо от способа изготовления полупроводникового диода концентрация примесей в базе (Б) всегда меньше, чем в эмиттере (Э), поэтому электронно-дырочный переход оказывается сдвинутым в область базы, то есть является несимметричным. Вследствие низкой концентрации примеси база обладает значительным сопротивлением.

На рис. 2 показан пример p-n-структуры, изготовленной по комбинированной технологии, широко используемой при производстве интегральных схем.

Э

SiO2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p+

 

 

 

 

n-p-переход

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

n+

Б

Рис. 2. p-n-структура полупроводникового диода

На кремниевой подложке n+-типа (с высокой концентрацией примесей) выращивают эпитаксиальный слой n-типа (с низкой концентрацией примесей). Затем поверхность выращенного слоя окисляют, в результате чего образуется изоляционный слой SiO2 толщиной около 1мкм, в котором создают окна и через них методом диффузии вводят акцепторную примесь, изменяющую тип электропроводимости выращенного кристалла. В результате образуется p+-слой с высокой концентрацией примеси, отделенный от n-области электронно-дырочным переходом. Затем осуществляют омические контакты с n+ и p+ областями путем напыления алюминия. В процессе изготовления кремниевой пластины создается большое количество одинаковых p-n структур. Такую пластину разделяют на отдельные кристаллики, каждый из которых монтируют в герметичном

- 7 -

металлическом, пластмассовом или стеклянном корпусе, защищающем кристалл от воздействия окружающей среды, а базу и эмиттер через омические контакты соединяют с внешними выводами.

Вольт-амперная характеристика диода

Режим работы диода определяется его вольт-амперной характеристикой. Типовая характеристика диода представлена на рис. 3.

I

Uпроб

0 U

Рис. 3. Типовая вольт – амперная характеристика диода

 

 

Характеристику

диода

(при

прямом

включении)

 

можно

 

 

 

 

 

 

U

 

 

аппроксимировать с помощью экспоненциальной функции: I I s

 

n U

 

 

e

 

T

1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь обратный ток насыщения Is 10-11А (для кремниевых диодов) и10-7 А (для германиевых), коэффициент эмиссии n 1…2 и температурное напряжение UT = kT/q 26 мВ при комнатной температуре. У реальных диодов характеристики отличаются от идеальных за счет наличия омического сопротивления тела полупроводника и выводов, что сказывается на прямой ветви характеристики, и токов утечки из-за загрязнений поверхности кристалла.

При больших обратных напряжениях, начиная с некоторого предела, сопротивление диода резко падает и наступает пробой перехода. Именно этот участок обратной ветви вольт-амперной характеристики, который идет почти параллельно оси токов, используется в качестве рабочего у стабилитронов.

- 8 -

При этом характер пробоя может носить как лавинный, так и туннельный характер. Величина напряжения пробоя определяется удельным сопротивлением материала исходного полупроводника и видом механизма пробоя.

Основные параметры диода

Постоянное прямое напряжение Uпр – постоянное напряжение на диоде при заданном прямом токе.

Постоянный прямой ток Iпр – постоянный ток, протекающий через диод в прямом направлении.

Постоянный обратный ток Iобр - постоянный ток, протекающий через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении.

Средний прямой ток Iпр.ср. – прямой ток, усредненный за период.

Средний обратный ток Iобр.ср. обратный ток, усредненный за период.

Дифференциальное сопротивление диода rдиф – отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.

Рабочая частота – частота, при которой обеспечиваются заданные токи, напряжение и мощность.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Стабилитрон (диод Зенера) полупроводниковый диод,

предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания. Условное обозначение стабилитрона приведено на рис. 4. По сравнению с обычными диодами стабилитрон имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока.

Анод

Катод

Рис. 4. Условное обозначение стабилитрона

- 9 -

Материалы, используемые для создания p-n-перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).

Типовая статическая вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис. 5.

I

Uпроб

0

 

Iст мин

U

 

U

I

Iст мах

U

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Обратная ветвь характеристики стабилитрона имеет крутой излом, обусловленный резким ростом тока. Этот излом соответствует напряжению стабилизации Uст. При достижении напряжения стабилизации обратный ток резко возрастает. Эффект стабилизации основан на том, что большое изменение тока I вызывает малое изменение напряжения U . Стабилизация тем лучше, чем круче идет эта кривая и, соответственно, чем меньше дифференциальное внутреннее сопротивление.

Диапазон рабочих токов стабилитрона снизу ограничен минимальным током стабилизации Iст мин, определяемым началом пробоя, а сверху – максимальным током стабилизации Iст макс, определяемым допустимой мощностью рассеяния прибора.

- 10 -

Соседние файлы в папке 0cd667c1_metoda-po-ebe-laby