тюменСКИЙ нгу

Институт Нефти и Газа

Кафедра автоматизации и вычислительной техники

Дисциплина электроника (часть 1)

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ для студентов специальности “Автоматизация технологических процессов и производств нефтегазодобычи” всех форм обучения

ТЮМЕНЬ 2011

УДК 681.3 (076.5)

Сватов В.Ф.

Электроника (часть 1)

В методических указаниях приведено описание лабораторных работ, которые соответствуют учебной программе курса "Электроника ". Выполнения лабораторных работ осуществляется с помощью ПЭВМ с использованием программ Elektronics Workbench, что позволяет студентам грамотно и эффективно внедрять на практике методы компьютерного исследования характеристик и параметров полупроводниковых приборов. Краткие теоретические сведения и практические задания каждой из работ способствуют закреплению теоретических знаний, приобретения практических навыков исследований.

Составитель: канд. техн. наук, доцент В.П. Сватов

Введение

Цикл лабораторных работ по дисциплине "Электроника " составлены в соответствии с учебной программой курса для студентов специальности “Автоматизация технологических процессов и производств нефтегазодобычи” всех форм обучения.

Задачей цикла лабораторных работ является закрепление полученных в процессе изучения теоретической части курса знаний, развитие способностей ставить и решать инженерные задачи, делать выводы и обобщения по результатам эксперимента, т.е. совершенствование навыков исследования.

В каждой лабораторной работе приведены цель работы, теоретические положения, порядок ее выполнения, содержание отчета и контрольные вопросы для самопроверки. Во всех лабораторных работах кроме физического моделирования применена система схемотехнического моделирования Eleсtronics Workbench на персональных компьютерах. С его помощью выполняется составление схемы исследования и анализ ее работы.

Лабораторные работы выполняются в два этапа: первый этап включает ознакомление с заданием, изучение теоретического материала, подготовку отчетов, выполнение расчетной части, второй этап - экспериментальная часть - составление рабочей схемы и исследование ее согласно плану, сопоставление теоретических и практических результатов, формулирования выводов и оформление отчета.

Отчет работы должен содержать название и цель работы, схему исследования, таблицы с результатами измерений, временные диаграммы реальных процессов, происходящих в схеме, анализ и сравнение полученных результатов с теоретическими.

Перед выполнением каждой лабораторной работы преподаватель опрашивает студентов о содержании самой работы, методику ее выполнения, теоретический материал. Неподготовленные студенты не допускаются к выполнению лабораторной работы, а изучают в лаборатории неосвоенный ими материал согласно рекомендованной литературой.

Лабораторная работа № 1

Исследование выпрямительного полупроводникового диода

1. Цель работы

Изучение конструкции, принципа действия, основных свойств полупроводникового диода, исследование его характеристик и параметров, овладение методикой снятия вольтамперной характеристики.

2. Теоретические сведения

Полупроводниковый диод - это прибор с одним p-n-переходом, образующегося при контакте двух областей полупроводника с различными типами проводимости: дырочной и электронной.

По функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, высокочастотные (универсальные), импульсные, стабилитроны, переключающие, фотодиоды, светодиоды, туннельные, варикапы и другие.

Выпрямительные диоды используют вентильные свойства p-n-перехода и их применяют для выпрямления переменного тока низкой частоты. Для изготовления выпрямительных диодов используют германий, кремний и арсенид галлия.

Структура диода и его схематическое обозначение приведены на рис. 1.

Катод

Катод

Анод

Анод

Омический контакт

Омический контакт

p-n-переход

а б

Рис. 1. Структура диода (а) и его схематическое обозначение (б)

В р-области основными носителями являются дырки, а в n-области - электроны. Однако в каждой из этих областей есть и неосновные носители: в р-области - электроны, а в n-области - дырки. Концентрация их незначительная по сравнению с основными носителями.

Рассмотрим процессы в р-n-переходе в отсутствие внешнего электрического поля (рис. 2, а).

а б в

Рис. 2. Процессы в р-n-переходе

Допустим, что концентрация основных носителей в p- и n-областях одинакова. При объединении двух полупроводников возникает диффузное перемещение электронов из n-области в р-область и дырок в противоположном направлении. Такое движение зарядов создает диффузионный ток электронов - І_{n диф} и дырок - І_{р диф}. В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различными типами проводимости образуются объемные заряды разных знаков. В приконтактной зоне полупроводника n-типа возникает положительный объемный заряд, а в приконтактной зоне р - отрицательный объемный заряд. Между этими зарядами возникает внутреннее электрическое поле с напряженностью Е_к и контактная разность потенциалов, которую называют потенциальным барьером - φ_к. Электрическое поле Е_к является тормозящим для основных носителей зарядов и ускоряющим для неосновных носителей зарядов. Вследствие чего на границе раздела полупроводников возникает электронная - І_{n др} и дырочная - І_{р др} дрейфовые составляющие тока. В установившемся состоянии

.

То есть результирующий ток через переход будет равен нулю.

Рассмотрим поведение p-n-перехода при подключении к нему внешнего напряжения. Возможно прямое или обратное включение.

При прямом включении p-n-перехода, как показано на рис. 2, б, к р-области подключают плюс источника внешнего напряжения U_пр, а к n-области - минус. Внешнее электрическое поле Е_пр будет направлено навстречу внутреннему Е_к и результирующая напряженность Е_рез= Е_пр – Е_к уменьшается. Разность потенциалов на переходе составит _пр=_к – U_пр. Потенциальный барьер снижается, сопротивление р-n-перехода уменьшается и растет число носителей, которые могут преодолеть его. В этом случае через p-n-переход течет прямой ток

І_пр= І_диф – І_др≈І_диф > 0,

который обусловлен диффузионной составляющей тока и является большим по величине.

Полярность прямого напряжения на диоде показана на рис. 1, б, знаками плюс и минус, при этом через диод течет прямой ток I. Вершина треугольника диода направлена в сторону протекания прямого тока.

При обратном включении p-n-перехода, как показано на рис. 2, в, к р-n-переходу прикладывается внешнее напряжение U_обр. В результате напряженность поля в p-n-переходе Е_рез = Е_обр + Е_к возрастет. Высота потенциального барьера _обр=_к +U_обр и сопротивление p-n-перехода вырастут, диффузионная составляющая тока І_диф уменьшается, дрейфовая І_др практически не меняется и через переход протекает обратный ток

І_обр= І_диф – І_др≈ – І_др,

который определяется концентрацией неосновных носителей заряда и будет незначительный по величине.

Таким образом, p-n-переход имеет вентильные свойства, т.е. при прямом включении его сопротивление мало, а при обратном – значительное.

Основной характеристикой диодов является вольт-амперная характеристика (ВАХ) – зависимость тока I через диод от приложенного к нему напряжения U. ВАХ диода не является прямой линией. Она имеет прямую и обратную ветви. Различают теоретическую и реальную ВАХ выпрямительного диода.

Теоретическая ВАХ определяется выражением

I = I₀[exp(U /_Т )-1],

где I₀ – обратный ток насыщения диода; – тепловой потенциал;

q = 1,6*10^-19Кл – заряд электрона; k =1,38*10^-23 Дж/Кл – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура, ^оK. При Т = 300^оK значение _Т  0,025 В.

Теоретическая и реальная ВАХ диода показаны на рис. 3.

П ри прямом напряжении U_ПР>0,1 B можно пренебречь единицей (е⁴≈54), поэтому прямая ветвь ВАХ (ветвь І) описывается выражением

.

Как только прямое напряжение достигнет величины U_пр=φ_к, запирающие свойства р-n-перехода исчезают и ток диода резко возрастает. Это характеризует состояние открытого диода.

Величина φ_к зависит от материала полупроводника и его температуры. Для германия она составляет 0,4 – 0,6 В, для кремния – 0,6 – 0,8 В.

При обратном напряжении U_обр< 0, экспоненциальный член в уравнении становится малым (е^-4 ≈ 0,02) по сравнению с единицей, и обратная ветвь ВАХ описывается выражением І_обр = – І₀. Малая величина тока І_обр характеризует состояние закрытого диода.

Реальная ВАХ диода отличается от теоретической. Прямая ветвь ВАХ реального диода смещается вправо относительно теоретической. При выводе экспоненциальной зависимости теоретической ВАХ допущены некоторые физические идеализации. Для реальных диодов нужно учитывать влияние объемного сопротивления базовой области r_б на ток. Также в реальных диодах при повышении обратного напряжения U_обр обратный ток I_обр не остается постоянным, равным току насыщения I₀, а медленно растет. Одной из причин этого роста является рост скорости движения неосновных носителей заряда через переход, толщина которого тоже растет. При U_обр = U_п скорость подвижных носителей такова, что их энергии хватает для возникновения в материале ударной ионизации – выбивания дополнительных носителей заряда. Вследствие этого происходит лавинообразный рост обратного тока.

Это явление называют электрическим пробоем р-n-перехода, а U_п –напряжением пробоя. Если при этом p-n-переход эффективно охлаждается, то электрический пробой протекает при неизменном напряжении. При снижении U_обр запорные свойства p-n-переход восстанавливаются (ветвь II ВАХ).

При неэффективном теплоотводе, температура структуры будет расти и электрический пробой перейдет в тепловой, когда р-n-переход разрушается. Тепловой пробой необратим (ветвь III ВАХ).

Кремниевые диоды по сравнению с германиевыми имеют существенно меньшее значение обратного тока (в 10⁶ раз) через низкую концентрацию носителей заряда.

Полупроводниковый выпрямительный диод характеризуется статическим и дифференциальным (динамическим) сопротивлением, которые определяются по ВАХ.

Статическое сопротивление (сопротивление постоянному току) в любой точке прямой ветви характеристики определяется законом Ома:

R₀ = U/I.

Дифференциальное сопротивление (сопротивление переменному току) в любой точке прямой ветви характеристики описывается уравнением

,

где ∆U, ∆I – конечные приращения напряжения и тока вблизи рабочей точки.

В зависимости от того, на каком участке ВАХ находится рабочая точка, значение R₀ может быть меньше, равным или больше значения R_д.

На характеристики диодов значительно влияет температура окружающей среды. При увеличении температуры прямая ветвь характеристики становится более крутой, так как возрастает І₀ и уменьшается сопротивление базы.