close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Вакансия: Главный инженер, главный энергетик;pdf

код для вставкиСкачать
ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
(рабочая учебная программа дисциплины)
ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Направление подготовки
220700 «Автоматизация
технологических процессов
и производств»
Профиль подготовки
Автоматизированное управление
жизненным циклом продукции
Квалификация (степень)
Бакалавр
Форма обучения
очная
Составитель программы
Чапышев А.П., к.т.н. кафедры «Оборудования и автоматизации
машиностроения»
.
Иркутск 2013 г
1. Информация из ФГОС, относящаяся к дисциплине
1.1. Вид деятельности выпускника
Дисциплина охватывает круг вопросов относящиеся к проектно-конструкторской
деятельности выпускника: изучаются принципы работы полупроводниковых устройств,
их конструкции и области применения.
Задачи профессиональной деятельности выпускника
В дисциплине рассматриваются указанные в ФГОС задачи профессиональной
деятельности выпускника:
- Сбор и анализ информационных данных для проектирования технических средств
систем автоматизации и управления производственными и технологическими процессами,
оборудованием, жизненным циклом продукции, её качеством, конроля, диагностики и
испытаний;
- Проектирование архитектуры аппаратно-программных комплексов автоматических
и автоматизированных систем контроля
1.2. Перечень компетенций, установленных ФГОС
Освоение программы настоящей дисциплины позволит сформировать у
обучающегося следующие компетенции:
Общекультурные компетенции:
Владение культурой мышления, способность к обобщению, анализу, восприятию
информации, постановке цели и выборе способа её достижения.
способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в
профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и
моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);
1.3. Перечень умений и знаний, установленных ФГОС
После освоения программы настоящей дисциплины студент должен:
знать:
 основные понятия, принципы работы полупроводниковых приборов;
 роль примесей в атомной структуре полупроводников;
 название и задачи наиболее распрастранённых полупроводниковых приборов;
 о способах пробоев p-n перехода и их роли в различных полупроводниковых
приборах;
 способы получения полупроводников с регламентированным типом и
содержанием примеси;
 технологию изготовления интегральных микросхем, способы легирования;
 природу проводимости полупроводников и основные её отличия от прочих
материалов (диэлектриков, проводников);
уметь:
 применять полученные знания для решения конкретных задач автоматизации
технологических процессов машиностроительного производства;
 проводить простейшую диагностику неисправностей полупроводниковых
приборов и схем на их базе;
иметь представление:
 о роли полупроводниковой техники в современном промышленном производстве;
 о особенностях строения атомов веществ с различной электропроводностью;
 о основных закономерностях влияния на движение электронов электрического и
магнитного полей;
 о физической основе работы полупроводниковых устройств;




о механизме эффекта Холла и туннельного эффекта.
о технологии изготовления приборов на базе полупроводников;
о принципе работы усилительного каскада на базе биполярного транзистора;
о принципах работы полевых транзисторов.
2. Цели и задачи освоения программы дисциплины
Цель изучения дисциплины заключается в формировании у студентов новых и
закреплении базы имеющихся знаний о принципах работы приборов, основу которых
составляют полупроводниковые материалы для решения прикладных задач в области
автоматизированного управления технологическим оборудованием.
Основными задачами изучения дисциплины являются:
1) Изучение основных задач законов движения заряженных частиц (электронов) в
твёрдых телах и вакууме.
2) Изучение
природы
электропроводности
металлов,
полупроводников,
диэлектриков.
3) Знакомство с особенностями электропроводности полупроводников с различной
проводимостью.
4) Изучение физики возникновения и работы p-n перехода.
5) Знакомство с наиболее широко применяемыми полупроводниковыми приборами.
6) Знакомство с устройствами, сконструированными на базе полупроводниковых
приборов.
7) Изучение способов получения полупроводников с регламентированным
содержанием примесей.
3. Место дисциплины в структуре ООП
Для изучения дисциплины необходимо освоение содержания дисциплин:
электроника и электротехника;
вычислительные машины, системы и сети;
математика;
энергосберегающее оборудование и технологии;
Знания и умения, приобретаемые студентами после освоения содержания
дисциплины, будут использоваться в изучении профилирующих дисциплин как база для
творческого человека, личности и перспективного научного работника:
физические основы преобразовательной техники;
технические измерения и приборы;
аппаратные и программные средства систем управления;
электромеханические системы.
4.
Основная структура дисциплины
Вид учебной работы
Всего
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия, в том числе:
лекции
лабораторные работы
Самостоятельная работа (в том числе
курсовое проектирование)
Вид промежуточной аттестации
(итогового контроля по дисциплине)
144
54
18
36
54
экзамен
Трудоемкость в часах
Семестр
№6
108
54
18
36
54
экзамен (36)
5. Содержание дисциплины
5.1. Перечень основных разделов и тем дисциплины
Раздел 1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕОРИИ
Тема 1.1. Движение электронов в электрических и магнитных полях
Тема 1.2. Электроны в твердых телах
Раздел 2. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Тема 2.1. Природа электропроводности полупроводников
Тема 2.2. Эффект Холла
Раздел 3. ПАРАМЕТРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВ. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Тема 3.1. Основные параметры полупроводниковых материалов
Тема 3.2. Измерение подвижности
Тема 3.3. Измерение коэффициента Холла
Тема 3.4. Измерение эффективной массы
Тема 3.5. Измерение ширины запрещенной зоны
Тема 3.6. Измерение времени жизни носителей
Раздел 4. ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ И
КРИСТАЛЛОВ С ЗАДАННОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ПРИМЕСИ
Тема 4.1. Выращивание кристалла из расплава
Тема 4.2. Зонная очистка
Тема 4.3. Зонная плавка
Тема 4.4. Эпитаксиальные метод : Молекулярно-лучевая эпитаксия
Тема 4.5. Эпитаксиальные метод : Химическое осаждение из паров
металлоорганических соединений
Раздел 5. ЭЛЕКТРОННО – ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Тема 5.1. Возникновение электронно-дырочного перехода
Тема 5.2. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода
Раздел 6. ДИОДЫ
Тема 6.1. Плоскостные и точечные выпрямительные диоды (вентили)
Тема 6.2. Импульсные диоды
Тема 6.3. Опорные диоды (кремниевые стабилитроны)
Тема 6.4. Туннельные диоды
Раздел 7. БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР
Тема 7.1. Устройство транзистора
Тема 7.2. Включение транзистора
Тема 7.3. Способы включения и характеристики транзистора
Раздел 8. ПЕРЕХОДЫ
Тема 8.1. Переходы металл-полупроводник
Тема 8.2. Переход металл-диэлектрик-полупроводник
Раздел 9. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Тема 9.1. Полевые транзисторы с затвором в виде р-n-перехода
Тема 9.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы) с
встроенным каналом
Тема 9.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы) с
индуцированным каналом
Тема 9.4. Приборы с зарядовой связью
Тема 9.5. Динисторы и тиристоры (управляемые выпрямители)
Раздел 10 Фотоэлектронные полупроводниковые приборы
Тема 10.1. Фоторезисторы
Тема 10.2. Фотодиоды и фототранзисторы
Тема 10.3. Светодиоды
5.2. Краткое описание содержания теоретической части разделов и тем
дисциплины
Раздел 1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕОРИИ
Тема 1.1. Движение электронов в электрических и магнитных полях
Действие электронных приборов основано на управлении движением электронов с
помощью электрических и магнитных полей.
Электровакуумные приборы
Ионные приборы
Твердотельные электронные приборы
Электрон, находящийся в области действия электрических полей, которые
связывают его с какими-либо конкретными атомами или молекулами, называется
связанным.
Если электрон может свободно перемещаться, имея слабые связи с какими-либо
атомами или системами атомов, то такой электрон можно приближенно считать
свободным.
На основании второго закона Ньютона сила, действующая на электрон (сила
Лоренца):
mdv
F 
 eE   0 v H  , (1.1.)
dt
где Е — вектор напряженности электрического поля; H — вектор напряженности
магнитного поля; m —масса электрона; V — вектор скорости электрона; е — заряд
электрона; — магнитная проницаемость вакуума.
Ускорение электронов:
e
a E
(1.2)
m
При перемещении электрона в электростатическом поле происходит изменение его
кинетической энергии в результате взаимодействия электрона с полем.
 


m v12  v02
 eU 1  U 0   eU
2
где v0 и v1 — скорости электрона в начальной и конечной точках поля; U —
разность потенциалов.
Если среднее время между соударениями обозначить , то конечная скорость будет
равна от, а средняя величина направленной скорости
Скорость, приобретенная под действием сил электрического поля:
v
2e
U
m
Среднюю скорость обычно называют скоростью дрейфа, или дрейфовой скоростью.
Из (1.2) и (1.3) следует, что дрейфовая скорость и электрическое поле связаны друг с
другом соотношением:
 e 
VD     E
 me 
(1.4)
Подвижность.
Объемная электрическая проводимость.
При отсутствии магнитного поля уравнение (1.1) имеет вид:
mdv x
 eE x
dt
mdv y
F
 eE y (1.6)
dt
mdv z
F
 eE z
dt
F
F
mdv
 eE => в прямоугольных координатах
dt
Решение системы уравнений (1.6.):
x  v0 _ x t
eE 2 =>
t
2m
eE
x
- уравнение параболы.
2mv02 _ x
y  v0 _ y t 
y
v0 _ y
v0 _ x
В магнитном поле приотсутствии электрического поля
mdv
F
 e 0 v H
(1.7.)
dt
=>абсолютная величина силы,:
F  e 0 vH sin 
где  — угол между векторами скорости электрона и напряженности магнитного
 
поля.
Таким образом, в отличие от электрического магнитное поле взаимодействует с
электроном, если в своем движении он пересекает направление вектора напряженности
поля, при этом магнитное поле изменяет только траекторию электрона, не меняя его
кинетической энергии.
Тема 1.2. Электроны в твердых телах
Согласно принципам квантовой механики электроны в изолированных атомах могут
иметь только строго определенные для данных типов атомов значения энергии.
В нормальном состоянии атома электроны занимают уровни с наименьшей энергией,
=> более высокие свободны. Для перехода на более высокий энергетический уровень
электрон должен получить энергию, равную разности между энергиями соответствующих
энергетических уровней. Такой переход называется возбуждением электрона.
В возбужденном состоянии - очень короткое время.
ионизация атома.
Вследствие взаимодействия атомов твердого тела друг с другом их разрешенные
энергетические уровни (рис.1.2.) расщепляются (рис. 1.2, б) - энергетические зоны.
Рис. 2.1. Расщепление подуровней на энергетические зоны
Расщепление первого свободного или неполностью занятого уровня образует
свободную зону (зону проводимости). Уровни, занятые внешними валентными
электронами атома, валентная зона.
1. Верхняя энергетическая зона незаполненных уровней (зона проводимости) не
разделена от зоны заполненных уровней (валентной зоны) зоной запрещенных
энергетических уровней (рис. 2.1, а) (характерно для металлов и их сплавов). Такие
твердые тела называются проводниками.
Рис.2.2. Электронное строение внешних энергетических уровней для металлов (а),
полупроводников (б), полупроводников с примесной проводимостью различных типов
(в,г), диэлектриков.
2. Между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная зона
относительно малой ширины (в единицах энергии).
При не очень высокой температуре могут появиться электроны, получившие
энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости
(возбужденные электроны) – участвуют в переносе эл. тока.
3. В запрещенной зоне появляются разрешенные уровни за счет примесей
других атомов или каких-либо нарушений однородности кристаллов тела (дефектов). Эти
примесные уровни могут располагаться как вблизи зоны проводимости (рис.2.2 в), так и у
верхнего края валентной зоны (рис. 2.2.г). примесная проводимость электронного типа.и
возникновение примесной проводимости дырочного типа.
В случае большой ширины запрещенной зоны вещество является диэлектриком.
Раздел 2. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Тема 2.1. Природа электропроводности полупроводников
Два вида электропроводности полупроводников:
-Собственную электропроводность.
-Примесную электропроводность.
Одновременно с процессом возбуждения (генерации) пар электрон — дырка
происходит обратный процесс, называемый рекомбинацией. При каждом акте
рекомбинации исчезает пара носителей тока — электрон — дырка.
Если примесные уровни располагаются вблизи свободной зоны, то образующие их
примеси называются донорными.
Если же при введении примесей образуются примесные уровни вблизи валентной,
заполненной зоны, то такие уровни называются акцепторными, а сами примесиакцепторами. На эти уровни могут переходить электроны из валентной зоны, в которой
при этом образуются дырки.
Движение зарядов в полупроводнике под действием приложенного к нему внешнего
электрического поля существенно отличается от движения зарядов в вакууме. Эти
отличия определяются,
1. Кроме внешнего электрического поля на заряды действует внутреннее
электрическое поле кристаллической решетки полупроводника.
2. рассеяние электронов, в процессе которого они отдают энергию, приобретенную
под действием внешнего поля, и изменяют направление движения.
Длина свободного пробега 1п для электронов и lР для дырок.
=> электропроводность полупроводников определяется концентрацией и
подвижностью носителей заряда.
Для большинства полупроводников подвижность снижается с ростом температуры в
основном за счет увеличения рассеяния на тепловых колебаниях атомов решетки. Однако
для некоторых полупроводников наблюдается обратная зависимость подвижности, от
температуры.
Тема 2.2. Эффект Холла
Сила, действующая на электрон со стороны этого поля равна:
Направление этого вектора выбирают так, чтобы с его конца вращение от
вектора V к вектору В было видно против хода часовой стрелки. Поэтому вектор будет
ориентирован в направлении отрицательных X. Так как заряд электрона отрицательный,
на электрон будет действовать сила в положительном направлении оси х. Как
следствие электроны будут отклоняться вверх. Однако они не могут переместиться
выше верхнего края бруска и, следовательно, будут там накапливаться.
Рис.2.1. Схема для определения эффекта Холла
Так как первоначально материал бруска был электронейтральным, а часть
электронов сместилась вверх, заряд положительных ионов у нижней границы теперь
уже не компенсируется полностью., установится равновесие, при котором сила,
действующая на электрон со стороны поперечного электрического поля, в точности
компенсирует силу, действующую со стороны магнитного поля (рис.2.1.). Это произойдет
при:
EН  vB
Или с плотностью тока: EН  RН JB,
RН  1
Nee
где Rн —постоянная Холла.
Раздел 3. ПАРАМЕТРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВ. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Тема 3.1. Основные параметры полупроводниковых материалов
1) подвижность,
2) коэффициент Холла,
3) эффективная масса.
4)ширина запрещенной зоны (включая расстояния от края зоны до любого из
примесных уровней),
5) время жизни носителей.
Тема 3.2. Измерение подвижности
Данная величина была определена как скорость дрейфа носителей при единичной
напряженности электрического поля:
  VD
E
Прямой способ измерения подвижности состоит в измерении скорости дрейфа,
вызванного постоянным электрическим полем известной напряженности. Так как
электрическое поле в проводнике (а также и в полупроводнике) постоянно, его
напряженность можно найти, измерив длину образца и приложенное к нему напряжение.
Скорость дрейфа возможно было бы измерить, определяя время прохождения пути от
точки А до точки С.
Рис.3.1.. Протекание тока в полупроводнике n – типа
Те из них, которые в момент замыкания ключа оказались в точке С, через некоторое
время прибудут в точку А, но у нас нет средств, чтобы узнать, сколько именно
времени им для этого понадобилось. Начиная с момента замыкания ключа, поток
электронов однороден и в точке С, и в точке А. Нам же нужна такая цепь, в которой
носители могли бы генерироваться в одной точке, а детектироваться в другой. Такая цепь
была впервые предложена Шокли и Хейнсом (рис. 3.2.).
Рис. 3.2. Цепь Шокли – Хейнса
Когда ключ S разомкнут, через резиcтор R протекает ток определенной величины. В
момент t1 ключ замыкается и в соответствии с известными законами Кирхгофа
происходит резкий рост тока. Контакт между металлическим проводом и
полупроводником n-типа обладает свойством инжектировать дырки.
Под действием ЭДС батареи дырки, инжектированные в точке А, движутся по
направлению к точке С. Когда они достигают этой точки (скажем, в момент t2 ), в токе,
протекающем через резиcтор, появляется новая составляющая.
Рост тока
(и
напряжения)
будет происходить постепенно, так как скорость некоторых дырок
превышает среднюю скорость, но через некоторое время установится стационарный
режим.
Таким образом, мы знаем расстояние между точками А и С, нам с достаточной
точностью известно время, необходимое дыркам для прохождения пути от А до С, а это
позволяет рассчитать скорость их дрейфа. Отсюда легко найти подвижность дырок,
поскольку определить напряженность электрического поля не составляет большого труда.
Тема 3.3. Измерение коэффициента Холла
Для измерения этого параметра нужно иметь четыре контакта, расположенные так,
чтобы падение напряжения определялось под прямым углом к направлению тока.
Основной принцип измерения уже рассмотрен ранее. Однако и здесь необходимо учитывать влияние геометрических факторов. Если расстояние между зондами, измеряющими
напряжение, превышает расстояние между токовыми зондами, холловская разность
потенциалов уменьшается. Чтобы рассчитать ее, необходимо вновь детально
рассматривать распределение плотности тока в образце.
Коэффициент Холла и проводимость часто измеряют с помощью весьма
остроумного метода, предложенного Ван дер Пау. На поверхности полупроводника
выполняют четыре точечных контакта. Проводимость легко найти, пропуская ток между
одной парой контактов и измеряя напряжение между двумя другими. Зная, как изменяется
отношение напряжения к току при наложении магнитного поля, можно определить коэффициент Холла.
Коэффициент Холла является мерой плотности заряда; поэтому с его помощью
можно установить связь между проводимостью и подвижностью носителей в
полупроводнике.
Тема 3.4. Измерение эффективной массы
Стандартный метод измерения эффективной массы основан на явлении
циклотронного резонанса. Сущность этого явления заключена во взаимодействии
электромагнитной волны с носителями заряда, которое приводит к поглощению энергии
волны в том случае, когда магнитное поле заставляет электроны колебаться с частотой,
равной частоте приложенного электрического поля. Для того чтобы резонансное
поглощение было ощутимым, электрон должен двигаться без столкновений в течение
большей части периода колебаний. Поэтому эксперименты проводят при низких
температурах, используя электрическое поле высокой частоты и сильное магнитное поле.
Радиосигнал поступает в волновод через плечо II циркулятора 1, отражается от
задней стенки волновода и, пройдя дважды через полупроводник, попадает в приемник,
подключенный к плечу III циркулятора. (Циркулятор обладает замечательным свойством:
сигнал, подаваемый в плечо I, полностью попадает в плечо II, а сигнал, поданный в плечо
II, покидает циркулятор через плечо III)
Рис. 3.3. Схема экспериментальной установки для наблюдения циклотронного
резонанса, 1 — микроволновый генератор; 2 — волновод; 3 — циркулятор; 4 —
приемник; 5 — жидкий гелий; 6 — полюса электромагнита; 7 — отражатель; 8 —
полупроводниковый образец; 9 — сосуд Дьюара.
Рис. 3.4. Функция поглощения от магнитной индукции для германия
1—дырки; 2 — электроны.
Если зафиксировать частоту с электромагнитной волны и изменять магнитное
поле, то можно получить кривую зависимости поглощения сигнала от напряженности
магнитного поля. Эффективная масса определяется выражением:
где В — магнитная индукция, при которой наблюдается максимум поглощения
сигнала. На кривой поглощения, вообще говоря, можно наблюдать несколько пиков,
соответствующих разным типам электронов и дырок.
Имеют место два типа дырок — тяжелые и легкие. Третий резонансный пик для
дырок, которые находятся в зоне, возникшей в результате расщепления, отсутствует, так
как дырки вряд ли могут существовать столь далеко от верхнего края валентной зоны.
Тема 3.5. Измерение ширины запрещенной зоны
Простой способ измерения ширины запрещенной зоны основан на изменении
проводимости с температурой. Проводимость любого полупроводника определяется ранее
полученным выражением, которое можно представить в виде:
В случае собственного полупроводника:
Подставив в равенство для , получим
Вкладом сомножителя Т в температурную зависимость параметра о можно
пренебречь, поскольку он практически всегда мал по сравнению с вкладом
экспоненциального множителя. Следовательно, зависимость ln от 1/T является
E
линейной, а угол наклона ее графика равен  g
что позволяет определить величину
2k
Еg. Не учитывали также влияние температуры на Еg, хотя подобное упрощение справедливо не всегда. Оставив пока этот факт в стороне, рассмотрим, что происходит в
примесных полупроводниках. Когда мы обсуждали изменение положения уровня Ферми с
температурой, мы пришли к выводу, что при высоких температурах полупроводники
ведут себя как собственные, а при низких температурах они подобны гипотетическому
собственному полупроводнику, у которого ширина запрещенной зоны равна разности
между примесным уровнем и краем зоны. В силу этого на графике зависимости ln от 1/T
можно ожидать появления двух ярко выраженных линейных участков, имеющих,
существенно разный наклон.
В области между линейными участками температура достаточно высока, чтобы
вызвать полную ионизацию доноров, но еще недостаточна, чтобы ионизовать заметное
количество атомов решетки полупроводника.
Следовательно, в этом промежуточном диапазоне температура не оказывает
сильного влияния на концентрацию носителей, так что характер зависимости
3
определяется изменением подвижности и множителем T 2 , влияние которого ранее
считалось пренебрежимо малым.
Еще более простой способ измерения ширины запрещенной зоны основан на
исследовании оптической прозрачности полупроводника. Пропуская свет через
тонкую полупроводниковую пластинку строят зависимость прозрачности от частоты
оптического излучения f.
При hf<Eg наблюдается небольшое поглощение, обусловленное различными
причинами. Но если hf>Eg, то становится возможным оптическое возбуждение электронов
и переход их в зону проводимости. Как следствие происходит резкое изменение
прозрачности,. В этом случае принято говорить о полупроводниках с прямыми
переходами. Структура их энергетических зон такова, что максимуму энергии в валентной
зоне и минимуму энергии в зоне проводимости соответствует одно и то же значение k .
Примерами полупроводников с прямыми переходами служат GaAs и CdS.
Тема 3.6. Измерение времени жизни носителей
Обычно нас интересует время жизни неосновных носителей.
Если в момент времени t1 свет отключить это приведёт к уменьшению тока и
напряжения на резисторе. Время жизни определяется по скорости спада кривой (рис.3.5.).
Рис. 3.5.. а — схема эксперимента по измерению фотопроводимости
полупроводника: б — когда свет выключается, ток, протекающий через полупроводник
спадает до величины темнового тока i2
Раздел 4. ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ И
КРИСТАЛЛОВ С ЗАДАННОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ПРИМЕСИ
Тема 4.1. Выращивание кристалла из расплава
Это самый простой способ изготовления монокристалла. Химическими методами
материал очищают так, что концентрация примесей в нем составляет, скажем, несколько
десятитысячных долей процента, а затем расплавляют в тигле. Тигель медленно
охлаждают.
Поскольку острый его конец склонен охлаждаться несколько быстрее остального
объема, кристалл „зарождается" на дне, а затем прорастает через весь расплав. При
строгом контроле за условиями роста получается монокрпсталл. Обнаружено, что в нем
имеется определенный градиент концентрации примеси, причем самый чистый материал
получается на дне.
Рис.4.1. Форма тигля для выращивания монокристаллов из расплава.
1 – расплавленный полупроводник, 2- стенки печи
Чтобы понять причину этого явления, нам придется рассмотреть
металлургическую фазовую диаграмму для полупроводника и примеси. Возможно,
вам встречалась раньше фазовая диаграмма для меди и цинка с осью температуры в
качестве ординаты. На этой диаграмме концентрации изменяются от 100 % Cu и 0
% Zn до 0 % Cu и 100 % Zn соответственно (латунь оказывается посредине); нанесены
линии, изображающие границы твердой и жидкой фаз. Нам нет нужды рассматривать
столь же широкий диапазон сплавов, так как мы имеем дело микроскопической долей
примеси в кремнии. Нас интересует область, близкая к чистому кремнию, где есть
лишь границы жидкой и твердой фаз (рис.2.2). Разница температур между границами
фаз составляет всего лишь несколько градусов.
Рис. 4.2. Иллюстрация к изменению состава сплава при отвердевании.
1 — линия ликвидуса; 2 —линия солидуса.
Тема 4.2. Зонная очистка
Достаточно однородный кристалл, расплавляют часть его в некотором
поперечном сечении и добиваются того, чтобы расплавленная зона перемещалась
вдоль кристалла.
Рис.4.3. Зонная очистка.Расплавленная зона, двигаясь вдоль кристалла,
«смывает» примеси к дальнему концу. 1 — нагревающая катушка: 2 — стенка
печи; 3 — расплавленная зона; 4 — “лодочка”.
Этого можно достичь, поместив кристалл в огнеупорную лодочку и медленно
протягивая ее через печь (рис. 4.3.). В каждом сечении кристалла твердая фаза,
возникающая в задней части зоны, будет в 1/k раз чище, чем расплавленный материал.
За сравнительно небольшое число проходов удается переместить большую часть
примеси в небольшой объем на противоположном конце кристалла.
Эта довольно простая идея послужила основой успешного развития
полупроводниковой технологии. Как уже говорилось, концентрацию примеси
можно довести таким образом до 10 -8 %.
Ограничение обычно связано с тем, что кристалл в некоторой степени реагирует с
лодочкой, приобретая дополнительные примеси.
Тема 4.3. Зонная плавка
Проблема реакции кристалла с лодочкой неожиданно и довольно
решительно дала о себе знать, когда полупроводниковая промышленность стала
переходить от германия (температура плавления 937°С) к кремнию (температура
плавления 1958 °С). Трудности удалось преодолеть применяя метод зонной
плавки, который позволяет обойтись без лодочки. При этом кристалл зажат в
вращающемся патроне, находится в вертикальном положении.
Рис.4.4. Очистка плавающей зоной 1 — вращающийся патрон; 2 — плавающая зона;
3 — нагревающая катушка; 4—кварцевая оболочка, содержащая инертный газ; 5 —
кристалл
Кристалл окружен охлаждаемой кварцевой оболочкой, расположенной на
некотором расстоянии, так что находиться в атмосфере инертного газа. Снаружи
расположена одновитковая катушка, выполненная из медной трубки, охлаждаемой
водой.
Появление в 50-х годах транзистора было связано с освоением процессов
выращивания и очистки монокристаллов. Следующим этапом явилось развитие
планарной технологии, начавшееся в 60-х годах и приведшее к созданию интегральных
микросхем.
Слово "эпитаксиальный" греческого происхождения и означает "расположенный
на чем-либо". Существует несколько способов осуществления эпитаксиального роста
полупроводника. Пластину из монокристаллического кремния помещают в
трубчатую печь и нагревают до температуры около 1250  С. Через печь продувают
пары тетрахлорида кремния с водородом.
Кремний осаждается на подложке в виде монокристаллического слоя, который
повторяет кристаллическую структуру подложки. поскольку она не дает продуктов,
способствующих коррозии. Следя за чистотой химических реагентов, можно получить
чистый эпитаксиальный слой. Что еще более важно, таким способом можно
осуществлять преднамеренное легирование с целью получения полупроводника пили р-типа. Для этого водород, прежде чем он попадет в эпитаксиальную печь,
вдувают через слабый раствор, например, трихлорида фосфора или соответственно
трихлорида бора. Таким способом удается выращивать слои толщиной от 2 до 20
мкм с заранее известными размерами и сопротивлением; разброс параметров
партии к партии не хуже 5 %.
Используют также эпитаксию из жидкой фазы (LPE – liquid phase epitaxy) в
основном для получения слоев сложных полупроводников. При данном методе кристалл
подложки, прикреплённый к кварцевой пластине, окунают в расплавленный
полупроводник. Тщательный контроль скорости охлаждения подложки позволяет
вырастить на ней монокристаллический слой полупроводника.
Эпитаксия из жидкой фазы в последние годы стала основным способом
выращивания полупроводников для лазеров. Этот способ является простым и
достаточно быстрым; когда не было альтернативы, он героически справился с
проблемой нанесения одного на другой слоев полупроводника с различной шириной
запрещенной зоны. Но в действительности с его помощью нельзя получать слои с
резкими границами, необходимые в новейших приборах. Потребность в них вызвала
появление новых методов — молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE – molecular
beam epitaxy) и химического осаждения из паров металлоорганических соединений
(MOCVD – metal-organic chemical vapour deposition).
Тема 4.4. Эпитаксиальные метод : Молекулярно-лучевая эпитаксия
Данный метод наиболее универсальный. Каждый из материалов (это могут быть
различные полупроводники, из которых образуется нужное соединение, а также
легирующие присадки) помещают в свою собственную маленькую ячейку и нагревают
до температуры, обычно превышающей точку плавления; все это происходит в
сверхвысоком вакууме. Испаряемые с поверхности нагретого материала атомы готовы
устремиться к подложке, для чего они должны выбраться из своей ячейки (а для
этого должен быть открыт соответствующий затвор). Время, в течение которого
открыт каждый из затвор, а также температура печи определяют состав выращиваемого
материала. За процессом роста можно следить, измеряя поток электронов, рассеянных
поверхностью пленки.
Процесс этот довольно медленный (скорость роста составляет около 10 нм/мин), а
стоимость аппаратуры очень высока. Похоже, что по этим причинам данный метод
найдет применение только в исследовательских лабораториях.
Тема 4.5. Эпитаксиальные метод: Химическое осаждение из паров
металлоорганических соединений
Метод имеет больше шансов прижиться в промышленности. Как следует из
названия, в его основе лежит химический процесс. Необходимые элементы вводятся в
трубу, где происходит рост, в виде соединений, связанных с органическими
веществами.
Раздел 5. ЭЛЕКТРОННО – ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Тема 5.1. Возникновение электронно-дырочного перехода
В условиях равновесия при отсутствии внешнего источника электрического поля
появление диффузионного тока нарушает нейтральность областей полупроводника:
электроны, уходящие из n-области, оставляют в ней нескомпенсированный не подвижный
положительный заряд ионизированных доноров, а уход дырок из р-области вызывает
образование в ней отрицательного заряда ионизированных акцепторов. В результате в
переходном слое образуется электрическое поле, создающее дрейфовый ток обратного
направления. Очевидно, что при отсутствии внешнего поля между двумя областями
полупроводника должна установиться такая разность потенциалов, при которой
суммарный ток через переход равен нулю (контактная разность потенциалов).
В кремнии и германии величина k составляет порядка нескольких десятых долей
вольта.
Таким образом, в приграничной зоне создается собственное электрическое поле,
препятствующее переходу электронов из n-области в р-область и дырок в обратном
направлении.
Величина объемного заряда должна быть достаточной для создания вычисленного
значения контактной разности потенциалов. Толщина слоя заряда в каждой области
должна зависеть от плотности ионизированных доноров и акцепторов, т. е. от
концентрации носителей в обеих областях.
Тема 5.2. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода
В результате контакта двух областей полупроводника с разным типом проводимости
появляется слой объемного заряда, часто называемый обедненным слоем, так как в этом
слое концентрация носителей тока очень мала. Очевидно, что и проводимость этого слоя
должна быть существенно меньше проводимостей обеих областей полупроводника.
Если к такому переходу приложить внешнее напряжение, то оно распределится
между толщей полупроводника и обедненным слоем.
Если внешнее напряжение создает на переходе поле, направление которого обратно
направлению поля контактной разности потенциалов, то такое напряжение называется
прямым напряжением.
Уменьшение напряжения на переходе приводит к снижению величины дрейфового
тока, а диффузионный ток остается неизменным и большим дрейфового. Через переход
начинает протекать ток.
Он образуется дырками, проходящими через переход в n-область, и электронами,
проходящими в р-область. Возникает инжекция носителей, являющихся неосновными для
тех областей, в которые они инжектируются
Полный ток перехода равен сумме дырочного и электронного тока и определяется
выражением
I пр
 eU

 I нас  e kT  1


где Iнас — ток насыщения, определяемый свойствами полупроводника и
концентрацией носителей в нем.
Доля дырочного (или электронного) тока в общем токе через переход, определяется
коэффициентом инжещии:
 
Ip
I пр
Если к р-n-переходу приложено обратное напряжение, то разность потенциалов
между р и n-областями полупроводника возрастает     k  U , а область объемного
заряда (обедненный слой) расширяется.
При низкой температуре (порядка 300° К) концентрация неосновных носителей у
примесных полупроводников очень мала — она имеет величину порядка 105—1010 1/см3.
=> ток насыщения будет существенно меньше прямого тока. => при нормальных
значениях температуры переход обладает вентильными свойствами.
При дальнейшем увеличении обратного напряжения может возникнуть быстрый рост
обратного тока - пробой p-n перехода.
Различают:
Тепловой пробой
Электрический
Туннельный пробой
Раздел 6. ДИОДЫ
Тема 6.1. Плоскостные и точечные выпрямительные диоды (вентили)
Полупроводниковые выпрямительные диоды являются приборами с односторонней
проводимостью, обусловленной созданием в них р-n-перехода. Изготовляются
выпрямительные диоды главным образом из германия и кремния.
Обратные ветви характеристик различаются большей величиной обратного тока
реального диода, так как кроме теплового тока через обратно смещенный р-n-переход по
поверхности перехода протекает также ток утечки, возрастающий по мере роста
обратного напряжения. Кроме того, в реальных диодах увеличение обратного напряжения
может происходить только до значении, меньших пробивного напряжения р-n-нерехода (в
справочных данных приводят допустимые обратные напряжения диода)
Максимальное обратное напряжение германиевых диодов имеет величину до 600 В.
Кремниевые диоды выдерживают значительно большие обратные напряжения (до 1200
В), что объясняется большей шириной запрещенной зоны у кремния. Обратные токи кремниевых диодов на два, три порядка меньше германиевых.
Параметры диодов сильно зависят от температуры окружающей среды. Наиболее
подвержен влиянию температуры обратный ток (ток насыщения) диодов.
Приблизительно можно считать, что с изменением температуры на 10° обратный ток
германиевых диодов удваивается. В кремниевых диодах удвоение тока наступает при
изменении температуры на 7—8°
Плоскостные диоды малой и средней мощности выполняются обычно со сплавным
p-n переходом.
Сплавной р-n-переход в германиевых диодах получается путем вплавления таблетки
индия в кристалл германия n-типа.
При этом расплавленный индий частично диффундирует в германий, придавая
близлежащей области кристалла германия дырочную проводимость.
Кремниевые плоскостные диоды получаются путем вплавления алюминия в
кристалл кремния.
Мощные диоды выполняют с охлаждающими радиаторами во избежание перегрева
при работе.
В точечных диодах выпрямляющий р-n-переход образуется между металлическим
острием контактной пружины (диаметром 10--20 мкм) и кристаллом полупроводника
обычно n-типа. Переход создается за счет пропускания коротких и мощных импульсов
прямого тока через диод. => острие контактной пружины сплавляется с кристаллом, и
вблизи места сплавления за счет диффузии расплавленного металла острия в кристалл
получается область полупроводника типа р. Точечные диоды вследствие малой площади
р-n-перехода выпускаются на малые токи (до 30 мА) и невысокие обратные напряжения
(до 100 В).
Важным параметром выпрямительных диодов является диапазон рабочих частот.
Обычно плоскостные диоды работают на частотах до 10 кГц. Это связано с большой
емкостью p-n-перехода при обратном смещении (204-50 пкФ), определяемой площадью рп-перехода. При увеличении частоты свыше 10 кГц потери в диоде резко увеличиваются,
диод разогревается и может выйти из строя.
Точечные диоды вследствие малой емкости (малой площади) у p-n-перехода (порядка 0,5-7-1 пФ) являются высокочастотными приборами и могут быть использованы
для выпрямления токов в широком диапазоне частот (до сотен МГц).
диоды шунтируют резисторами.
Величину сопротивлений этих резисторов берут обычно на порядок меньше
обратного сопротивления вентилей.
В схемах на большие токи диоды соединяются параллельно.
Тема 6.2. Импульсные диоды
Используются в качестве переключающих элементов в схемах, работающих с
импульсами малой длительности. При таких коротких импульсах необходимо учитывать
переходные процессы при включении и выключении диода.
При включении напряжения, приложенного к диоду в прямом направлении, прямое
падение на диоде устанавливается не сразу и имеет сначала большую величину, а затем,
снижаясь, достигает установившегося значения.
Тема 6.3. Опорные диоды (кремниевые стабилитроны)
Cлужат для стабилизации постоянного напряжения и представляют собой
кремниевые плоскостные диоды, работающие на участке электрического пробоя вольтамперной характеристики .
При этом в определенном диапазоне токов, зависящем от типа диода, напряжение на
нем практически остается постоянным. В качестве материала для диода выбирают
кремний, так как его проводимость при комнатной температуре много ниже, чем у
германия и, следовательно, ток насыщения Iнас меньше. При пробое из-за малого тока
насыщения не происходит саморазогрева диода и электрический пробой не переходит в
тепловой.
Тема 6.4. Туннельные диоды
Туннельные диоды — это полупроводниковые диоды, использующие туннельный
эффект для переноса носителей тока через потенциальный барьер р-n-перехода в месте
контакта полупроводника р- и n-типов.
Этот диод отличается от других диодов с р-п-переходами высокой концентрацией
примесей, благодаря чему обедненный слой у него становится очень тонким.
При прямом смещении. Картина здесь в сущности та же, что и ранее, однако электроны туннелируют справа налево. Если увеличивать приложенное напряжение, то одновременно с этим будет расти число доступных состояний на p-стороне перехода, а это в
свою очередь ведет к росту тока. Максимум тока получается в том случае, когда электроны с n-стороны достигают всех вакантных состояний на p-стороне, т. е. если уровень
Ферми на n-стороне совпадает с краем валентной зоны на p-стороне.
Раздел 7. БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР
Тема 7.1. Устройство транзистора
Плоскостной полупроводниковый триод — транзистор, представляет собой систему
двух электронно-дырочных переходов.
В транзисторе n-р-n-типа средняя область имеет дырочную, крайние области —
электронную проводимость. В транзисторе р-n-р-типа чередование слоев с электронной и
дырочной проводимостями меняется на противоположное.
Левая область транзистора называется эмиттером, средняя, очень тонкая — базой,
правая — коллектором.
Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой - эмиттерный, между базой
и коллектором — коллекторный.
Тема 7.2. Включение транзистора
При нормальном включении транзистора его эмиттерный переход смещен в прямом
направлении, а коллекторный — в обратном за счет включения источников напряжения Еэ
и Ек. Величина Еэ сравнима с величиной потенциального барьера р-n-перехода и
составляет доли вольта. Величина Ек ограничивается напряжением пробоя коллекторного
перехода и много больше Еэ.
Прямо смещенный эмиттерный переход инжектирует носители заряда (дырки) из
эмиттера в базу. Одновременно происходит встречная инжекция электронов из базы в
эмиттер. Отношение дырочного тока через эмиттерный переход Iэр к общему току
эмиттерного перехода Iэ определяет коэффициент инжекции у.
Отношение коллекторного тока к эмиттерному называется
коэффициентом
передачи тока транзистора :
Если в цепь между базой и эмиттером ввести переменное напряжение UЭ небольшой
величины то количество инжектированных дырок, т. е. ток IЭ будет меняться вследствие
изменения высоты потенциального барьера (рис. 5.2, б). С изменением эмиттерного тока
IЭ коллекторный ток IК изменяется приблизительно в тех же пределах.
Так как сопротивление коллекторной цепи велико (коллекторный переход смещен в
обратном направлении) и E K  E Э то на резисторе RK включенном в коллекторную
цепь, при протекании изменяющегося и значительного по величине тока Iк можно получить изменение напряжения, значительно превышающее UЭ, т. е. усиление по напряжению
и мощности.
Тема 7.3. Способы включения и характеристики транзистора
Существует три способа включения транзистора: схема с общей базой, схема с
общим эмиттером и схема в общим коллектором.
В схеме с общей базой (ОБ) общей точкой для входной и выходной цепей является
база. Работа этой схемы включения рассмотрена ранее.
Входным током в схеме с ОБ является ток эмиттера IЭ, выходным — ток коллектора
I К.
В схеме с общим эмиттером (ОЭ) общей точкой для входной и выходной цепей
является эмиттер. Коэффициент усиления (передачи) тока в схеме с ОЭ определяется
отношением выходного — коллекторного тока к входному — базовому току:

Ik
IБ
В схеме с общим коллектором (ОК)
входной цепью является цепь базы, а
выходной—цепь эмиттера (см. рис.3.3., в). Коэффициент передачи тока в этой схеме
IЭ
IЭ
1


  1
IБ IЭ  IК 1
т. е. он несколько выше, чем в схеме ОЭ.
Транзистор в каждой схеме включения характеризуется четырьмя семействами
статических характеристик:
1) I K  f U k I вх const — выходные (или коллекторные) характеристики;
2) U ВХ  f I вх U K const - входные характеристики;
3)
I К  f I вх U K const —характеристики прямой передачи по току;
4) U ВХ  f U K Iвх const — характеристики обратной связи по напряжению.
Раздел 8. ПЕРЕХОДЫ
Тема 8.1. Переходы металл-полупроводник
Переходы между металлами и полупроводниками использовались в радиотехнике
за много лет до того, как была выяснена разница между р- и n-полупроводниками.
Оказывается, что свойства перехода между полупроводник а м и р а з н ы х
т и п о в п р о в о д и м о с т и отличаются от свойств перехода между полупроводником
и металлом, работа выхода которого не равна работе выхода полупроводника.
Если вещества соприкасаются друг с другом, то в области контакта уровни Ферми
будут одинаковы. Картина распределения уровней в металле останется прежней, так
как никакого "изгиба энергетических зон" в металле не происходит (в металле
нескомпенсированные заряды могут существовать только на поверхности).
Падение потенциала будет иметь место на участке, занятом полупроводником;
(число носителей в полупроводнике существенно меньше, чем в металле). Края зоны
проводимости и валентной зоны должны быть продолжены параллельно вакуумному
уровню.
Как только металл и полупроводник начинают соприкасаться, электроны из зоны
проводимости устремляются в металл, понижая тем самым свою энергию.
Следовательно, в окрестности перехода возникает некоторая область, практически
свободная от подвижных зарядов. Поэтому мы вновь можем говорить об обедненном
слое и связанном с ним изменении потенциала.
При равновесии число электронов, переходящих через барьер из металла в
полупроводник,
равно
числу
носителей,
перемещающихся
со
стороны
полупроводника. Можно говорить, что ток течет в обоих направлениях.
Приложим к переходу некоторое напряжение; в зависимости от его полярности
потенциальная энергия электронов на полупроводниковой стороне перехода либо
возрастет, либо уменьшится. Рост энергии будет происходить при прямом смещении;
это ведет к тому, что на рисунке края энергетических зон должны быть приподняты
кверху. Однако на самом переходе положение вакуумного уровня неизменно.
Поэтому рост высоты краев зон означает уменьшение кривизны в окрестности
перехода и сокращение высоты потенциального барьера
В данном случае все электроны с энергиями выше  M -  s – eU 1 могут попасть в
металл. По аналогии с р — n -переходом отсюда следует, что число носителей,
способных перейти из полупроводника в металл, растет.
Рассмотрим теперь случай, когда значения работы выхода металла ниже, чем
полупроводника n-типа.
Здесь электроны для достижения равновесия должны переместиться из металла в
полупроводник, создавая в полупроводнике некоторую область накопления
зарядов. С какой бы стороны ни рассматривать такой переход, в нем не удастся
обнаружить никакого потенциального барьера. Вследствие этого ток через переход не
зависит существенно от приложенного напряжения и поэтому такой переход не обладает
выпрямляющими свойствами.
Тема 8.2. Переход металл-диэлектрик-полупроводник
Если слой диэлектрика достаточно толст для того, чтобы туннелирования не
ПРОИСХОДИЛО (именно так выполняют большинство приборов, используемых на практике),
то металл и полупроводник никак не “чувствуют" друг друга.
Пусть теперь к металлу приложено некоторое положительное напряжение.
Будет ли в цепи протекать ток? Никакого тока через диэлектрик быть не может. Тем
не менее электроны отреагируют на возникшее электрическое поле, переместившись по
направлению к диэлектрику. В результате этого единственно возможного движения
электроны будут скапливаться на границе раздела с диэлектриком.
Теперь приложим к металлу некоторое отрицательное, напряжение. При этом
электроны выталкиваются, что приводит к возникновению обедненной области.
Итак, в соответствии с этой моделью дырки могут стать основными носителями в
области, прилегающей к поверхности полупроводника n-типа. Дырки должны откуда-то
появиться!
Единственным известным процессом, ведущим к возникновению дырок в
полупроводнике n-типа, является процесс тепловой генерации электронно-дырочных пар.
Но разве скорости генерации и рекомбинации не равны друг другу? Не получится ли
так, что появляющиеся дырки будут немедленно исчезать за счет рекомбинации? В
условиях теплового равновесия это действительно так, однако наш переход совсем не
обязательно находится в таком равновесии.
Раздел 9. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевым (англ. Field Effected Transistor, FET) транзистором называется транзистор с
управляемым каналом для тока, создаваемого носителями заряда одного знака
(электронами или дырками), вследствие чего эти транзисторы часто называют также
униполярными (унитронами).
Тема 9.1. Полевые транзисторы с затвором в виде р-n-перехода
Полевой транзистор с затвором в виде р-n-перехода является трехэлектродным
прибором.
Устройство и условное обозначение показаны на рис. 8.1 а и б. Обозначение
электродов:
исток И (Source, S)— электрод, через который носители тока втекают в прибор;
сток С (Drain, D)— электрод, принимающий носители тока.
К затвору З (Gate, G) прикладывается управляющее напряжение.
С двух широких сторон этой пластины созданы р-области с более высокой
концентрацией примеси, чем у основного полупроводника, к которым подводится вывод
затвора. С двух других сторон пластины созданы контакты истока И и стока С.
При включении прибора в схему на сток подается положительный потенциал
относительно истока.
Рассмотрим работу прибора при напряжении на истоке и стоке, равном нулю, когда
на вывод затвора относительно истока подано отрицательное напряжение (т. е. «—» на робласть, на затвор, « + » на n-область, на объединенные исток и сток). Подача напряжения
данной полярности смещает p-n-переход затвора в обратном направлении.
Вблизи контакта областей п- и p - типов создается область, обедненная носителями
тока. Так как концентрация примесей в пластине (в n-области) много меньше, чем в pобластях, то ширина обедненной носителями тока зоны (ширина запорного слоя) в
пластине много больше, чем в n-областях.
При увеличении напряжения на затворе происходит рост обедненного слоя,
проводящий канал между истоком и стоком сужается и сопротивление прибора
возрастает. При некотором напряжении на затворе относительно истока UЗИ=UЗО
обедненные слои смыкаются и сопротивление прибора между истоком и стоком
становится бесконечно большим. Это напряжение UЗО называется напряжением отсечки.
Если напряжение на затворе равно нулю и затвор объединен с истоком, а на сток
подано напряжение UCИ >0, то через прибор будет протекать ток, а на затворе снова
окажется отрицательное напряжение относительно основной пластины полупроводника.
При этом вблизи стока (стоковый вывод) отрицательное напряжение на затворе
равно напряжению на стоке, а вблизи истока напряжение на затворе равно нулю. В этом
случае ширина обедненной области больше у стокового вывода. С ростом напряжения на
стоке растет ток через прибор и напряжение на затворе.
В общем случае, когда к прибору приложены напряжения стока UСИ и затвора UЗИ то
их действие суммируется, следовательно
На вольт-амперных характеристиках можно выделить три участка:
1 — омический участок.
2 — участок насыщения.
3 — участок пробоя.
Наиболее часто используемый
рабочий участок характеристик полевого
транзистора — участок насыщения.
Кроме рассмотренных стоковых характеристик, часто пользуются стоко-затворными
характеристиками полевого транзистора.
Основные параметры полевых транзисторов с затвором в виде p-n-перехода
следующие.
1. Максимальный ток стока Iст_max .
2. Напряжение отсечки изо, равное напряжению на затворе при токе стока, равном
нулю и UСИ=0.
3. Крутизна, стоко-затворной характеристики Smax, определяемая при UЗИ= 0
4. Дифференциальное сопротивление канала между истоком и стоком на участке
насыщения, называемое сопротивлением стока rc  dU СИ .
dI c
5. Емкость p-n-перехода между затвором и каналом. Эту распределенную емкость
для упрощения расчетов обычно заменяют двумя сосредоточенными емкостями:
емкостью затвор — исток Сзи и емкостью затвор — сток Сзс.
Тема 9.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)
с встроенным каналом
Принцип работы полевых транзисторов с изолированным затвором (МДПтранзисторов название транзисторов обусловлено их структурой: металл — диэлектрикполупроводник) основан на эффекте изменения проводимости поверхностного слоя
полупроводника под воздействием поперечного электрического поля. МДП-транзисторы
управляются напряжением и имеют чрезвычайно высокое входное сопротивление по
постоянному току (1012-М014 Ом).
В пластине полупроводника (обычно кремния) p-типа путем диффузии создан слой с
n-проводимостью, являющийся проводящим каналом. Управляющее напряжение подано
на металлический электрод — затвор, изолированный от пластины полупроводника
тонким слоем изолятора.
Невыпрямляющие контакты истока 3 и стока 4 подведены к сильно легированным nобластям полупроводника на краях проводящего канала, одна из которых является
истоком, другая — стоком. При подаче напряжения на сток относительно истока UСИ и
замыканий электрической цепи между истоком И и стоком С течет ток, величина которого
зависит от проводимости канала.
Тема 9.3. МДП-транзистор с индуцированным каналом
В этих транзисторах канал не создается предварительно. Образование канала в
приборах, использующих пластины кремния p-типа, происходит при подаче на затвор
положительного напряжения определенной величины, называемого пороговым. Тогда в
результате вытеснения подвижных дырок и подтягивания свободных электронов из
пластины полупроводника p-типа происходит образование тонкого инверсного слоя nпроводимости вблизи затвора, соединяющего области стока и истока (области n-типа с
высокой концентрацией примесей).
При изменении напряжения на стоке и затворе ток канала изменяется. С ростом тока
растет омическое падение напряжения на сопротивлении канала. Полярность этого
напряжения такова, что оно противодействует полю затвора. Когда поле уменьшится да
такой величины, что инверсный слой уже не возникает, канал переходит в состояние
насыщения, и ток стока I0 перестает зависеть от UСИ.
Эквивалентная схема МДП-транзистора аналогична схеме транзистора с затвором в
виде p-n-перехода.
Наиболее широко распространены МДП-транзисторы с индуцированным каналом,
так как эти приборы при отсутствии сигнала на входе (UЗИ=0) находятся в закрытом
состоянии и не потребляют мощности от источника питания (в отличие от МДПтранзисторов со встроенным каналом).
МДП-транзисторы в связи с высокой технологичностью их изготовления широко
применяются в микроэлектронике. КМОП-логика на их базе (комплементарной МОПлогике), которая прославилась из-за малого потребления мощности. Рассмотрим схему
простейшего КМОП-инвертора. Здесь верхний прибор VT1 представляет собой рканальный МОП-транзистор, в то время как нижний прибор VТ2 является nканальным транзистором. Стоки и затворы обоих транзисторов соединены; исток
каждого прибора соединен с подложкой. Пусть вначале входное напряжение и вх
близко к нулю.
Для того чтобы привести транзистор VТ2 в состояние „включено", требуется
подать положительное напряжение U GS. Если такое напряжение отсутствует,
транзистор VТ2 находится в состоянии „выключено".
Чтобы этот прибор оказался в положении „включено", нужно приложить
отрицательное напряжение U GS Но именно это как раз и происходит. Исток
находится под высоким потенциалом (скажем, U0 =5 В), а затвор — практически под
нулевым потенциалом. Следовательно, транзистор VТ1 открыт, падение потенциала на
этом приборе невелико и выходное напряжение U вых примерно равно U0. Если
напряжение U вх равно U0, то транзистор VT1 заперт, а транзистор VТ2 открыт.
В результате напряжение на выходе близко к нулю. При напряжении U0, равном 5
В, рассеиваемая мощность составляет 0,25 мкВт. Конечно, существует еще небольшой
ток в цепи затворов, но и с учетом этого фактора рассеиваемая мощность не превосходит
1 мкВт , т. е. на несколько порядков меньше, чем у других полупроводниковых
устройств, применяемых для этих же целей. По этой причине логические схемы типа
КМОП целесообразно применять в разнообразных устройствах с батарейным
питанием. В частности, именно появление этих схем сделало возможным выпуск электронных часов.
Тема 9.4. Приборы с зарядовой связью
Приборы с зарядовой связью (сокращенно ПЗС) внешне очень схожи с МОПтранзисторами. Основой прибора с зарядовой связью является МОП-переход
работающий в режиме глубокого обеднения. Имеется некоторая потенциальная яма
для дырок, однако из-за большой постоянной времени процесса генерациирекомбинации в чистом материале эта яма заполнена дырками. Вся хитрость
описываемого прибора в том, что здесь дырки вводятся извне; кроме того,
прикладывая нужные напряжения к системе подходящим образом размещенных
электродов, можно добиться того, что заряд будет перемещаться вдоль поверхности
диэлектрика.
Рассмотрим вначале случай системы из трех электродов. Здесь, как и ранее,
имеется полупроводник n-типа, на поверхности которого выращен оксидный слой.
Сверху этого слоя нанесены металлические электроды, изолированные друг от друга.
Каждый такой электрод можно рассматривать как составную часть системы
металл—диэлектрик — полупроводник, на которую подается независимое
смещение.
Пусть некоторое количество дырок находится под под электродом 1. Они
должны каким-то образом появиться, например, за счет инжекции из р — n -перехода,
смещённого в прямом направлении. Задача состоит в том, чтобы пермещать этот
положительный заряд от одного электрода к другому.
В момент времени t=t1 дырки находятся в потенциальной яме. При t=t2
напряжение —А
оказывается
приложенным
к электроду 2;
Дырки еще
располагаются под электродом 1, как вдруг внезапно ширина потенцальной ямы
удваивается. Поскольку дырки стремятся равномерно заполнить все доступное им
пространство, некоторые из них будут диффундировать в сторону электрода 2.
В то же самое время напряжение U1 медленно возвращается к нулевому уровню,
слегка подталкивая дырки, так что к моменту времени t3 потенциальная яма целиком
размещается под электродом 2. Таким образом выполняется перенос заряда от электрода 1
к электроду 2.
Если нам удалось переместить заряд от электрода 1 к электроду 2, то область
пространства под электродом 1 вновь готова принять новый пакет заряда. Как создать
благоприятные условия для того, чтобы удержать этот новый пакет под электродом 1.
Требуется снизить напряжение U1 . Но если мы уменьшим значение U1 до уровня —A,
то что же будет препятствовать стремлению заряда, находящегося под электродом 2
скатиться назад? Ничто. Поэтому вводить новый заряд еще рано. Нужно скачала
передвинуть наш первоначальный пакет дырок подальше от электрода 1. Поэтому наш
следующий ход состоит в том, чтобы при t=t4 сделать напряжение U3 равным —А и
повысить напряжение U2 ДО нуля в момента t4 до момента t5.
Цикл работы заканчивается в момент времени t6 . Теперь мы можем без всяких
опасений снизить напряжение U1 и принимать новый пакет заряда в область под
электродом 1.
На практике, изготавливают некоторую решетку, в которой каждый третий
электрод соединен с остальными. При t=t6, когда напряжение U1 снижается,
„дный пакет заряда- начинает перемещаться
к следующему электроду;
одновременно с этим в первый электрод вводят новый пакет заряда. Если решетка
состоит из 3000 электродов, в таком приборе можно одновременно накапливать
1000 пакетов заряда.
Рис.9.3. Решетка электродов в ПЗС.
Количество электродов в цепочке зависит от количества заряда, теряемого при
каждой передаче. Данная величина, по сути дела, определяет быстродействие
прибора. Если мы попытаемся передавать заряд слишком быстро, часть его будет
„залипать" и поэтому информация будет постепенно искажаться. При этом вновь
мешающим фактором выступают поверхностные состояния. Они случайным образом
захватывают носителей заряда и вновь их отпускают, что
Существует предельное значение накопленного заряда,
Существует также минимально допустимая рабочая частота переноса зарядов,
Имеется также минимально допустимый геометрический размер отдельной
ячейки, Применеие ПЗС - Обработка оптических изображений
Данный процесс имеет две ступени: сначала идет „период интегрирования", в
течение которого напряжение U1 становится
отрицательным и дырки собираются в
области минимума потенциала. Затем следует период „считывания", в течение которого
происходит съем информации. Свет может падать на прибор и в течение времени
считывания, однако длительность этого периода намного короче, нежели длительность
периода интегрирования, поэтому возникающие искажения видеосигнала пренебрежимо
малы.
Тема 9.5. Динисторы и тиристоры (управляемые выпрямители)
На концах располагаются омические контак-а между ними — три перехода
(рис.10.1.). Предположим, что переходы 1 и 3 внешним источником смещены в прямом
направлении, то переход 2 оказывается смещенным в обратном направлении.
При увеличении напряжения источника ток в цепи ограничивается за счет действия
перехода 2. Это продолжается до тех пор, пока в этом переходе не произойдет
обратный лавинный пробой. При этом сопротивление перехода очень быстро
уменьшается.
Характеристика имеет начало в точке пробоя Uвкл . сих пор речь шла о
работе прибора в режиме самовключения:
при
некотором
значении
приложенного
напряжения сопротивление перехода уменьшается от нескольких
мегом до единиц ом.
Полезным добавлением служит контакт, через который в n-область между
переходами 1 и 2 можно инжектировать дырки, подавая положительное управляющее
напряжение. Ток Iупр определяет значение напряжения Uвкл, при котором прибор
оказывается в положении ,,включено", за счет инжекции избыточных не основных
носителей в область перехода 2.
Четырехсложную структуру р1-п1-р2-пг можно рассматривать как два транзистора
ТИПОВ р1 – n1- р2 и n1 – p2- n2 c объединёнными коллекторными переходами.
Если на прибор с такой структурой подать небольшое напряжение, полярностью
«плюс» на крайний р1 -слой, то переходы f1 и f3 окажутся смещенными в прямом
направлении и будут действовать подобно эмиттерам транзисторов.
Переход f2 смещается в обратном направлении и является коллекторным переходом
для обоих транзисторов. Так как падение напряжения на открытых эмиттерных переходах
незначительно, почти все внешнее напряжение будет приложено к переходу f2. Через
коллекторный переход f2 протекает ток, определяемый суммой токов обоих транзисторов
и обратным током Iко перехода f2 . Для транзистора типа р1 – n1- р2 ток через переход f2,
определяемый количеством дырок, инжектированных эмиттером p1 и прошедших через
базу п1, равен I э1 где  — коэффициент передачи тока эмиттера, I э1 — эмиттерный ток
транзистора типа р1 – n1- р2.
Аналогично для транзистора n1 – p2- n2 ток через переход f2 создается электронами
области п2 и равен
Когда сумма  1   2  1 , ток I растет и величина его ограничивается только
сопротивлением внешней цепи. При этом падение напряжения на структуре очень мало
(~1 В). Этот режим соответствует включенному (открытому) состоянию прибора.
Физически уменьшение сопротивления прибора во включенном состоянии
объясняется тем, что две внутренние области его насыщаются носителями тока (область
п1 — электронами, пришедшими из области n2, и область р2 — дырками, пришедшими из
области р1, вследствие чего все три перехода оказываются смещенными в прямом
направлении.
Увеличить коэффициент 1   2  для перевода структуры во включенное состояние
можно двумя способами:
1) приложенное напряжение увеличивается до значений, при которых развивается
пробой коллекторного перехода f2 и происходит лавинное размножение носителей тока за
счет ионизации атомов кремния быстрыми электронами; этот способ применяется в
неуправляемых переключающих приборах — динисторах;
2)
вводится управляющий электрод, присоединенный к р2-слою; этот способ
применяется в управляемых приборах —тиристорах.
При подаче положительного напряжения на управляющий электрод потенциальный
барьер перехода f3 снижается и ток, протекающий через эмиттерный переход транзистора
п1-p2-n2, увеличивается. Это снижает напряжение, при котором происходит лавинное
размножение носителей, т. е. напряжение включения тиристора.
Участок ОА прямой ветви характеристики соответствует выключенному состоянию
тиристора. Вблизи точки А ток тиристора быстро нарастает при небольшом увеличении
напряжения. Напряжение, соответствующее точке А характеристики, называется
напряжением включения Uвкл.
При дальнейшем росте тока напряжение на тиристоре снижается, что соответствует
отрицательному сопротивлению тиристора, и последний переходит в открытое состояние
(участок БВ). В открытом состоянии напряжение на тиристоре UОТК незначительно (1—2
В). Напряжение включения меняется в зависимости от величины тока Iуэ управляющего
электрода.
При подаче на тиристор напряжения обратной полярности ток тиристора остается
незначительным до напряжений, меньших Uобр max .
Область между крайними характеристиками показывает возможные изменения
управляющего тока и напряжения, при которых происходит включение тиристора
для различных температур (от—65 до +125°С).
Вследствие разброса управляющего тока в схемах, где требуется точное
фиксирование момента включения, желательно управлять импульсами напряжения с
крутым передним фронтом.
Во избежание повреждения тиристора напряжение и ток управления не должны
превышать предельно допустимых значений.
Тиристоры выпускаются на широкий диапазон токов (от единиц мА до сотен А)
и напряжений (от десятков В до тысяч В).
Маломощные тиристоры применяются в релейных системах и коммутационных
устройствах, мощные — в преобразовательных установках (приводы подач
металлорежущих станков).
Для увеличения рассеиваемой мощности тиристоры при воздушном охлаждении
снабжаются радиатором, а при водяном — приваренной к корпусу металлической
рубашкой.
Мощные тиристоры выпускаются сериями. В нее входит несколько типов
приборов на различные токи нагрузки. Так, например, серия с воздушным
охлаждением включает тиристоры на 50, 100 и 150 А.
Раздел 10 ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
Тема 10.1. Фоторезисторы
Полупроводниковые приборы, использующие свойства полупроводников
изменять свою проводимость под действием света, называются фоторезисторами.
Увеличение проводимости при освещении объясняется тем, что электроны
валентной зоны и донорных уровней атомов примесей, поглощая кванты света,
увеличивают свою энергию и переходят в зону возбуждения, где они могут принимать
участие в переносе тока. При этом в валентной зоне возникают дырки, также принимающие участие в переносе тока. Это так называемый внутренний фотоэффект,
свойственный большому числу полупроводниковых материалов.
В случае приложения внешнего напряжения (постоянного или переменного) через
фоторезистор потечет ток, величина которого зависит от освещенности. После
прекращения освещения электроны и дырки рекомбинируют в течение некоторого
времени и восстанавливают прежнюю проводимость полупроводника.
Основные типы фоторезисторов:
сернистосвинцовые (ФСБ),
германиевые (ФСГ)
сернистокадмиевые (ФСК).
Вольт-амперные характеристики фоторезисторов линейны. Световая характеристика
(рис.6.1.б) фоторезисторов сохраняет линейность только при незначительных световых
потоках. При больших световых потоках характеристика отклоняется к оси абсцисс.
Спектральные характеристики фоторезисторов 1 — сернисто-свинцовых, 2 —
германиевых показывают, что фоторезисторы могут применяться как в видимой, так и в
инфракрасной части спектра. Наибольшей чувствительностью в области инфракрасных
(тепловых) излучений - сернистосвинцовые фоторезисторы.
Основные параметры фоторезисторов:
-темновое сопротивление (сопротивление при отсутствии освещенности),
-удельная чувствительность (величина фототока, приходящегося на единицу
светового потока, отнесенная к номинальному напряжению).
Недостатки: сравнительно большой темновой ток, изменение свойств с изменением
температуры и времени (старение и утомление). Кроме того, фоторезисторам свойственна
заметная инерционность процессов, характеризуемая зависимостью чувствительности от
частоты модуляции светового потока.
Конструктивно фоторезисторы - в виде тонкого слоя полупроводника, нанесенного
на изолирующую пластинку (рис.11.2. а). Электроды 1, подводящие внешнее напряжение,
для увеличения площади соприкосновения с полупроводником 2, выполняются в виде
гребенок или напыленного слоя металла. Пластина 3 с фоточувствительным слоем
покрывается защитной пленкой и монтируется в пластмассовом корпусе с окном для
пропускания света.
Тема 10.2. Фотодиоды и фототранзисторы
Фотодиод, не отличающийся по своей структуре от полупроводникового диода,
изготовляется обычно из германия или кремния и помещается в корпус, с окном,
прозрачным для соответствующей спектральной области принимаемого излучения. В
области р-n-перехода фотодиода при его облучении возникает внутренний фотоэффект.
Фотодиод может включаться в схему с внешним источником питания (фотодиодный
режим) и без него (вентильный режим).
В фотодиодном режиме на р-n-переход диода подается запирающее напряжение,
суммирующееся с полем перехода. При отсутствии освещенности через р-n переход
фотодиода течет так называемый темновой ток, равный току Iнас полупроводникового
диода,
создаваемому неосновными носителями
зарядов
р и n-областей. При
освещении перехода в р и n-областях за счет поглощения квантов света генерируются
электроны и дырки. При генерации пары электрон — дырка вблизи перехода в n-области,
поле перехода является ускоряющим для возникающих дырок, и дырочный ток через
переход увеличивается.
Возникающие в n-области электроны отталкиваются во
внешнюю цепь. Носители заряда, генерируемые вблизи перехода в р-области, также
«сортируются»
полем перехода, а именно:
электроны увлекаются полем перехода и переходят в n-область, а дырки
отталкиваются во внешнюю цепь. В результате ток через переход, равный сумме
электронного и дырочного токов, увеличивается. Это так называемый фототок, величина
которого пропорциональна освещенности фотодиода.
Недостатком германиевых фотодиодов является больший чем у кремниевых
темновой ток, величина которого сильно зависит от температуры. Спектральные
характеристики фотодиодов и фотосопротивлений, выполненных из аналогичных
материалов, одинаковы. Спектральная характеристика германиевого фотодиода приведена
на рис. 12.2, б.
Интегральная чувствительность определяется отношением тока фотодиода к
световому потоку K инт  I Ф .
Ф
В вентильном режиме фотодиод преобразует световую энергию в
электрическую, генерируя фото-э.д.с. под действием света. Такой источник э.д.с.
часто называют вентильным фотоэлементом.
При работе в вентильном режиме перемещение носителей заряда, возникающих под
воздействием квантов света, происходит за счет поля фк потенциального барьера р-nперехода. Электроны р-области дрейфуют в n-область, а дырки остаются в р-области.
Аналогичный процесс происходит с носителями заряда в n-области, в результате чего эта
область заряжается отрицательно, а р-область — положительно.
Накапливающиеся основные носители в р и n - областях полупроводника снижают
высоту потенциального барьера р-n-перехода.
При разомкнутой внешней цепи
диффузионный ток уравновешивает фототок. Следовательно, справедливо равенство:
 U В_ ХХ

IФ  I нас  e T  1




где UВ_ХХ — фото-э. д. с. на зажимах фотодиода в вентильном режиме при холостом
ходе.
При любой нагрузке ток Iнас равен разности фототока, возбуждаемого световым
потоком, и диффузионного тока основных носителей (кривые при Ф1 и Ф2 –рис.12.3.б).
Чем меньше Rн, тем меньше встречный диффузионный ток через р-n-переход фотодиода,
тем больше ток нагрузки.
При Rн=0, т. е. при коротком замыкании фотодиода, внешний ток нагрузки равен
фототоку. Встречный диффузионный ток снижается при этом до нуля. Световая
характеристика IН=f(Ф) вентильного фотоэлемента при Rн=0 линейна.
При Rн  0 световые характеристики отклоняются к оси абсцисс, так как с ростом
светового потока увеличивается встречный диффузионный ток через р-n-переход
фотодиода и уменьшается ток нагрузки. Для увеличения линейности световой
характеристики фотодиоды в вентильном режиме целесообразно использовать в цепях с
малыми Rн.
Максимальный к.п.д. преобразования световой энергии в электрическую,
достигаемый при некотором оптимальном токе нагрузки, составляет <10%.
Фототранзисторы выполняют роль фотодиода и усилителя фототока.
Конструктивно и по принципу действия фототранзистор аналогичен плоскостному
биполярному транзистору.
При отсутствии освещения в цепи фототранзистора протекает небольшой темновой
ток, аналогичный сквозному току в транзисторе, включенном по схеме ОЭ. При
освещении светочувствительной поверхности фототранзистора кванты света, проникшие
в глубь полупроводника, создают в базе, вблизи от р-n-переходов, электроны и дырки.
Дырки диффундируют к коллекторному переходу и под действием его поля втягиваются в
область коллектора. Электроны остаются в области базы. Отрицательный объемный заряд электронов, скапливающихся в области базы, снижает потенциальный барьер
змиттерного перехода, что увеличивает число дырок, инжектированных эмиттером.
Часть этих дырок рекомбинирует в базе, а большая часть проходит через коллекторный
переход и увеличивает коллекторный ток и ток, текущий во внешней цепи.
Вольт-амперные характеристики фототранзисторов, включенных с оборванной
базой, аналогичны выходным характеристикам обычных транзисторов,
включенных по схеме ОЭ. Изменяющаяся интенсивность светового потока
выполняет роль управляющего базового тока.
Фототиристоры — управляемые кремниевые приборы с р-n-структурой, в которых
вместо электрического сигнала для управления используется световой поток.
Фототиристоры применяются в качестве светоуправляемых мощных полупроводниковых
переключателей или элементов памяти.
12.4. Светодиоды
Светодиод представляет собой полупроводниковый диод, р-п-переход которого
излучает свечение, вызванное протеканием рекомбинационного тока (т. е. рекомбинацией
электронов и дырок) в переходе при смещении последнего в прямом направлении.
Рекомбинационный ток светодиода Iр содержит как излучательную Ip , так и
безизлучательную Ir составляющие:
I p  I p  I r
Отношение
является функцией плотности тока через диод и увеличивается с ее
I p
Ir
ростом.
Потери за счет отражения и поглощения могут достигать 90% от внутреннего
квантового выхода.
Уменьшить потери можно конструктивно.
Светодиоды представляют собой, по существу, точечные источники света, так как
излучающая площадь р-п-перехода составляет доли мм2. Перспективные материалы для
изготовления светодиодов: карбид кремния, арсенид и фосфид галлия. Излучение
светодиодов некогерентное, располагается в видимой части спектра.
Яркостная характеристика имеет нелинейный участок при малых плотностях тока и
практически линейный рабочий участок.
Вольт-амперная характеристика светодиода аналогична характеристике обычного
диода. Поскольку энергия рекомбинации электронов и дырок в р-n-переходе светодиода в
основном рассеивается в виде квантов света, саморазогрев светодиода при пропускании
тока незначителен (мала выделяемая р-n-переходом тепловая мощность).
Это позволяет светодиодам легко переносить высокие температуры окружающей
среды и токовые перегрузки.
5.3 Краткое описание лабораторных работ
5.3.1 Перечень рекомендуемых лабораторных работ
1. Лабораторная работа №1.«Знакомство с Electronics Workbench»
2. Лабораторная работа №2 «Исследование p-n перехода, на примере
полупроводникового прибора – диода»
3. Лабораторная работа №3 «Исследование полупроводникового выпрямителя»
4. Лабораторная работа №4 «Исследование биполярного транзистора»
5. Лабораторная работа №5 «Схемы включения транзистора»
6. Лабораторная работа №6 «Исследование полупроводникового стабилитрона»
7. Лабораторная работа №7 «Исследование полупроводникового тиристора»
8. Лабораторная работа №8 «Моделирование транзисторного автогенератора»
5.3.2 Методические указания по выполнению лабораторных работ
Лабораторная работа №1.«Знакомство с Electronics Workbench».
Цель работы: Ознакомление и получение практических навыков работы в системе
проектирования электрических схем
1. Общие сведения:
Electronics Workbench – современная универсальная программа для расчета
электрических схем и цепей как постоянного, так и переменного тока. Она позволяет без
наличия специального оборудования и учебных стендов рассмотреть особенности и
основные свойства тех или иных соединений, закрепить знания основ электроники,
электротехники и ТОЭ. Эта программа является хорошим пособием для конструирования
приборов и устройств электронной промышленности.
2. Выполнение работы:
Внешний интерфейс Electronics Workbench показан на рис.1.1.
Главное меню.
Стандартное меню вызова справки или помощи
Содержит
стандартный
набор команд,
таких как:
New
Open
Save
Save as
Export
Import
Print
Print Setup
Exit
Эти
команды
имеют те же
функции, что и
Позволяет быстро
переключаться между
окнами, а также
включать описание
данного файла.
Содержит
стандартный
набор
команд
редактирования:
Copy
Cut
Paste
Delete
Select all
Copy as Bitmap
Эти
команды
позволяют
редактировать
файлы
и
копировать
схемы в другие
Содержит команды,
позволяющие
выполнять различные
операции с объектами
Workbench, а также
управляющие
свойствами этих
объектов:
Flip horizontal
Содержит команды,
позволяющие
анализировать
графические
зависимости
измеряемых величин
от времени, оценивать
max и min значения,
производить
различные анализы:
Flip vertical
Activate
Rotate
Pause
Zoom in
Stop
Analysis Options
Рис.1.1. Внешний интерфейс Electronics Workbench
Стандартное меню (рис.1.2.) cодержит стандартные кнопки создания (new), открытия
(open), сохранения (save), печати (print) и редактирования (cut, copy, paste) документа
Electronics Workbench, а также стандартные команды для работы с окном программы
(zoom in, zoom out, scale factor) и вызов помощи (help), их работа ничем не отличается от
других приложений. Но при этом стандартное меню Electronics Workbench дополнено
некоторыми часто используемыми функциями, такими как поворот (rotate), расположение
вертикально(flip vertical) и горизонтально (flip horizontal), создание подсхем (subcircuit),
вызов окна сравнительного анализа (display graphs), меню свойства объекта (component
properties).
Рис.1.2. Стандартное меню
Панель форматирования Electronics Workbench содержит необходимый набор
устройств и элементов, необходимых для исследования и сборки цепей постоянного и
переменного тока. В общем, она имеет такой набор закладок:
Digital ICs
Favorites
Mixed ICs
Analog ICs
Indicators
Controls
Miscellaneous
Рис.1.3. Панель форматирования
Рассмотрим подробнее эту панель.
 Favorites – содержит созданные ранее подсхемы, позволяет включать и
редактировать их.
 Sources (рис.1.4) – содержит необходимые ресурсы, такие как заземление;
элементы питания; контроллеры гармонических сигналов, п – импульсов, т – импульсов,
одиночных коротких импульсов; источники питания средней и высокой частоты.
Рис.1.4. Панель “Sources” (Источники)
 Basic (рис.1.5.) – панель базовых элементов, таких как резисторы (постоянные и
реостаты), емкости (постоянные , переменные, полярные), катушки индуктивности
(постоянные, переменные), трансформаторы (силовые, нелинейные), а также
электоромагнитное реле и т.п.
Рис.1.5. Панель “Basic” базовых элементов
 Diodes (рис.1.6.) содержит основные типы полупрводниковых диодов:
выпрямительные, стабилитроны, свето- и фотодиоды, триоды, а также полный диодный
мостик.
Рис.1.6. Панель “Diodes” диодов различных типов и диодных сборок
 Transistor (рис.1.7.) – содержит основные типы транзисторов, использующихся в
электронике (PNP, NPN, n – канальные, р – канальные, трех- и четырехвыходные).
Рис.1.7. Панель “Transistors” транзисторов различных типов
 Analog Ics (рис.1.8.) – содержит различные аналоговые устройства, такие как
операционные усилители (3-х, 5-и, 7-и и 9-и выводные) и компаратор.
Рис.1.8. Панель аналоговых устройств
 Mixed Ics (рис.1.9) – содержит аналого-цифровые конверторы, цифро-аналоговые
конверторы (по току и по напряжению), там же – мультивибратор (моностабильный).
Рис.1.9. Панель аналогово – цифровых конверторов
 Digital Ics (рис.1.10) – цифровые программируемые микросхемы, кратность
которых 74хх, 741хх, 742хх, 743хх, 744хх и 4ххх.
Рис. 1.10. Панель цифровых программируемых микросхем
 Logic Gates (рис.1.11.) – содержит различные логические устройства сравнения
(двухвыводные), буфера (двух- или трехвыводные), устройства, выполняющие логические
математические операции.
Рис.1.11. Панель логических устройств
 Indicators (рис.1.12) – содержит индикаторы сигналов (лампа накаливания,
одновыводной красный индикатор), амперметр и вольтметр, семи сегментные дисплеи,
зуммер.
Рис.1.12. Панель индикаторов сигналов
 Controls (рис.1.13.) – содержит всевозможные контролирующие устройства, к
примеру интегратор (по напряжению), дифференциатор (по напряжению) и другие.
Рис.1.13.
 Miscellaneous (рис.1.14) – содержит дополнительные устройства, необходимые для
работы с Electronics Workbench: предохранитель (по току), двигатели, триод, конверторы,
а также набор функций, позволяющий оформлять документ Electronics Workbench и
вносить произвольный текст в файл.
Рис. 1.14.
 Instruments (рис.1.15.) – содержит необходимые приборы, позволяющие оценить
работу собранной цепи, и предназначенные для других целей: мультиметр (измеряет
любые электрические величины), функциональный генератор, осциллограф, генератор
слов, логический анализатор и конвертор.
Рис.1.15. Панель измерительных приборов
Для того, чтобы включить собранную цепь, необходимо нажать кнопку пуска,
находящуюся в левом вернем углу экрана. Для того, чтобы приостановить выполнение
процесса, необходимо нажать кнопку Pause, находящуюся под кнопкой пуска. Для
остановки процесса необходимо переключить кнопку пуска в соответствующее
положение.
Рис.1.16. Кнопки запуска и останова работы схемы
осле ознакомления с данной лабораторной работой объяснить преподавателю
основные элементы Electronics Workbench и способы работы с данной программой
Лабораторная работа №2 «Исследование p-n перехода, на примере
полупроводникового прибора – диода»
Цель работы: Исследовать полупроводниковый диод.
1. Общие сведения:
Полупроводниковые выпрямительные диоды являются приборами с односторонней
проводимостью, обусловленной созданием в них р-n-перехода. Изготовляются
выпрямительные диоды главным образом из германия и кремния. Диоды изготавливают
путём создания в монокристаллическом полупроводнике двух граничащих между собой
областей с электронной (n - типа) и дырочной (p - типа) проводимостью.
Если к выводам диода приложить внешнее напряжение, через диод протекает ток,
величина которого оказывается зависящей от величины и полярности приложенного
напряжения. Применительно к полярности приложенного напряжения различают прямое и
обратное включение диода.
Для идеального диода (реальный диод характеризуется наличием объемного
сопротивления) полный ток перехода равен сумме дырочного и электронного тока и
определяется выражением:
 eU

I  I нас  e kT  1


(2.1.)
где Iнас — ток насыщения, определяемый свойствами полупроводника и
концентрацией носителей в нем, T – абсолютная температура, К, U – приложенное к
выводам диода напряжение (с учётом знака), е — основание натуральных логарифмов; k
— постоянная Больцмана, равная 1,38×10-23 Дж/град.
Завсимость (1.1.) представляет собой главную характеристику диода –
вольтамперную характеристику (рис.2.1). Для удобства изображения масштабы для
прямого и обратного токов приняты разные.
Рис.2.1. Вольт-амперная характеристика идеального диода.
Обратные ветви характеристик (см. рис.2.2) реальных диодов различаются большей
величиной обратного тока, так как кроме теплового тока через обратно смещенный р-nпереход по поверхности перехода протекает также ток утечки, возрастающий по мере
роста обратного напряжения.
Рис.2.2. Вольт-амперные характеристики германиевого (а) и кремниевого (б) диодов.
Ток диода в прямом направлении можно вычислить по выражению:
I пр 
E  U  ,
пр
R
(2.2.)
где Iпр – ток диода в прямом направлении, E – напряжение источника питания, Uпр
– напряжение на диоде в прямом направлении.
Ток диода в обратном направлении (нужно поменять полярность диода в схемах
С9_011 и С9_012) вычисляется по выражению:
E  U об  ,
I об 
(2.3)
R
где Iоб – ток диода в обратном направлении, Uоб – напряжение на диоде в обратном
направлении.
Измерения проводят, меняя напряжение источника питания. При этом
используется только один мультиметр, как амперметр и вольтметр.
Такой же способ измерения при использовании амперметра и вольтметра
показан в схеме С9_013.
Кроме того, в реальных диодах увеличение обратного напряжения может
происходить только до значений, меньших пробивного напряжения р-n-нерехода (в
справочных данных приводят допустимые обратные напряжения диода). Чаще пробивное
наряжение вызывает так называемый тепловой пробой, который возникает из-за
недостаточного теплоотвода от перехода. Температура перехода возрастает и, следовательно, возрастает концентрация неосновных носителей, создаваемых в результате
тепловой генерации. Это вызывает рост обратного тока и дополнительный разогрев
перехода. Этот процесс, продолжая нарастать, приводит к значительному перегреву
перехода и может разрушить его.
2. Выполнение работы:
В работе должны быть исследованы все модели диодов, указанных в списке
выбора вкладки Properties для элемента схемы “Диод”.
2.1. Измерение напряжения и вычисление тока через диод
Сконфигурируйте параметры диода (установите в схему модель Вашего диода).
Включите схему
Мультиметр покажет напряжение на диоде Uпр при прямом смещении. Поменяйте
местами анод и катод диода и снова запустите схему программной клавишей.
Теперь мультиметр покажет напряжение на диоде Uоб при обратном смещении.
Запишите показания в раздел "Результаты экспериментов" (в протокол отчёта
лабораторной работы). Вычислите ток диода при прямом Iпр и обратном Iоб смещении по
зависимостям (2.2), (2.3.).
2.2. Измерение тока
Сконфигурируйте параметры диода (установите в схему модель Вашего диода).
Включите схему. Мультиметр покажет ток диода Iпр при прямом смещении. Поменяйте
местами анод и катод диода и снова запустите схему программной клавишей.
Теперь мультиметр покажет ток через диод Iоб при обратном смещении. Запишите
показания в раздел "Результаты экспериментов"(в протокол отчёта лабораторной работы).
2.3.Измерение статического сопротивления диода
Измерьте сопротивление диода в прямом и обратном подключении, используя
мультиметр в режиме омметра. Малые значения сопротивления соответствуют прямому
подключению. Показания прямого сопротивления различны для разных шкал омметра.
Почему?
2.4. Одновременное измерение тока и напряжения
а) Прямая ветвь вольтамперной характеристики. Откройте файл C9_013.ca4.
Сконфигурируйте параметры диода (установите в схему модель диода). Включите схему
Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 5 В, 4 В, 3 В, 2 В,
1 В, 0.5 В, 0 В запишите значения напряжения тока Iпр диода в таблицу 1.
б) Обратная ветвь вольтамперной характеристики. Поменяйте местами анод и катод
диода. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 0 В, 5 В, 10 В,
15 В, 20 В запишите значения напряжения тока Iоб диода в таблицу 2.
в) По полученным данным постройте графики Iпр= f(Uпр) и Iоб=f(Uоб).
г) Постройте касательную к графику прямой ветви ВАХ при Iпр = 4мА и оцените
дифференциальное сопротивление диода по наклону касательной.
Проделайте ту же процедуру для Iпр =0.4 мА и Iпр =0.2 мА. Ответы запишите в
раздел "Результаты экспериментов"(в протокол отчёта лабораторной работы).
д). Аналогично пункту г) оцените дифференциальное сопротивление диода при
обратном напряжении 5 В и запишите экспериментальные данные в раздел "Результаты
экспериментов" (в протокол отчёта лабораторной работы).
е) Вычислите сопротивление диода на постоянном токе Iпр = 4мА по формуле:
U
Rст  пр
,
I пр
и занесите результат в раздел "Результаты экспериментов"(в протокол отчёта
лабораторной работы).
ж) Определите напряжение изгиба. Занесите результат в раздел "Результаты
экспериментов" (в протокол отчёта лабораторной работы) . Напряжение изгиба
определяется из вольтамперной характеристики диода, смещенного в прямом
направлении, для точки, где характеристика претерпевает резкий излом.
2.5. Получение ВАХ на экране осциллографа
Откройте файл схемы C9_014.ca4 . Сконфигурируйте параметры диода (установите
в схему модель Вашего диода). Включите схему.
На вольтамперной характеристике, появившейся на экране осциллографа, по
горизонтальной оси считывается напряжение на диоде в милливольтах (канал А), а по
вертикальной - ток в миллиамперах (канал В, 1мВ соответствует 1 мА). Обратите
внимание на изгиб вольтамперной характеристики.
Измерьте и запишите в раздел "Результаты экспериментов"(в протокол отчёта
лабораторной работы) величину напряжения изгиба.
3. Исследование работы полупроводникового диода при подключении к
переменному напряжению
Соберите схему представленную на рис.2.3. Сконфигурируйте параметры диода
(установите в схему модель Вашего диода). Один канал осциллографа подключите к
аноду диода, другой к его катоду. Точки подключения каналов показаны на рис2.3.
Сконфигурируйте цвета отображения напряжения в различных каналах (конфигурируется
установкой цвета соответствующего проводника). Включите схему.
Рис.2.3. Схема исследования поведения диода при подключении переменного
напряжения.
1.Посмотрите на экране осциллографа характер напряжения на аноде и катоде диода.
2.Сделайте вывод по проведённым наблюдениям.
3.Увеличивая амплитуду подаваемого генератором напряжения на источнике
питания определите величину напряжения пробоя диода и запишите в раздел "Результаты
экспериментов"(в протокол отчёта лабораторной работы).
4.Поменяйте анод и катод диода местами и повторите п.п. 1 и 2
5.Сделайте вывод об обратном включении диода.
6.Подключите провод питания на отрицательный выход источника питания и снова
выполните п.п. 1-2.
7.Сделайте вывод.
4. Результаты экспериментов (должны быть представлены для всех моделей
диодов, исследованных в работе)
Модель диода:_____
п.2.1:
Напряжение прямого смещения: _________
Расчётный ток Iпр =
Напряжение обратного смещения: _________
Расчётный ток Iоб =
п.2.2:
ток Iпр =
ток Iоб =
п.2.3:
Значеня статического сопротивления
при прямом включении_________ Ом
при обратном включении ________Ом
Вывод по результату измерения статического сопротивления (см.п.2.3.).
п.2.4:
Таблица 1. Результат измерений прямой ветви вольтамперной характеристики
Е,B
5
4
3
2
1
0.5
0
Uпр, мВ
Iпр,мА
Таблица 2. Результат измерений обратной ветви вольтамперной характеристики
Е,В
0
5
10
15
Uоб,мВ
Iоб,мА
Величина дифференциального сопротивления прямой ветви вольтамперной
характеристики:
при Iпр = 4мА ____________ Ом;
при Iпр = 0,4мА ____________ Ом;
при Iпр = 0,2мА ____________ Ом;
Величина дифференциального сопротивления обратной ветви вольтамперной
характеристики:
при Uобр = 5В ____________ Ом;
Сопротивление диода на постоянном токе Iпр = 4мА: _________________ Ом.
Величина напряжения изгиба: __________ В
5. Содержание отчёта
Отчёт по работе должен содержать:
1.Цель работы;
2.Результаты экспериментов по п.п. 2.1-2.3 работы для каждого исследованного
диода;
3.Таблицы измеренных значений прямой и обратной ветвей вольт-амперной
характеристики (п.2.4.) для каждого исследованного диода;
4.График вольт-амперной характеристики для каждого исследованного диода;
5.Вывод по характеру графика вольт-амперной характеристики для каждого
исследованного диода;
6.Напряжение пробоя для каждого исследованного диода;
7.На графиках выполнить определение дифференциальных сопротивлений,
напряжения изгиба для каждого исследованного диода.
8.Вывод по характеру преобразования переменного напряжения диодом.
9.Сопоставить падения напряжения на диоде при подключении переменного
напряжения с падением напряжения для постоянного тока. Сделать вывод по
проведённому сопоставлению.
10. Сопоставить ветви воль амперных характеристик. Разделить исследуемые
приборы по группам “Силовые” и “Не силовые” в зависимости от полученных
результатов.
6. Контрольные вопросы
1. В чём назначение полупроводникового диода?
2. Каковы два типа носителей заряда в диодах?
3. В чём причина возникновения обратного тока?
4. Почему обратный ток диода существенно меньше прямого при одном и том же
напряжении?
5. В чём необходимость дифференциального сопротивления?
Лабораторная работа №3 «Исследование полупроводникового выпрямителя»
Цель работы: Анализ процессов в схемах однополупериодного и
двухполупериодного выпрямителей.
1. Общие сведения:
Во многих электрических устройствах используется энергия постоянного тока. К
числу таких устройств относятся двигатели постоянного тока, радиотехнические
устройства, установки для электролиза и др. Преобразование переменного тока в
постоянный осуществляется с помощью выпрямителей, использующих вентильные
свойства электронных, ионных и полупроводниковых приборов. Основные элементы
выпрямителя:
1) трансформатор, изменяющий величину получаемого от сети переменного
напряжения в соответствии с необходимой величиной напряжения на выходе
выпрямителя;
2) вентильная группа, преобразующая переменный ток в постоянный; '
3) сглаживающий фильтр, необходимый для сглаживания пульсаций выпрямленного
напряжения.
Кроме перечисленных элементов выпрямитель может иметь устройства для
стабилизации выпрямленного напряжения, а также для регулирования (изменения)
выпрямленного напряжения.
По числу фаз первичной обмотки трансформатора различают выпрямители
однофазного и трехфазного тока.
Основные схемы выпрямителей однофазного тока:
однополупериодная;
двухполупериодная с нулевым выводом трансформатора;
мостовая.
Выбирают диоды и трансформатор выпрямителя по его основным параметрам, к
которым относят:
а) выпрямленное напряжение U0 и ток I0 в нагрузке, определяемые требованиями
потребителя;
б) эффективные значения токов I1 , I2 и э. д. с. Е1 , Е2 первичной и вторичной
обмоток трансформатора, а также типовая мощность трансформатора Рт.
в) максимальное обратное напряжение на вентиле, средний и максимальный
токи диода.
1.1. Однополупериодная схема
Простейшей выпрямительной схемой является однополупериодная схема (рис. 3.1,
а).
Рис.3.1. Схема (а) и характеристики (б-д) однополупериодного выпрямителя.
Она содержит трансформатор Тр, в цепь вторичной обмотки которого включены
последовательно вентиль В и сопротивление нагрузки Rн. Рассмотрим работу схемы.
Так как в цепь вторичной обмотки трансформатора последовательно с нагрузкой
включен идеальный диод с нулевым сопротивлением в проводящем направлении, то при
положительной полуволне напряжения (« + » на аноде вентиля, «—» на катоде) в нагрузке
будет протекать ток, мгновенное значение которого:
(3.1.)
i0  u 2
Rн
При обратной полярности напряжения вторичной обмотки трансформатора диод
будет иметь бесконечно большое сопротивление и ток в нагрузке будет равен нулю.
Таким образом, ток в нагрузке протекает только в одном направлении, т. е. схема действительно обладает выпрямляющими свойствами. Форма кривой тока показана на рис.3.1
в.
Когда диод проводит ток, к нагрузке прикладывается напряжение, представляющее
собой положительные полуволны синусоиды вторичной обмотки трансформатора.
Если вентиль не проводит тока, напряжение на нагрузке равно нулю и напряжение
вторичной обмотки трансформатора оказывается приложенным между анодом и катодом
диода. Это напряжение имеет обратную полярность, т. е. анод диода становится
отрицательным относительно катода. Максимальное значение обратного напряжения
между анодом и катодом вентиля (рис. 3.1, г) равно максимальному значению напряжения
вторичной обмотки трансформатора
В однополупериодной схеме трансформатор, нагрузка и вентиль включены
последовательно, в связи с чем мгновенные значения тока в этих элементах схемы
совпадают
u
(3.2.)
iа  i2  i0  2
Rн
Приведенная на рис.3.1 форма кривой тока показывает, что ток схемы пульсирует.
Форма кривой тока первичной обмотки трансформатора показана на рис.3.1. д.
Мощности на которые следует рассчитывать первичную и вторичную обмотки
трансформатора, не равны друг другу и много больше мощности, отдаваемой в нагрузку.
В связи с неравенством мощностей обмоток габаритные размеры трансформатора
(сечение сердечника, размер окна) определяют по так называемой типовой мощности.
Отношение типовой мощности трансформатора к мощности нагрузки характеризует
степень его использования.
Из математики известно, что такую кривую выходного напряжения можно
представить в виде суммы постоянной составляющей и ряда синусоид различной
амплитуды и частоты. Постоянная составляющая, т. е. среднее значение выпрямленного
напряжения на нагрузке, была определена ранее. Из переменных составляющих
выпрямленного напряжения наибольшую амплитуду имеет составляющая самой низкой
(основной) частоты.
Для характеристики степени сглаженности напряжения на нагрузке вводится
понятие коэффициента пульсации напряжения.
Отношение амплитуды основной гармоники к среднему значению выпрямленного
напряжения на нагрузке называется коэффициентом пульсации:
U
(3.3.)
q  ОГ .
U0
Недостатки однополупериодной схемы:
Большой коэффициент пульсаций
Низкая частота основной гармоники выпрямленного напряжения
Большие размеры трансформатора, вызванные плохим использованием его обмоток
Вынужденным намагничиванием сердечника постоянной составляющей
выпрямленного тока, и
Большое обратное напряжение на диоде.
В связи с этим однополупериодная схема при работе на активную нагрузку
применяется очень редко.
1.2. Двухполупериодная схема с нулевым выводом
Двухполупериодная схема (рис. 3.2., а) содержит трансформатор Тр, вторичная
обмотка которого имеет дополнительный вывод от средней точки, два диода В1 и В2 и
нагрузку Rн. Эта схема является сочетанием двух однополупериодных схем, работающих
на общую нагрузку.
Рис.3.2. Схема (а) и характеристики (б-е) двухполупериодного выпрямителя с
нулевым выводом
.
На рис.3.2., б показана форма кривых напряжений на верхней и нижней
полуобмотках трансформатора, равных по величине и противоположных по фазе.
В первый полупериод синусоидального напряжения, когда полярность напряжения
трансформатора совпадает с указанной на рис. 3.2, а, вентиль В1 имеет на аноде
положительное напряжение относительно катода, соединенного через нагрузку со средней
точкой вторичной обмотки. На аноде вентиля В2 напряжение отрицательно.
Ток протекает через вентиль В1 и нагрузку в направлении, показанном сплошными
стрелками.
Во второй полупериод полярность напряжения на обмотках трансформатора меняется. Поэтому ток будет проходить через вентиль В2 и нагрузку. Вентиль В1 в это время
находится под обратным напряжением и тока не пропускает. Ток в нагрузке протекает в
одном и том же направлении в. течение обоих полупериодов. Формы кривой тока и напряжения на нагрузке приведены на рис.3.2. б. Кривая напряжения на нагрузке по величине и
форме повторяет положительные полуволны напряжений вторичных полуобмоток трансформатора.
Снижение типовой мощности и лучшее использование трансформатора в
двухполупериодной схеме объясняется чисто переменным током первичной обмотки
и отсутствием намагничивания сердечника трансформатора постоянной
составляющей тока вторичных обмоток. Постоянные составляющие тока этих
обмоток создают намагничивающие силы, направленные встречно, вследствие чего
магнитные потоки в сердечнике трансформатора взаимно компенсируются.
Из рис.3.2.,в видно, что в двухполупериодной схеме кривая выпрямленного
напряжения имеет период повторяемости, равный полупериоду частоты сети.
В двухпериодной схеме трансформатор используется значительно лучше, чем в
однополупериодной, вследствие отсутствия вынужденного намагничивания
сердечника постоянной составляющей тока вторичной обмотки.
Недостатки двухполупериодной схемы:
необходимость вывода средней точки вторичной обмотки трансформатора и
симметрирования полуобмоток для обеспечения и21 = и22 ,
наличие двух диодов вместо одного.
Среднее значение выходного напряжения Ud
(постоянная составляющая)
однополупериодного выпрямителя вычисляется по формуле:
Ud = Um / π
(3.4.)
Значение Ud двухполупериодного выпрямителя вдвое больше:
Ud = 2Um / π
(3.5.)
Частота выходного сигнала для любой из схем:
f= 1/T
(3.6.)
При этом период сигнала на выходе однополупериодного выпрямителя в два раза
больше, чем у двухполупериодного. Максимальное обратное напряжение Uмакс на диоде
однополупериодного
выпрямителя
равно
максимуму
входного
напряжения.
Максимальное обратное напряжение Uмакс на каждом диоде двухполупериодного
выпрямителя с отводом от средней точки трансформатора равно разности удвоенного
максимального значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2m и
прямого падения напряжения на диоде Uпр.
Uмакс = U2m - Uпр
(3.7.)
Коэффициент пульсаций полупроводниковых выпрямителей снижают путём
подключения конденсатора параллельно нагрузке (ёмкостным шунтированием). Степень
сглаженности выпрямленного напряжения тем выше, чем выше ёмкость конденсатора.
Причина такого влияния емкости объясняется падением комплексного реактивного
емкостного сопротивления:
Xc  1
(3.8)
jC
с ростом ёмкости С (или частоты  питающего напряжения).
На использовании ёмкостного шунтирования переменной составляющей основана
работа ёмкостных фильтров.
2. Выполнение работы
Используйте те же модели диодов, которые исследовали в лабораторной работе №2.
Для каждого из моделей диодов выполните следующие действия:
2.1. Получение необходимого коэффициента пульсаций подбором параметров
выпрямителя.
Соберите следующую схему (рис.3.3.):
Рис. 3.3.
Подключите канал осциллографа к сопротивлению нагрузки (к одному из
выводов резистора). Включите схему. Посмотрите при помощи осциллографа характер
напряжения на сопротивлении нагрузки.
Добавьте в цепь выпрямителя конденсатор (рис.3.4.), параллельно резистору и
снова посмотрите характер напряжения.
Рис.3.4.
Сделайте вывод о роли ёмкостного шунтирования.
Подобрать ёмкость конденсатора так, чтобы коэффициент пульсации выпрямленного
напряжения составлял 0,25
(25%) при фиксированной частоте питания 100 Гц. Величину подобранной
экспериментом ёмкости записать в раздел "Результаты экспериментов" (в протокол отчёта
лабораторной работы).
Подобрать частоту питания так, чтобы коэффициент пульсации выпрямленного
напряжения составлял 0,25
(25%) при фиксированной емкости конденсатора 500мкФ. Величину подобранной
экспериментом частоты записать в раздел "Результаты экспериментов"(в протокол отчёта
лабораторной работы).
Сделайте вывод о влиянии варьирования частоты и ёмкости.
Соберите мостовую схему (рис.3.5)
Рис.3.5. Мостовая схема выпрямителя
Повторите для данной схемы подбор ёмкости и частоты как в предыдущем случае.
Сделайте вывод по результатам сопоставления двух схем.
2.2. Исследование входного и выходного напряжений однополупериодного
выпрямителя
а) Откройте файл С9_031. Включите схему. На вход осциллографа А подать
выходной сигнал, на вход В – входной (для удобства сконфигурировать для них разные
цвета отображения).
Зарисуйте осциллограммы в раздел "Результаты экспериментов" (в протокол отчёта
лабораторной работы). Измерьте и запишите максимальные входные и выходные
напряжения.
б) Измерьте период Т выходного напряжения по осциллограмме и запишите
результат в раздел "Результаты экспериментов"(в протокол отчёта лабораторной работы).
Вычислите частоту выходного сигнала.
в) Определите максимально обратное напряжение Uмакс на диоде и запишите в
раздел "Результаты экспериментов"(в протокол отчёта лабораторной работы).
г) Вычислите коэффициент трансформации как отношение амплитуд напряжений на
первичной и вторичной обмотке трансформатора в режиме, близком холостому ходу на
выходе.
д) Вычислите среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная
составляющая), по зависимости 3.4. Результат запишите в раздел "Результаты
экспериментов"(в протокол отчёта лабораторной работы). Запишите постоянную
составляющую напряжения на выходе, измереннную мультиметром. Сравните полученное
расчётом и измеренное значение. Сделайте вывод.
2.3. Исследование входного и выходного напряжений двухполупериодного
выпрямителя
а). Включите схему. На вход осциллографа А подать выходной сигнал, на вход В –
входной (для удобства сконфигурировать для них разные цвета отображения).
Зарисуйте осциллограммы в раздел "Результаты экспериментов" (в протокол отчёта
лабораторной работы). Измерьте и запишите максимальные входные и выходные
напряжения.
б) Измерьте период Т выходного напряжения по осциллограмме и запишите
результат в раздел "Результаты экспериментов"(в протокол отчёта лабораторной работы).
Вычислите частоту выходного сигнала.
в) Определите максимально обратное напряжение Uмакс на диоде и запишите в
раздел "Результаты экспериментов" (в протокол отчёта лабораторной работы).
г) Вычислите коэффициент трансформации как отношение амплитуд напряжений на
первичной и вторичной обмотке трансформатора в режиме, близком холостому ходу на
выходе.
д) Вычислите среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная
составляющая). Результат запишите в раздел "Результаты экспериментов" (в протокол
отчёта лабораторной работы). Запишите постоянную составляющую напряжения на
выходе, измеренную мультиметром. Сделайте вывод по результатам сопоставления
расчётного и измеренного значения Ud.
3. Результаты экспериментов (выполняется для каждой модели диодов,
исползуемой в схеме выпрямителей)
п.2.1.:
Однополупериодная схема:
1. Коэффициент пульсаций _____ % при фиксированной частоте питания _______
Гц и ёмкости _______ мКФ.
2. Коэффициент пульсаций _____ % при фиксированной ёмкости _______ мКФ и
частоте питания _______ Гц.
Мостовая схема:
3. Коэффициент пульсаций _____ % при фиксированной частоте питания _______
Гц и ёмкости _______ мКФ.
4. Коэффициент пульсаций _____ % при фиксированной ёмкости _______ мКФ и
частоте питания _______ Гц.
п.2.2.
5. период выходного напряжения по осциллограмме схемы С9_031: Т=_________
Частота _________
6. Коэффициент трансформации k = ____________.
7. Вычисленное значение выходного напряжения Ud ____________
8. Измеренное значение выходного напряжения Ud ____________
п.2.3
9. период выходного напряжения по осциллограмме схемы С9_032: Т=_________
Частота _________
10. Вычисленное значение выходного напряжения Ud ____________
11. Измеренное значение выходного напряжения Ud ____________
4. Содержание отчёта
Отчёт по работе должен содержать:
1. Цель работы.
2. Все исследуемые схемы выпрямителей.
3. Вывод о роли ёмкостного шунтирования (см.п.2.1.).
4. Таблицы подобранных значений емкости для выпрямителей в зависимости от
модели диодов, используемых в его схеме.
5. Величины экспериментально полученных значений ёмкости и частоты
питающего напряжения для заданного коэффициента пульсации .
6. Вывод о влиянии варьирования частоты и ёмкости.
7. Вывод о сопоставлении параметров однополупериодной и мостовой схем.
8. Осциллограммы по п.2.2. п.п а) для однополупериодного выпрямителя для
каждой модели используемых диодов.
9. Частоту выходного сигнала, полученную из анализа осциллогамм предыдущего
пункта.
10. Вычисленное и измеренное значение напряжения Ud (постоянной
составляющей) с выводом по результату их сопоставления.
11. Осциллограммы по п.2.3. п.п а) для двухполупериодного выпрямителя.
12. Частоту выходного сигнала, полученную из анализа осциллогамм предыдущего
пункта.
13. Вычисленное и измеренное значение напряжения Ud (постоянной
составляющей) с выводом по результату их сопоставления.
5. Контрольные вопросы
1. В чём назначение выпрямителей?
2. Каковы основные компоненты выпрямителя?
3. Каковы типы выпрямителей, рассматриваемых в данной работе?
4. Каковы основные параметры выпрямителя?
5. Что такое коэффициент пульсации? Как его уменьшить?
6. В чём недостатки однополупериодной схемы?
7. В чём недостатки двухполупериодной схемы?
8. Чем однополупериодная схема лучше двухполупериодной схемы?
Лабораторная работа №4 «Исследование биполярного транзистора»
Цель работы:
1. Исследовать биполярный транзистор.
2. Экспериментально получить основные параметры транзистора.
3. Получить выходные характеристики транзистора
1. Общие сведения:
Полупроводниковый триод — транзистор, представляет собой систему двух
электронно-дырочных переходов.
В транзисторе n-р-n-типа средняя область имеет дырочную, крайние области —
электронную проводимость. В транзисторе р-n-р-типа чередование слоев с электронной и
дырочной проводимостями меняется на противоположное.
Левая область транзистора (рис. 4.1., а) называется эмиттером, средняя, очень тонкая
— базой, правая — коллектором.
Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным,
между базой и коллектором — коллекторным.
Рис.4.1. Устройство биполярного транзистора (а), структура и условное обозначение
p-n-p – транзистора (б), структура и условное обозначение n-p-n – транзистора (в).
Важным параметром биполярного транзистора является статический коэффициент
передачи тока Bdc (иногда для обозначения данного коэффициента используют букву
греческого алфавита ). Коэффициент передачи тока определяется как отношение тока
коллектора Iк к току базы Iб:
I
(4.1)
Bdc  k .
Iб
Коэффициент передачи тока BАС определяется отношением приращения Iк
коллекторного тока к вызывающему его приращению Iб базового тока:
I
(4.2)
B AC  k .
I б
Дифференциальное входное сопротивление Rвх транзистора в схеме с общим
эмиттером (ОЭ) определяется при фиксированном (постоянном) значении напряжения
коллектор-эмиттер. Оно может быть найдено как отношение приращения напряжения
база-эмиттер к вызванному им приращению Iб тока базы:
Rвх  U бэ
(4.3.)
I б
Дифференциальное входное сопротивление Rвх транзистора в схеме с ОЭ через
параметры транзистора определяется следующим выражением:
Rвх  Rб  BAC  RЭ ,
(4.4.)
Где Rб – распределенное сопротивление базовой области полупроводника,
Rэ – дифференциальное сопротивление перехода база эмиттер, определяемое из
выражения:
Rэ = 25/Iэ ,
(3.5.)
где Iэ – постоянный ток эмиттера в милиамперах. Первое слагаемое Rб в выражении
много меньше второго, поэтому им можно пренебречь:
Rвх  BAC  RЭ
(4.6.)
Дифференциальное сопротивление Rэ перехода база-эмиттер для биполярного
транзистора сравнимо с дифференциальным входным сопротивлением Rвх_об транзистора
в схеме с общей базой, которое определяется при фиксированном значении напряжения
база-коллектор. Оно может быть найдено как отношение приращения Uбэ к вызванному
им приращению Iэ тока эмиттера:
U бэ U бэ _ 2  U бэ _ 1 
Rвх _ об 

(4.7.)
I э
I э _ 2  I э _1
Через параметры транзистора это сопротивление определяется выражением:
Rвх _ об  Rб
 Rэ
(4.8.)
BAC
Первым слагаемым в выражении можно пренебречь, поэтому можно cчитать, что
дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер приблизительно равно:
Rвх _ об  Rэ
(4.9)
2. Выполнение работы
В работе должны быть исследованы все модели транзисторов, указанных в списке
выбора вкладки Properties для элемента схемы “Транзистор”.
2.1.Определение статического коэффициента передачи тока транзистора
а) Сконфигурируйте параметры транзистора (установите в схему модель Вашего
транзистора). Включить схему.
Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллекторэмиттер в раздел “результаты эксперимента” (в протокол отчёта лабораторной работы).
По полученным результатам рассчитать (4.1.) статический коэффициент передачи
транзистора Вdc . Результаты записать в раздел “результаты эксперимента” (в протокол
отчёта лабораторной работы).
б) Установить номинал источника ЭДС Еб равным 2.68 В. Включить схему.
Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллекторэмиттер в раздел “результаты эксперимента”. По полученным результатам подсчитать
статический коэффициент передачи транзистора Вdc (4.1.) Ответ записать в раздел
“результаты эксперимента” (в протокол отчёта лабораторной работы).
в) Установить номинал источника ЭДС Ек до 5 В. Включить схему.
Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллекторэмиттер в раздел “результаты эксперимента” (в протокол отчёта лабораторной работы).
По полученным результатам подсчитать статический коэффициент передачи транзистора
Вdc. Результат записать в раздел “результаты эксперимента”(в протокол отчёта
лабораторной работы). Затем установить номинал Ек равным 10 В.
2.2.Измерение обратного тока коллектора
На схеме изменить номинал источника ЭДС Еб до 0 В. Включить схему. Записать
результаты измерения тока коллектора для данных значений тока базы и напряжения
коллектор эмиттер в раздел “результаты эксперимента” (в протокол отчёта лабораторной
работы).
2.3..Получение выходной характеристики транзистора в схеме с ОЭ.
а) Произвести измерения тока коллектора Iк для каждого значения Ек и Еб и
заполнить таблицу по данным таблицы построить график зависимости Iк от Ек.
б) Открыть файл со схемой 10_002. Включить схему. Зарисовать осциллограмму
выходной характеристики, соблюдая масштаб. Повторить измерения для каждого
значения Еб из таблицы.
Осциллограммы выходных характеристик для разных токов базы зарисовать на
одном графике.
в) По выходной характеристике найти коэффициент передачи тока ВАС
при изменении базового тока с 10мкА до 30мкА, Ек = 10 В. Результат записать в
раздел “результаты эксперимента”(в протокол отчёта лабораторной работы).
2.4. Исследование инверсного включения транзистора
Поменяйте местами коллектор и эмиттер транзистора. Повторите пп.2.1. – 2.3.
Сделайте выводы.
3. Результаты эксперимента (выполняется для каждой исследованной модели
транзистора)
Модель транзистора______________
Еб = 2.68 В.
Iк=_____ Uкэ =_______
Статический коэффициент передачи Вdc _____________
Ек =5В.
Iк=_____
Iб=_____
Uкэ =_______
Таблица 1
Ек (В)
Еб
(В)
1.66
2.68
3.68
4.68
5.7
Iб
(мкА)
0.
0.5
1
5
10
20
1
Коэффициент передачи тока ВАС ____________
4. Содержание отчёта
Отчёт должен содержать:
1. Цель работы.
2. Перечень исследованных транзисторов;
3. Электрическую схему включения транзистора.
4. Расчёт статического коэффициента передачи для всех исследованных
транзисторов.
5. Величину обратного тока коллектора для всех исследованных транзисторов.
6. Таблицу результатов измерений для выходных характеристик транзистора
(Таблица 1) для всех исследованных транзисторов.
7. Графики выходных характеристик транзистора для всех исследованных
транзисторов.
8. Величину коэффициента усиления для всех исследованных транзисторов.
9. Графическое определение коэффициента передачи при изменении базового тока
с 10мкА до 30мкА. для всех исследованных транзисторов.
10. Выводы по работе.
5. Контрольные вопросы
1.Устройство биполярного транзистора.
2.Основные параметры биполярного транзистора.
3.Какова причина явления усиления по напряжению и мощности в транзисторе?
Лабораторная работа №5 «Схемы включения транзистора»
Цель работы: Анализ процессов при различных схемах включения биполярного
транзистора.
1. Выполнение работы:
Получить у преподавателя модель транзистора.
1.Схема с общим эмиттером (ОЭ).
Для моделирования необходимо собрать схему с общим эмиттером (рис. 5.1).
Выполнить размещение компонентов в рабочей области Electronics Workbench и
соединить все контакты проводниками.
Рис.5.1. Схема включения с общим эмиттером
Установите значение амплитуды сигнала генератора 20В при частоте 20Гц.
Выполните измерение при помощи мультиметра напряжения на сопротивлении
нагрузки. Сравните измеренную величину с амплитудой напряжения на генераторе.
Повторите измерение на сопротивлении нагрузки для амплитуды сигнала генератора
30В, 40В, 50В при частотах 30Гц, 40Гц,50Гц.
Данные измерений занесите в таблицу
Часто
Амплитуда синусоидального напряжения
та
генера
1
2
3
n
тора
Какой вывод вы можете сделать о работе транзистора в этой схеме включения?
Какой у этой схемы недостаток?
2. Схема с общей базой (ОБ).
Для моделирования необходимо собрать схему с общей базой (рис. 5.2). Выполнить
размещение компонентов в рабочей области Electronics Workbench и соединить все
контакты проводниками.
Рис. 5.2. Схема с общей базой
Выполните измерение при помощи мультиметра напряжения на сопротивлении
нагрузки. Сравните измеренную величину с амплитудой напряжения на генераторе.
Повторите измерение на сопротивлении нагрузки для амплитуды сигнала генератора 30В,
40В, 50В при частотах 30Гц, 40Гц,50Гц.
Данные измерений занесите в таблицу
Часто
Амплитуда синусоидального напряжения
та
генера
1
2
3
n
тора
Рис.5.1. Схема включения с общим эмиттером
При помощи мультиметра измерьте напряжение на сопротивлении и силу тока в
цепи, затем отключите транзистор и подключите резистор к источнику питания,
проведите измерения ещё раз. Затем измените на порядок частоту входного напряжения и
повторите все замеры заново.
3. Схема с общим коллектором (ОК).
Выполните измерение напряжения при помощи мультиметра на сопротивлении
нагрузки. Сравните измеренную величину с амплитудой напряжения на генераторе.
Повторите измерение на сопротивлении нагрузки для амплитуды сигнала генератора 30В,
40В, 50В при частотах 30Гц, 40Гц,50Гц.
Данные измерений занесите в таблицу
Часто
Амплитуда синусоидального напряжения
та
генера
1
2
3
n
тора
4. Содержание отчёта
Отчёт должен содержать:
1. Цель работы.
2. Модель исследуемого транзистора;
3. Таблицы измеренных параметров;
4. Электрические схемы включения транзистора.
5. Величину коэффициента усиления для всех схем включения, значений
напряжения генератора и применяемых частот.
6. Выводы по работе.
5. Контрольные вопросы
1.Какие параметры усиливает схема с общим эмиттером?
2.Какие параметры усиливает схема с общим коллектором?
3.Какие параметры усиливает схема с общей базой?
Лабораторная работа №6 «Исследование полупроводникового стабилитрона»
Цель работы:
1.Построение обратной ветви вольтамперной характеристики стабилитрона и
определение напряжения стабилизации.
2.Вычисление тока и мощности, рассеиваемой стабилитроном.
3.Определение дифференциального сопротивления стабилитрона по вольтамперной
характеристике.
4.Исследование изменения напряжения стабилитрона при изменении входного
напряжения в схеме параметрического стабилизатора.
5.Исследование изменения напряжения на стабилитроне при изменении
сопротивления в схеме параметрического стабилизатора.
1. Общие сведения
Полупроводниковые стабилитроны (их называют также опорными диодами) Cлужат
для стабилизации постоянного напряжения и представляют собой кремниевые
плоскостные диоды, работающие на участке электрического пробоя вольт-амперной
характеристики (рис.5.1., а).
Рис.5.1. Теоретическая вольт-амперная характеристика стабилитрона
При этом в определенном диапазоне токов, зависящем от типа диода, напряжение на
нем практически остается постоянным.
Электрический пробой может возникнуть вследствие ударной ионизации атомов
полупроводника и лавинообразного размножения носителей или туннельного
прохождения электронов через тонкий потенциальный барьер на p-n переходе. Если на
длине свободного пробега электрон приобретает энергию, достаточную для ионизации
атома, то в переходе начинается размножение носителей (вне перехода ионизация
маловероятна, так как большая часть напряжения выделяется на переходе), приводящее к
резкому росту обратного тока. Для возникновения ударной ионизации необходимо или,
чтобы длина свободного пробега была меньше ширины перехода (широкий переход), или
напряженность поля была бы такой большой, что требуемая энергия приобреталась бы на
пути, меньшем ширины перехода. Образованные вследствие ударной ионизации
электроны в свою очередь будут производить следующую ионизацию и т. д. Процесс
развивается лавинообразно.
При подключении стабилитрона к источнику постоянного напряжения через
резистор получается схема параметрического стабилизатора (рис.5.2.).
Рис.5.2. Схема параметрического стабилизатора
Ток стабилитрона Iст может быть определен вычислением падения напряжения на
резисторе,
Iст = (E - Uст)/R
Напряжение стабилизации определяется точкой на вольтамперной характеристике, в
которой ток стабилитрона Iст резко увеличивается.
Мощность рассеивания стабилитрона вычисляется как произведение тока Iст на
напряжение:
Рст = Uст·Iст
Дифференциальное сопротивление стабилитрона вычисляется так же, как для
диода, по наклону вольтамперной характеристики.
2. Выполнение работы
В работе должны быть исследованы все модели стабилитронов, указанных в списке
выбора вкладки Properties для элемента схемы “Стабилитрон”.
2.1. Измерение напряжения и вычисление тока через стабилитрон
а) Откройте файл схемы С9_021. Сконфигурируйте параметры стабилитрона
(установите в схему модель Вашего стабилитрона). Измерьте значение напряжения Uст
при значениях ЭДС источника E, приведенных в таблице 1, и занесите результаты
измерения в ту же таблицу.
б) Вычислите ток стабилитрона Iст для каждого значения напряжения Uст для
каждого значения напряжения Uст. Результаты вычислений занесите в таблицу 1.
в) По данным таблицы постройте вольтамперную характеристику стабилитрона.
Оцените по вольтамперной характеристике стабилитрона напряжение стабилизации.
г) Вычислите мощность Рст, рассеиваемую на стабилитроне при напряжении E = 20
В.
Измерьте наклон вольтамперной характеристики в области стабилизации
напряжения и оцените дифференциальное сопротивление стабилитрона в этой области.
2.2. Получение нагрузочной характеристики параметрического стабилизатора
а) Подключите резистор RL=75 Ом параллельно стабилитрону. Значение источника
ЭДС установите равным 20В. Включите схему. Запишите значение напряжения Uст на
стабилитроне в раздел "Результаты экспериментов"(в протокол отчёта лабораторной
работы).
б). Повторите пункт а) при коротком замыкании и сопротивлениях резистора RL в
200 Ом, 300 Ом, 600 Ом, 1 кОм.
в). Рассчитайте ток I1 через резистор R, включенный
последовательно с
источником, ток IL через резистор RL, и ток стабилитрона Iст для каждого значения RL из
таблицы 2. Результаты занесите в таблицу 2.
2.3. Получение вольтамперной характеристики стабилитрона на экране
осциллографа
Откройте файл С9_022. Сконфигурируйте параметры стабилитрона (установите в
схему модель Вашего стабилитрона). Включите схему. Запишите в экспериментальные
данные напряжение стабилизации, полученное из графика на экране осциллографа.
3. Результаты эксперимента (выполняется для всех исследованных
моделей стабилитронов)
Модель стабилитрона __________
Мощность, рассеиваемая на стабилитроне при напряжении E = 20 В Рст
=_____________
Таблица.1 Данные для построения вольтамперной характеристики стабилитрона
Е,В
0
4
…….
35
Uпр,мВ
Iпр,мА
Дифференциальное сопротивление стабиллитрона _____________
Таблица.2 Напряжение стабилитрона Uст, и значения токов при Е = 20. В
RL, оМ
75
100
…
1 ком
К.з.
Uст,В
I 1,мА
I L,мА
Iст, мА
4 . Содержание отчёта
Отчёт должен содержать:
1.Цель работы.
2.Схему включения стабилитрона.
3.Перечень исследуемых моделей приборов (обозначения).
4.Результаты измерений и вычисления по п.2.1. и п.2.2. для всех исследуемых
приборов.
5.Вольтамперную характеристику стабилитрона (для всех исследуемых приборов).
6.Величину
дифференциального
сопротивления,
полученного
анализом
вольтамперной характеристики для всех исследуемых приборов.
7.Вывод(ы).
5. Контрольные вопросы
1. Сравните относительное изменение напряжения на стабилитроне с относительным
изменением питающего напряжения. Оцените степень стабилизации.
2.Влияет ли значение сопротивления нагрузки на степень стабилизации выходного
напряжения стабилизатора?
3.Как изменяется напряжение стабилитрона, когда ток стабилитрона становится
ниже 20 мА?
4.Каково значение тока стабилитрона при входном напряжении 15 В?
5.Каково значение тока стабилитрона при значении сопротивления 200 оМ?
6.Как изменяется напряжение на выходе стабилизатора, при уменьшении
сопротивления R?
7. Каково назначение стабилитрона?
Лабораторная работа №7 «Исследование полупроводникового тиристора»
Цель работы:
1. Построение вольтамперной характеристики тиристора.
2. Определение напряжения самовключения тиристора.
3. Построение характеристики управления тиристора.
1. Общие сведения
Основой неуправляемого и управляемого переключающего прибора является
кристалл кремния, в котором созданы четыре чередующихся слоя р и n-проводимостей
(рис.5.1.).
Омические контакты выведены от крайнего р-слоя, являющегося анодом, и крайнего
n-слоя — катода.
Рис.5.1.
На концах располагаются омические контакта между ними — три перехода
(рис.5.1.). Предположим, что переходы 1 и 3 внешним источником смещены в прямом
направлении, то переход 2 оказывается смещенным в обратном направлении.
Характеристика имеет начало в точке пробоя Uвкл (рис. 5.2.). До сих пор речь
шла о работе прибора в режиме самовключения: при некотором значении
приложенного
напряжения сопротивление перехода уменьшается от нескольких
мегОм до единиц Ом.
Рис. 5.2. Вольт-амперная характеристика управляемого кремниевого выпрямителя. Напряжение переключения Uвкл зависит от инжектированного тока Iупр . 1 —
результирующая кривая после пробоя перехода 2.
Полезным добавлением служит контакт, через который в n-область между
переходами 1 и 2 можно инжектировать дырки, подавая положительное управляющее
напряжение. Ток Iупр определяет значение напряжения Uвкл, при котором прибор
оказывается в положении ,,включено", за счет инжекции избыточных не основных
носителей в область перехода 2.
Тиристоры, в которых управляющий электрод осуществляет только операцию
включения, называются незапираемыми. В этих приборах для выключения тиристора
необходимо уменьшить анодный ток до величины, меньшей удерживающего тока Iуд, или
изменить полярность приложенного к тиристору напряжения.
В запираемых тиристорах выключение осуществляется импульсом тока
управления отрицательной полярности.
Вольт-амперная характеристика тиристора (прямая и обратная ветви) при различных
токах управляющего электрода приведена на рис. 5.2., б.
Участок ОА прямой ветви характеристики соответствует выключенному состоянию
тиристора. Вблизи точки А ток тиристора быстро нарастает при небольшом увеличении
напряжения. Напряжение, соответствующее точке А характеристики, называется
напряжением включения Uвкл.
При подаче на тиристор напряжения обратной полярности ток тиристора остается
незначительным до напряжений, меньших Uобр max .
Характеристики управления незапираемого тиристора приведены на рис.5.4.
Рис.5.4. Характеристики управления тиристора
Область между крайними характеристиками показывает возможные изменения
управляющего тока и напряжения, при которых происходит включение тиристора
для различных температур (от—65 до +125°С).
Вследствие разброса управляющего тока в схемах, где требуется точное
фиксирование момента включения, желательно управлять импульсами напряжения с
крутым передним фронтом.
Во избежание повреждения тиристора напряжение и ток управления не должны
превышать предельно допустимых значений.
2. Выполнение работы
В работе должны быть исследованы все модели тиристоров, указанных в списке
выбора вкладки Properties для элемента схемы “Тиристор”.
2.1. Определение напряжения самовключения тиристора Uвкл.
Соберите следующую схему:
Рис.5.5.
Установите на генераторе синусоидального напряжения частоту 1Hz и амплитуду
10В. Включите стенд и посмотрите загорится ли лампочка. Лампочка гореть не будет.
Замените лампочку мультиметором (в режиме амперметра), либо амперметром.
Последовательно увеличивая амплитуду напряжения на генераторе от 10В (и шагом 10В)
добейтесь самовключения тиристора Uвкл.
2.2. Построение вольтамперной характеристики тиристора (выполняется для
кажой марки исследуемого прибора)
Подключите источник тока к управляющему электроду тиристора так, как вам
предлагается на рис.5.6. В цепь тока управляющего электрода добавьте нормально
открытый ключ (для формирования импульса тока с крутым передним фронтом).
Установите номинал источника тока 0А. Установите вместо лампы амперметр.
Установите величину тока в цепи управляющего электрода 0,001А. Последовательно
увеличивая амплитуду напряжения на генераторе от 10В (и шагом 10В) добейтесь
включения тиристора Uвкл для заданного тока управляющего электрода. Результаты
запишите в таблицу 1 раздела “результаты эксперимента”.
Рис.5.6.
По результатам эксперимента постройте вольтамперную характеристику тиристора
(см.рис.5.2.) и сделайте вывод по последней.
3. Результаты эксперимента (выполняются для каждой исследуемой модели
тиристора)
Модель тиристора ____
Напряжение самовключения ________ В.
Таблица 1. Ток тиристора
Ток
управляющего
электрод
а Iупр
Напряжение генератора синусоидального напряжения
вкл
1
2
3
4 . Содержание отчёта
Отчёт должен содержать:
4
5
6
7
8
9
n
1.Цель работы.
2.Схему включения тиристора.
3.Результаты измерений (таблица 1.) для всех моделей исследованных тиристоров.
4.Вольтамперную характеристику всех тиристоров.
5.Вывод(ы).
5. Контрольные вопросы
1. В чём назначение полупроводникового тиристора?
2. Каково устройство тиристора?
3. Каковы два основных типа тиристоров?
4. Расскажите механизм перехода тиристора из состояния с высоким сопротивлением
в состояние с низким сопротивлением.
5. Каким способом снижают напряжение самовключения тиристоров?
6. В чём назначение управляющего электрода в тиристоре?
Лабораторная работа №8 «Моделирование транзисторного автогенератора»
Цель работы: Анализ процессов в схеме транзисторного автогенератора.
1. Выполнение работы:
Для моделирования транзисторного автогенератора необходимо собрать схему (рис.
7.1). Выполнить размещение компонентов в рабочей области Electronics Workbench и
соединить все контакты проводниками.
Получить у преподавателя модель транзистора.
Выбор полученной модели выполнить его выбор из группы элементов Transistors, а
источник питания в наборе Sources. После соединения моделей деталей в схему
необходимо настроить параметры каждого компонента путем двойного нажатия на нем
левой клавишей мыши и заполнением окон параметров.
После настройки параметров можно попытаться включить источник питания путем
нажатия клавиши переключения питания и проверить наблюдением за панелью
осциллографа, выходит ли генератор в режим генерации.
Выполнить варьирование параметрами ёмкостей и сопротивлений схемы поочерёдно
в пределах ±20% (2-3 значения в сторону увеличения и в сторону увеличения и
уменьшения соответственно).
После получения соответствующих характеристик на экране осциллографа,
внесения результатов варьирования в отчёт по работе параметрам соответствующего
элемента схемы должны быть возвращены исходные значения.
Рисунок 7.1 – Модель транзисторного автогенератора
За сигналом на выходе генератора наблюдать, используя расширенное окно
терминала осциллографа.
Для каждого случая назначения параметров схемы получить момент начала
генерации сигнала и момент установки стабильного режима транзисторного
автогенератора. Детальный анализ характера сигнала выполнить, пользуясь полосами
прокрутки и изменениями параметров терминала.
Рисунок 7.2 – Сигнал на выходе транзисторного автогенератора
3. Содержание отчёта
Отчёт должен содержать:
1.Цель работы
2.Схему включения транзисторного автогенератора.
3.Перечень исследуемых моделей приборов (обозначения).
4.Таблицу варьируемых параметров схемы.
5.Результаты измерений в виде скриншотов расширенного окна терминала
осциллографа.
6.Выводы по результатам варьирования каждым из параметров схемы.
5.4 Краткое описание практических занятий
5.4.1 Перечень практических занятий
Выполнение практических занятий учебным планом дисциплины не предусмотрено.
5.5 Краткое описание видов самостоятельной работы
5.5.1 Общий перечень видов самостоятельной работы
Для успешного освоения дисциплины «Физика полупроводников» планируется
проведение следующих видов самостоятельной работы:
– подготовка к защите лабораторных работ;
- подготовка (написание) отчетов по выполнению лабораторных работ;
– самостоятельное изучение разделов курса;
– подготовка к промежуточному контролю знаний (тестированию);
– подготовка к зачёту.
5.5.2 Методические рекомендации по выполнению каждого вида
самостоятельной работы
1.Оформление отчётов по лабораторным работам
Перед выполнением лабораторных работ студент перед проводит самоподготовку к
их выполнению (ознакомление с ходом выполнения работы, повторение теоретического
материала по теме работы).
После выполнения лабораторных работ студент оформляет отчет по каждой работе с
включением в отчёт материала согласно порядка, указанного в методических указаниях по
выполнению лабораторных работ.
Отчет должен содержать цель, перечень исследуемых электронных приборов (марки,
шифры, либо номера по каталогу), краткое описание хода работы, таблицы измеренных в
ходе выполнения работы параметров, графики, вывод(ы) по работе.
Оформление отчета должно быть выполнено в соответствии с СТО ИРГТУ.005-2007
«Учебно-методическая деятельность. Общие требования к оформлению текстовых и
графических работ студентов».
Защита работ студентом выполняется в устной форме. В процессе защиты
преподаватель работает с студентом индивидуально, путём формулировки вопросов по
теме работы.
2. Самостоятельное изучение разделов курса
Как вид СРС при освоении дисциплины «Физика полупроводников»
предусмотрено самостоятельное изучение разделов (тем) курса.
При самостоятельном изучении материала важно выполнять сопоставление изучаемого
материала уже изученному в ходе аудиторных занятий, а также осваивать материал, не
охватываемый лекционными занятиями.
Изучать материал рекомендуется путём разбивки на тематические группы. В
процессе изучения соответствующей тематической группы, необходимо составить
список вопросов, которые возникли по ходу изучения материала. Ответы на данные
вопросы следует искать в процессе изучения других источников материала данной
тематической группы. Те вопросы, на которые в ходе самостоятельного изучения не
были получены ответы следует подготовить для того, чтобы задать их преподавателю.
1.
2.
3.
4.
5.
Темы для самостоятельного изучения
Внутренний фотоэффект в полупроводниках [1],[7].
Фото- и термополупроводниковые приборы [1], [2],[5].
Новые полупроводниковые материалы [6]
Принципы организации полупроводниковых наноструктур [3].
Полупроводниковые приборы на базе туннельного эффекта [4].
3. Подготовка промежуточному контролю знаний (тестированию)
Для контроля знаний по дисциплине «Физика полупроводников» предусмотрены
вопросы по темам.
Для промежуточного контроля знаний предусмотрены тесты (на выбор одного
правильного ответа из предложенных альтернатив, либо сопоставления вариантов) по
основным разделам курса (пример теста- Приложение 2). При подготовке к тестированию
студенту необходимо проработать лекционный материал и предлагаемую литературу.
4. Подготовка к экзамену
Подготовка к зачету или экзамену заключается в повторении материала, выносимого
для итогового контроля знаний (перечень вопросов или тем, вынесенных на зачет,
сообщается студентам преподавателем в конце семестра).
Критерием оценки итоговой аттестации являются:
1. Выполнение лабораторных работ согласно графику учебного процесса.
2. Оформление отчетов по лабораторным работам в соответствии с
предъявляемыми требованиями.
3. Результаты тестирования (промежуточный контроль знаний).
4. Компетентный ответ на вопросы к зачёту.
5.5.3 Описание курсового проекта (курсовой работы)
Выполнение курсового проекта (курсовой работы) «Физика полупроводников»
учебным планом не предусмотрено.
6 Применяемые образовательные технологии
При реализации данной программы применяются инновационные технологии
обучения, активные и интерактивные формы проведения занятий, указанные в таблице 2.
Таблица 2 - Применяемые образовательные технологии
Технологии
Виды занятий
Лекции
Лаб. раб.
СРС
Семинар в диалоговом режиме
+
Групповая дискуссия
+
Разбор конкретных ситуаций
+
7 Методы и технологии контроля уровня подготовки по дисциплине
7.1 Виды контрольных мероприятий, применяемых контрольноизмерительных технологий и средств.
- промежуточное тестирование;
- экзамен по дисциплине;
7.2 Критерии оценки уровня освоения учебной программы (рейтинг).
Для оценки результатов промежуточного тестирования
преподавателем
используются четыре степени градации в оценке результатов:
1.Оценка теста “ОТЛИЧНО” предполагает не менее 95% правильных ответов (от
95% до 100%).
2.Оценка “ХОРОШО” предполагает не менее 80% правильных ответов (от 80% до
95%).
3.Оценка “УДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНО” предполагает не менее 50% правильных
ответов (от 50% до 80%).
4.Оценка “НЕУДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНО” предполагает менее 50% правильных
ответов.
В случае оценки “НЕУДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНО” проверочный тест подлежит
пересдаче студентом. Допустимое число пересдач – не более 5.
В случае достижения студентом при решении теста граничных результатов смежных
оценочных градаций (95%, 80%,50%) соответствующая оценка трактуется в сторону
увеличения (в пользу студента).
7.3 Контрольно-измерительные материалы и другие оценочные средства для
итоговой аттестации по дисциплине.
Пример варианта теста при подготовке к промежуточному контролю знаний
ЗАДАНИЕ: Из нескольких вариантов ответов на предложенные вопросы студенту
необходимо выбрать правильный.
1. Главным условием электропроводности вещества является:
А) Наличие электронов в валентной зоне;
Б) Наличие запрещённой зоны, препятствующей переходу электронов из зоны
проводимости в валентную зону;
В) Слабая связь электрона с ядром;
Г) Высокая энергия электрона;
Д) Малая ширина запрещённой зоны;
Е) нахождение электрона в зоне проводимости;
Ж) нахождение электрона в валентной зоне;
2. Полупроводники
с
собственной
проводимостью
отличаются
от
полупроводников с примесной проводимостью:
А) количеством электронов в зоне проводимости;
Б) количеством электронов в валентной зоне;
В) Наличием донорной примеси;
Г) Наличием акцепторной примеси;
Д) Наличием любой примеси;
Е) Отсутствием примеси;
3. Процесс рассеяния электронов предполагает:
А)изменение траектории их движения;
Б)ускорение под действием электрического и магнитного полей;
В)отдачу электронами части ранее полученной энергии.
Г) переход атома в возбуждённое состояние.
4. Длина свободного пробега электрона:
А)есть протяжённость пройденного пути, где скорость электрона была постоянна;
Б) есть протяжённость пройденного пути, где ускорение электрона было постоянно;
В) есть протяжённость участка, где траектория электрона была линейна;
Г) есть протяжённость участка, где отсутствовали какие либо помехи на пути
движения электрона;
Д) есть протяжённость участка, пройденного электроном между двумя
последовательными взаимодействиями.
5. Под подвижностью электронов понимают:
А)их способность к самостоятельному передвижению;
Б) их способность к движению посредством электрического поля;
В) их способность к движению посредством магнитного поля;
Г)скорость дрейфа потока электронов для известной величины напряжённости
электрического поля;
Д) скорость дрейфа потока электронов для известной величины напряжённости
магнитного поля;
Е) Ускорение электронов для известной величины напряжённости электрического
поля;
Ж) Ускорение электронов для известной величины напряжённости магнитного поля;
Перечень вопросов к экзамену
1. Типы электронных приборов.
2. Подвижность электронов.
3. Основные сведения из электронной теории. Движение электронов в
электрическом поле. Действующие законы.
4. Движение электронов в магнитном поле.
5. Электроны в твёрдых телах. Энергетические уровни.
6. Возбуждённое состояние электрона. Ионизация.
7. Расщепление энергетических уровней. Подуровни.
8. Зона проводимости. Валентная зона.
9. Электропроводность вещества. Три условия возникновения электропроводности.
10. Проводники. Характер распределения энергетических уровней.
11. Полупроводники с собственной проводимостью.
12. Полупроводники с примесной проводимостью. Характер влияния примесей
различных типов на картину распределения разрешённых энергетических уровней.
13. Два типа примеси в полупроводниках.
14. Генерация. Рекомбинация.
15. Проводимости дырочного и электронного типов в полупроводниках.
16. Работа выхода.
17. Электронная эмиссия: термоэлектронная, фотоэлектронная, вторичная
электронная, электростатическая.
18. Термоэлектронная эмиссия. Уравнение Ричардсона-Дэшмана.
19. Фотоэлектронная
эмиссия.
Уравнение
Столетова.
Два
вида
фоточувствительности.
20. Граничная частота фотоэффекта.
21. Электронная и дырочная проводимости. Донорные и акцепторные примеси.
22. Генерация и рекомбинация. Основные и неосновные носители заряда.
23. Равновесная концентрация носителей заряда. Уравнение равновесной
концентрации.
24. Частичная компенсация примеси.
25. Основные особенности движения заряженной частицы в твёрдом теле (металле).
Влияющие факторы.
26. Длина свободного пробега. Время релаксации.
27. Эффект Холла. Постоянная Холла.
28. Измерение подвижности носителей заряда в полупроводниках. Схема Шокли и
Хайнса.
29. Четырёхзондовый метод Хейпса – Шокли.
30. Измерение коэффициента Холла полупроводников.
31. Измерение эффективной массы носителей заряда полупроводников.
32. Измерение ширины запрещённой зоны полупроводников.
33. Измерение времени жизни носителей в полупроводниках.
34. Выращивание монокристаллов полупроводников из расплава.
35. Зонная очистка. Зонная плавка полупроводников.
36. Эпитаксиальные методы получения чистых полупроводников: планарная
технология, эпитаксия, химическое осаждение.
37. Влияние темературы на подвижность и рассеяние носителей заряда.
38. Дрейфовый ток в полупроводниках. Причины возникновения.
39. Диффузионный
ток
в
полупроводниках.
Причины
возникновения.
Закономерности.
40. Электронно-дырочный переход. Механизм возникновения.
41. Основные носители. Неосновные носители.
42. Контактная разность потенциалов. Объемный заряд.
43. Вольт-амперная характеристика p-n перехода. Прямое напряжение. Обратное
напряжение.
44. Закономерности изменения диффузионного и дрейфового токов при приложении
прямого и обратного напряжения.
45. Инжекция и эстракция.
46. Пробой p-n перехода. Виды пробоев p-n перехода.
47. Тепловой пробой p-n перехода.
48. Электрический пробой p-n перехода.
49. Лавинный пробой p-n перехода.
50. Туннельный пробой p-n перехода.
51. Диоды. Конструкция.
52. Устройство биполярного транзистора. Типы транзисторов. Эмиттер. Коллектор.
База.
53. Работа транзистора p-n-p типа.
54. Переход металл – полупроводник. Механизм возникновения потенциального
барьера.
55. Переходы металл-диэлектрик-полупроводник (МДП).
56. Элементы интегральных схем. Микроэлектроника. Принцип получения
интегральных микросхем.
57. Полевые транзисторы.Два типа полевых транзисторов.
58. Полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода.
59. Напряжение отсечки полевого транзистора. Напряжение насыщения.
60. Характеристики полевого транзистора с затвором в виде p-n перехода.
61. Основные параметры транзисторов с затвором в виде p-n перехода.
62. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы). Два типа
МДП-транзисторов. Устройство.
63. Приборы с зарядовой связью. Устройство. Принцип работы.
64. Динисторы и тиристоры. Устройство. Принцип действия.
65. Время включения-выключения тиристора. Напряжение включения.
66. Фоторезисторы. Основные параметры. Недостатки.
67. Фотодиоды и фототранзисторы. Фотодиодный и вентильный режимы работы
фотодиода.
68. Светодиоды.
69. Терморезисторы (термисторы).
70. Гетероструктуры.
8 Рекомендуемое информационное обеспечение дисциплины
8.1 Основная учебная литература
1. Антипов Борис Львович Материалы электронной техники. Задачи и вопросы :
учеб. для вузов по специальностям электрон. техники / Б. Л. Антипов, В. С. Сорокин, В. А.
Терехов. - Изд. 3-е, стер. - СПб. : Лань, 2003. - 206 с. : a-ил. - (Учебники для вузов.
Специальная литература).
2. Афанасьев Николай Владимирович Физические основы электроники. Физика
полупроводников : учеб. пособие / Н. В. Афанасьев, Л. В. Мухаева. - Иркутск : Изд-во
ИрГТУ, 2006.- 95 с. : a-ил.
3. Ефимов Иван Ефимович Микроэлектроника: физ. и технол. основы, надежность
: учеб. Пособие для приборостроит. специальностей вузов / И. Е. Ефимов, И. Я. Козырь,
Ю.И. Горбунов. - 2-е изд., перераб. и доп.. - М. : Высш. шк., 1986. - 463 с. : a-ил.
4. Ефимов Иван Ефимович Основы микроэлектроники : учебник / И. Е. Ефимов, И.
Я. Козырь. - Изд.3-е, стер. - СПб. : Лань, 2008. - 383 с. : a-ил. - (Учебники для вузов).
5. Лозовский Владимир Николаевич Нанотехнология в электронике. Введение в
специальность : учеб. Пособие для вузов по специальности 210601 - "Нанотехнология в
электронике" / В.Н. Лозовский, Г. С. Константинова, С. В. Лозовский. - 2-е изд., испр. СПб. : Лань, 2008. - 327 с. : a-ил. - (Учебники для вузов. Специальная литература).
6. Материалы и элементы электронной техники : учеб. для вузов по направлению
подгот. бакалавров, магистров и специалистов 210100 "Электроника и
микроэлектроника": в 2 т. / В. С. Сорокин, Б. Л. Антипов,Н. П. ЛазареваТ. 1Проводники,
полупроводники, диэлектрики, 2006. - 439 с. : a-ил.
7. Степаненко Игорь Павлович Основы микроэлектроники : [Учеб. пособие для
вузов] / И. П. Степаненко. - 2-е изд.. - М. : Лаб. базовых знаний, 2003. - 488 с. : a-ил. (Технический университет).
8. Таиров Юрий Михайлович Технология полупроводниковых и диэлектрических
материалов : учеб.для вузов по специальности "Физика и технология матер. и
компонентов электрон. техн. ", "Микроэлектроника и полупроводниковых приборов" / Ю.
М. Таиров, В. Ф. Цветков. - М. : Высш. шк., 1990. - 422 с. : a-ил.
9. Физические основы электроники : метод. указания к лаб. работам для
специальности 140604 / Иркут. гос. техн. ун-т. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ,2006. - 24 с. : aил.
Дополнительная учебная и справочная литература.
1. Информационные технологии в радиотехнических системах : учеб. пособие для
вузов по специальностям "Радиотехника"... / В. А. Васин [и др.]; под ред. И. Б. Федорова. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М. : Изд-во МГТУ, 2004. -764,[1] с. : a-a-ил. - (Информатика в
техническом университете)
2. Петров Константин Степанович Радиоматериалы, радиокомпоненты и
электроника : учеб. пособие длявузов по направлению 654200 "Радиотехника" / К. С.
Петров. - СПб. :Питер, 2006. - (Учебное пособие).
3. Пасынков Владимир Васильевич Полупроводниковые приборы : учеб. пособие
для вузов по направлению подгот. бакалавров и магистров "Электроника и
микроэлектроника"... / В. В.Пасынков, Л. К. Чиркин. - Изд. 8-е, испр. - СПб. : Лань, 2006. 478 с. : a-ил.- (Учебники для вузов. Специальная литература).
4. Леоненко Алексей Сергеевич Силовые полупроводниковые приборы : учеб.
пособие / А.С. Леоненко. -Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2005. - 114 с. : a-a-ил
5. Гальперин Михаил Владимирович Электротехника и электроника : учеб. для
образоват. учреждений сред.проф. образования / М. В. Гальперин. - М. : Форум, 2007. 479 с. :a-ил. -(Профессиональное образование)
8.2
Электронные образовательные ресурсы:
8.2.1 Ресурсы сети Интернет
1. http://workbench.online.kg/
2. http://bitpro.aha.ru/ITO/ITO98/2/TSVELAJA.html
3. http://softline.perm.ru/interactive/articles/art1.htm
Программа составлена в соответствии с ФГОС по направлению подготовки 220700
«Автоматизация технологических процессов и производств»
Программу составил:
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа