Лаб. Практикум 1 по курсу физические основы электроники москва 2015 План умд на 20142015 уч г
 Скачать 0.84 Mb.
|
|
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ И ИХ КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ Цель работы Изучение особенностей полупроводниковых диодов различных типов и их компьютерных моделей различной степени сложности и точности. Краткие теоретические сведения Полупроводниковые диоды являются одними из наиболее распространённых электронных элементов. Ещё чаще их основа - p-n переход или другие виды контактов полупроводник-полупроводник или полупроводник-металл используются как составные части транзисторов и интегральных схем. Простейшей компьютерной моделью полупроводникового диода является электронный ключ, обладающий нулевым сопротивлением при прямом напряжении и бесконечным – при обратном. Такая модель отражает главное свойство диода – одностороннюю проводимость. Однако при этом не учитывается наличие прямого и обратного сопротивлений, их нелинейность и другие важные свойства реальных диодов. Более совершенной является модель, основывающаяся на формуле Шокли (так называемая «теоретическая» или «идеализированная» вольт-амперная характеристика (ВАХ):     I = I0(exp(V/VT) – 1) (1)Диод при этом моделируется, как зависимый источник, зависимость тока I которого от приложенного напряжения V описывается выражением (1). Здесь I0 – ток насыщения – главный параметр диода, определяющийся размерами, особенностями конструкции, типом полупроводника; VT – термический потенциал kT/q. График такой ВАХ представлен на рис. 1, кривая 1. Но и такая модель не отражает важнейших свойств реального диода: возникновение пробоя при обратном напряжении, наличие наклона начальной части обратной ветви ВАХ, вырождение экспоненты в линейную зависимость тока от напряжения в области больших прямых токов (рис. 1, кривая 2). Кроме того, такая модель не учитывает инерционные свойства диода: согласно (1), поведение диода не зависит от частоты и времени, т.е. частотные и импульсные свойства полагаются идеальными. Поэтому при моделировании электронных схем используются более совершенные модели. Главными требованиями при этом являются обеспечение достаточной точности и в тоже время достаточной простоты в математическом смысле. В противном случае при разработке сложных электронных устройств, например интегральных схем для компьютеров, включающих сегодня миллиарды р-n и подобных переходов, разработчикам не хватает ресурсов даже суперкомпьютеров.     Iпр 1 2 Iпр   ICV      обр Vпр Vобр BV Vпр1    VC   2 Iобр Iобр Рис. 1. Идеализированная (1) и Рис. 2. ВАХ усложнённой реальная (2) ВАХ диода компьютерной модели На рис. 2 приведена ВАХ более сложной и точной модели. Диод также представляется зависимым источником тока, однако эта зависимость описывается не одним, а тремя уравнениями. Это позволяет отобразить два близких к прямой участка ВАХ простейшими уравнениями первой степени. Уравнение (2) описывает участок пробоя, уравнение (4) – линейную часть ВАХ при прямом напряжении. Уравнение (3) – уравнение Шокли, которое хорошо описывает среднюю часть ВАХ диода. Частотные и импульсные свойства диода учитываются введением в эквивалентную схему емкости диода С, а наклон допробойной части ВАХ достигается введением в схему сопротивления утечки RL.     I  (V – BV)/RZ при V < BV (2)C I = I0(exp(V/VT) – 1) при BV V VC (3) RL IC + (V – VC)/RS при V > VC (4) Максимальное совпадение ВАХ модели с ВАХ реального диода или перехода достигается нахождением точных значений параметров модели. Например, параметр BV определяет напряжение пробоя, а параметры RZ и RS – наклон участков пробоя и линейной зависимости тока от прямого напряжения соответственно. Существуют многочисленные библиотеки параметров моделей выпускаемых промышленностью диодов и других элементов, без которых моделирование и разработка электронных устройств невозможна. В данной модели сильная и сложная зависимость тока насыщения I0 от температуры T учитывается соотношением: I0 = IS(T/Tкомн )3exp(-EG(1/T – 1/Tкомн)/k), (5) где IS – ток насыщения при комнатной температуре Tкомн, EG – ширина запрещенной зоны, k – постоянная Больцмана. Примерной границей, где экспоненциальная ВАХ переходит в линейную, является точка с координатами VC, IC, которые также являются параметрами модели. Свойства диода при переменном токе учтены введением в эквивалентную схему полной емкости C: C = CJ + CD, (6) где CJ и CD - барьерная и диффузионная емкость диода соответственно. Эти емкости определяются обычными формулами: CJ = CJ0/(1 – V/VJ)M, CD = TTI/VT, (7), (8) где CJ0 – барьерная емкость при нулевом напряжении, VJ – контактная разность потенциалов, М – коэффициент, учитывающий степень влияния обратного напряжения на величину барьерной емкости, TT – среднее время жизни (пролёта) неосновных носителей в базе, I – прямой ток. Таким образом, данная модель включает следующие параметры: IS – saturation current – ток насыщения (тепловой ток) при Ткомн; BV – reverse breakdown “knee” voltage – напряжение пробоя; RS – series resistance – минимальное сопротивление открытого состояния (сопротивление базы); CJ0 – zero-bias junction capacitance (depletion capacitance) – барьерная емкость при нулевом напряжении; RL – junction leakage resistance – сопротивление утечки; EG – energy gap – ширина запрещенной зоны; M – junction grading coefficient – показатель степени в выражении для барьерной емкости; VJ – junction potential – контактная разность потенциалов; TT – transit time – среднее время жизни (время пролета) неосновных носителей в области базы; RZ – Zener resistance – дифференциальное сопротивление на участке пробоя; VC, IC – примерные координаты точки на прямой ветви, где экспоненциальная зависимость переходит в линейную. Не следует путать параметры модели с независимыми переменными I, V, T. Описанная модель стала основой для моделей большей точности и сложности профессиональных программ PSPICE и подобных. Большинство перечисленных параметров – основные и в этих, более сложных моделях. Число параметров в более точных и сложных моделях диодов может превышать 30, главным образом, за счёт многочисленных температурных коэффициентов, учитывающих температурную зависимость основных параметров. 3. Методические указания по выполнению лабораторной работы 1. Открыть программу Microcap 10, щелкнув дважды по ее значку на рабочем столе. 2. В меню File программы выбрать пункт Save as.. и сохранить файл в папку «Студент» на диске D:\ под именем, содержащим номер группы и слово «диод» (например, БИН0101диод). 3. Щелкнуть на иконку с изображением диода в верхней части окна на панели инструментов. Курсор примет вид условного графического обозначения диода на рабочем столе окна программы. Так же можно выбрать пункт «Diode» в каталоге Analog primitives/Passive components. 4. Установить диод на рабочий стол окна программы. Появится окно со свойствами диода (так же его можно вызвать, щелкнув на изображении диода на рабочем столе). В правой части окна в перечне, начинающемся с «$Generic» выбрать название модели, соответствующей заданному варианту. Модель диода определяется по таблице 1. Таблица 1.
После выбора модели диода станут доступными численные значения ее параметров ( см. Примечания ) 5. Определить и записать в отчет тип перехода, используемого в заданном диоде. Для кремниевых p-n переходов характерна ширина запрещенной зоны EG = 1,11 эВ, для арсенид-галлиевых – EG = 1,3 эВ, для метало-полупроводниковых переходов Шотки – EG = 0,6 эВ и менее. 6. Определить и записать в отчет назначение диода: - высоковольтные диоды имеют напряжение пробоя BV 1000 В и более; - сильноточные диоды имеют сопротивление открытого состояния RS сотые доли Ом и менее; - стабилитроны с лавинным пробоем в настоящей работе имеют напряжение пробоя BV от 6 до 20 - 30 В; - стабилитроны с туннельным пробоем имеют напряжение пробоя BV менее 6 В; - высокочастотные диоды имеют ёмкость CJ0 порядка 2 пФ и менее; - импульсные диоды имеют среднее время жизни неосновных носителей (время пролёта) ТТ порядка нескольких нс и менее; - варикапы обладают сильной зависимостью барьерной ёмкости от обратного напряжения, коэффициент влияния М достигает единицы и более (обычно М=0,5 или 0,3 для плавных переходов). - диоды Шотки могут одновременно допускать большие токи (малое RS), обладают малыми тепловыми потерями (за счёт малого напряжения открытого состояния) и обладать хорошими импульсными свойствами (малое ТТ). 7. Вызвать на экран прямую ветвь ВАХ диода. Для этого в окне над перечнем диодов выбрать «If vs. Vf» и нажать «plot». В левой части экрана появится график прямой ветви ВАХ. Чтобы график охватывал возможно больший диапазон токов, используется логарифмический масштаб тока. При таком масштабе экспоненциальная зависимость отображается в виде прямой линии, в отличие от экспоненты при линейном масштабе (рис. 1). И только в верхней части, в области больших прямых токов, рост тока уменьшается из-за влияния RS (сопротивления базы). 8. Нажать клавишу F8. В жёлтом верхнем окне появятся максимальные для представленного графика значения напряжения и тока. Перемножив их, получить тепловую мощность Ррасс, выделяющуюся в диоде в этом режиме. Определить и записать в отчет, к какому классу по мощности относится исследуемый диод: для микромощных диодов характерна Ррасс 1 мВт и менее, для среднемощных до 1 Вт, Ррасс мощных диодов может достигать десятков и сотен Вт. 9. Нажать клавишу F9. В появившемся окне к значению исходной температуры в градусах Цельсия 27 через запятую добавить повышенную температуру 57 (27,57). Нажать «plot». Схематично зарисовать обе ВАХ, указав на графиках минимальные, максимальные значения токов и напряжений и два-три промежуточных. Сделать вывод о влиянии температуры на ток открытого диода. Закрыть диалоговое окно и окно с построенными зависимостями тока от прямого напряжения. 10. Вызвать на экран обратную ветвь ВАХ диода. Для этого в окне над перечнем диодов выбрать «Ir vs. Vr» и нажать «plot». В левой части экрана появится часть обратной ветви ВАХ, соответствующая участку пробоя. 11. Нажать клавишу F9. В появившемся окне к значению исходной температуры в градусах Цельсия 27 через запятую добавить повышенную температуру 57 (27,57). Нажать «plot». Схематично зарисовать обе ВАХ, используя минимальные, максимальные значения токов и напряжений и два-три промежуточных, и сделать вывод влиянии температуры на напряжение пробоя. 4.Содержание отчёта Отчёт должен содержать: - название, цель работы; - условное обозначение заданного диода; - тип перехода заданного диода; - назначение заданного диода; - максимальную величину Ррасс и мощностную категорию диода ; - рисунки прямых и обратных ветвей ВАХ с указанием на осях величин и их размерностей и с указанием исходной и повышенной температуры. Контрольные вопросы Как моделируется идеализированный р-п переход? Сколько параметров в такой модели? Как и почему отличаются ВАХ идеализированного и реального диодов? Перечислите и поясните физический смысл рассмотренных в разделе 2 параметров модели. Какие свойства реального диода отражают соотношения (2) – (6)? Чем отличаются ВАХ кремниевого, арсенид-галлиевого р-п диодов, диода Шотки? В чем заключаются конструктивные особенности высоковольтных диодов? Сильноточных? Чем отличаются стабилитроны с туннельным и лавинным пробоем? Чем отличаются высокочастотные диоды? Импульсные диоды? В чем заключаются особенности варикапов? В чем заключаются недостатки моделей диода, рассмотренных в разделе 2? Примечания: 1. В программе используются следующие принятые в программе МС10 буквенные обозначения множителей для численных значений:
2. В работе рассматриваются только перечисленные ранее основные параметры. Нулевые или пропущенные значения некоторых параметров в таблице на экране означают, что для данной модели они не являются определяющими и рассматриваются в моделях более высокого уровня. |