апавпавп. МУ к л.р. 1. Исследование вах полупроводниковых диодов 2 Содержание
 Скачать 338.91 Kb.
|
|
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторной работе №1 ИССЛЕДОВАНИЕ ВАХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ 2 Содержание 1. Задание на подготовку к выполнению лабораторной работы ……………… 3 2. Теоретическое введение ………………………………………………………...3 3. Задание на выполнение лабораторной работы ……………………………….. 6 3.1 Расчетная часть работы………………………………………………………6 3.2Экспериментальная часть работы……………………………………………7 4. Рекомендации к выполнению исследований………….………………………..7 4.1 Исследование прямой ветви ВАХ диодов...………………………………. 7 4.2 Исследование обратной ветви ВАХ диодов………………………………. 8 4.3 Исследование обратной ветви ВАХ стабилитронов…………………….....9 4.4 Исследование прямой ветви ВАХ стабилитронов ...……………………....9 5. Содержание отчета ……………………………………………………………...10 Приложение А………………………………………………………………………10 3 1 Задание на подготовку к выполнению лабораторной работы Тема: Исследование полупроводниковых устройств Цель работы: 1. Изучить характерные свойства электронно-дырочного перехода, определяющие характеристики выпрямительного диода и стабилитрона (лекция №2). 2. Приобрести навыки работы с измерительными приборами, а также по обработке и оформлению полученных результатов. Выполнению данной работы должна предшествовать предварительная подготовка, состоящая в следующем: 1. Изучение темы и цели лабораторной работы. 2. При изучении теоретического материала в объеме материала лекций и теоретического введения обратить внимание на следующие основные вопросы: - физические процессы, определяющие одностороннюю проводимость электронно-дырочного перехода; - энергетическую диаграмму р-n перехода; - типы пробоя электронно-дырочного перехода и его вольтамперная характеристика (ВАХ); - основные параметры, характеризующие выпрямительные диоды и стабилитроны. 3. Оформление заготовки для отчета (см. раздел 6). 4. Выполнение указаний разделов 4 и 5. Номер варианта для выполнения лабораторной работы должен выбирается по двум последним цифрам номера пароля. Варианты приведены в Приложении А. 2 Теоретическое введение Электронно-дырочный переход (р-n переход) – это контакт двух проводников с различным типом проводимости. Изготовляется он обычно из одного кристалла полупроводника, в котором формируются области с повышенной концентрацией акцепторной примеси (р-область) и донорной примеси ( n-область). В зависимости от технологии изготовления существуют различные типы р-n переходов, например - резкий или плавный р-n переходы. В резком переходе область изменения концентрации примеси значительно меньше толщины области пространственного заряда, который образуется за счет диффузии электронов и дырок, а в плавном переходе - наоборот. 4 Если переход находится в равновесии (внешнее электрическое поле отсутствует), то его состояние определяется двумя конкурирующими процессами: 1) диффузией основных носителей - дырок из р-области в n-область и диффузией электронов в обратном направлении; 2) дрейфом неосновных носителей под действием поля перехода. В условиях равновесия полный ток через переход (дрейфовый плюс диффузионный) носителей каждого знака равен нулю . Если приложить к переходу разность потенциалов U, то величину полного тока через переход можно попытаться определять по следующей приближѐнной формуле: 1 0 kT qU e I I , (2.1) где: 0 I – ток насыщения (I обр max ); [ А ] q – заряд электрона; [ К ] k – постоянная Больцмана; [ Дж/К ] T – абсолютная температура; U – приложенное к переходу внешнее напряжение, причем «+» (плюс) – соответствует прямому напряжению, «–» (минус) – соответствует обратному напряжению; [ В ]. Вольт – амперная характеристика диода представлена на рисунке 2.1. Рисунок 2.1 - Вольт – амперная характеристика диода ВАХ диода можно описать математической формулой (2.2.). 5 0 ln I I I U o пр T пр , (2.2) где φ Т = 25 мВ; I 0 = 2,48·10 -11 А. ВАХ стабилитрона представлена на рисунке 2.2. Рисунок 2.2 - Вольт – амперная характеристика стабилитрона Ток стабилитрона определяется по формуле (2.3). max min 5 , 0 ст ст ст I I I . (2.3) Обратную ветвь ВАХ стабилитрона можно описать формулой (2.4). M обр л ст обр I I U U 1 , (2.4) где I л = -10 -4 А – обратный (дрейфовый) ток в обедненной зоне; U ст - номинальное напряжение стабилизации; М – коэффициент лавинного размножения (М=5). 6 3 Задание на выполнение лабораторной работы 3.1 Расчѐтная часть работы 1. Выбрать диод, в соответствии с вариантом и записать значения следующих параметров диода: - предельно-допустимый постоянный прямой ток max пр I ; - предельно-допустимое обратное напряжение max обр U Значения max пр I и max обр U найти для соответствующего варианта, используя ресурсы Internet и записать в отчет. max пр I = max обр U = 2. Построить прямую ветвь ВАХ диода. Для построения прямой ветви ВАХ использовать формулу 2.2. 3. Задать 6 значений прямого тока, которые вычисляются по выражениям во 2-м столбце таблицы 3.1. Полученные значения являются рекомендуемыми, их допускается округлять до ближайшего «удобного» числа. Таблица 3.1 - Прямая ветвь ВАХ диода типа ... № пр I , mA пр U , В формула Рассчитанное значение 1 2 3 4 1. 0.05 max пр I 2. 0.1 max пр I 3. 0.3 max пр I 4. 0.5 max пр I 5. 0.7 max пр I 6. 0.95 max пр I 4. Выбрать стабилитрон, в соответствии с вариантом и записать значения следующих параметров стабилитрона: - минимальный ток стабилизации min ст I ; - максимальный ток стабилизации max ст I ; - номинальное напряжение стабилизации ст U Значения min ст I , max ст I и ст U найти для соответствующего варианта, используя ресурсы Internet. 5. Построить обратную ветвь ВАХ стабилитрона. Для построения обратной ветви ВАХ использовать формулу 2.4. 7 6. Задать 5 значений обратного тока, которые вычисляются по выражениям во 2-м столбце таблицы 3.2. Полученные значения являются рекомендуемыми, их допускается округлять до ближайшего «удобного» числа. Таблица 3.2 - Обратная ВАХ стабилирона типа ... № обр I , mA обр U , В формула Рассчитанное значение 1 2 3 4 1. 0.5 I ст min 2. I ст min 3. 0.2 I ст max 4. 0.5 I ст max 5. 0.95 I ст max 3.2 Экспериментальная часть работы Для проверки рассчитанных значений выполнить измерения, используя виртуальный универсальный лабораторный стенд. Основные сведения работы на виртуальном стенде приведены в Приложении Б. 1. С помощью измерительных схем рисунков А.1 и А.2, приведенных в приложении Б, исследовать прямую и обратную ветви ВАХ выпрямительного диода определенной марки. Построить их графики в одних осях с ВАХ, рассчитанной в п.3.1. Найти I 0 по обратной ветви ВАХ диода, построенной по измерениям. 2. С помощью измерительных схем рисунков А.3 и А.4 исследовать прямую и обратную ветви ВАХ стабилитрона определенной марки, выбранной из Приложения. Построить их графики в одних осях с ВАХ стабилитрона, рассчитанной в п.3.1. 4 Рекомендации к выполнению исследований 4.1 Исследование прямой ветви ВАХ диода 1. Собрать схему, представленную на рисунке А.1. 2. Задать те же 6 значений прямого тока источника I 1 , ( таблица 3.1). Для каждого установленного 1 I измерить по показаниям V 1 прямое напряжение, результаты измерений записать в 3-й столбец таблицы 4.1. При оформлении отчѐта в первый столбец вместо выражений вписать вычисленные значения. При оформлении таблицы в отчѐте рекомендуется фиксировать значения токов и напряжений в тех единицах, которые являются наиболее оптимальными. 8 Таблица 4.1 - Прямая ветвь ВАХ диода типа ... № пр I , mA пр U , В формула Рассчитанное значение 1 2 3 4 1. 0.05 max пр I 2. 0.1 max пр I 3. 0.3 max пр I 4. 0.5 max пр I 5. 0.7 max пр I 6. 0.95 max пр I 4.2 Исследование обратной ветви ВАХ диода 1. Изменить включение диода, собрав схему, представленную на рисунке А.2. 2. Задать 7 значений обратного напряжения с помощью источника 1 E , которые вычисляются по выражениям во 2-м столбце таблицы 4.2. Как и при измерении прямой ветви ВАХ, полученные значения являются рекомендуемыми. Для каждого значения обр U измерить обратный ток по амперметру 1 A , измеренные величины зафиксировать в 3-м столбе таблицы 4.2. Таблица 4.2 - Обратная ветвь ВАХ диода типа ... № обр U ,В обр I , мкА формула Рассчитанное значение 1 2 3 4 1. 0.005 max обр U 2. 0.01 max обр U 3. 0.05 max обр U 4. 0.07 max обр U 5. 0.1 max обр U 6. 0.5 max обр U 7. 0.95 max обр U 3. По значениям таблиц 4.1 и 4.2 построить графики прямой и обратной ветвей ВАХ. 9 4.3 Исследование обратной ветви ВАХ стабилитрона 1. Собрать схему рисунка А.3, установив тип стабилитрона (выбирается в соответствии с вариантом). 3. Измерить по вольтметру 1 V напряжение стабилитрона при 5 рекомендуемых значениях обратного тока обр I (аналогично таблице 3.2). Вычисленные значения тока обр I устанавливаются с помощью источника 1 I Измеренные и установленные значения занести в таблицу 4.3. Таблица 4.3 - Обратная ВАХ стабилирона типа ... № обр I , mA обр U , В формула Рассчитанное значение 1 2 3 4 1. 0.5 I ст min 2. I ст min 3. 0.2 I ст max 4. 0.5 I ст max 5. 0.95 I ст max 4.4 Исследование прямой ветви ВАХ стабилитрона 1. Изменить включение стабилитрона - перейти к схеме, представленной на рисунке А.4. 2. Измерить прямое напряжение при 5 рекомендуемых значениях тока пр I , указанных во 2-м столбце таблицы 4.4. Измеренные и установленные значения занести в таблицу 4.4. Таблица 4.4 - Прямая ВАХ стабилитрона типа ... № пр I , mA пр U , В 1 2 4 1. 1mA 2. 4 mA 3. 10 mA 4. 15 mA 5. 21 A 3.По значениям таблиц 4.3 и 4.4 построить графики прямой и обратной ветви ВАХ стабилитрона. 10 5 Содержание отчета 1. Тема и цель лабораторной работы. 2. Таблицы 3.1 и 3.2. 3. Таблицы наблюдений 4.1, 4.2, 4.3, 4.4. 4. Графики ВАХ исследованных диодов и стабилитронов (рассчитанные и измеренные). 5. Выводы по результатам проведенных исследований. Приложение А Схемы для снятия ВАХ диода Рисунок А.1 - Схема для измерения прямой ветки ВАХ диода Рисунок А.2 - Схема для измерения обратной ветви ВАХ диодов 11 Схемы для снятия ВАХ стабилитрона Рисунок А.3- Схема для измерения обратной ветви ВАХ стабилитронов Рисунок А.4- Схема для измерения прямой ветви ВАХ стабилитрона Величина ЭДС, а также параметры пассивных элементов схем устанавливается следующим образом: а) курсор «мыши» наводится на соответствующий элемент схемы; б) «кликаньем» правой кнопки вызывается всплывающее меню, из которого вызывается пункт «component properties»; с) далее выбирается пункт «value», в котором устанавливается требуемая величина и единица измерения настраиваемого параметра. Типы (марки) диодов и других активных элементов выбираются следующим образом: а) курсор «мыши» наводится на соответствующий элемент схемы; б) «кликаньем» правой кнопки вызывается всплывающее меню, из которого вызывается пункт «component properties»; с) далее из списка «library» выбирается библиотека, а из списка «models» – соответствующий тип диода. Функционирование схемы запускается с помощью переключателя , расположенного в правой части панели инструментов. Кнопкой «pause» можно останавливать функционирование; повторным нажатием – снова разрешать функционирование схемы. 12 |