Лабы

ЭЛЕКТРОНИКА

(Часть 1)

Рекомендации к выполнению лабораторных работ Лабораторные работы №1, №2, №3, №4

составлены

доц. каф. оптоэлектроники

Левченко А.С.

2013 (прототип 16.04.2013)

Введение

Стенд для проведения работ состоит из двух частей: базового и лабораторного модуля.

Внешний вид лицевой панели базового и лабораторного модуля показан на Рисунке 1 и Рисунке 2. В состав стенда входят: генератор низкой частоты, два мультиметра, содержащие вольтметр и амперметр, источники регулируемого постоянного напряжения, источники фиксированного напряжения, а также генератор импульсов.

Генератор низкой частоты способен выдавать синусоидальный или прямоугольный сигнал в зависимости от выбранного режима. Амплитуда выходного напряжения может изменяться ручкой регулировки от 0В до 5В. Диапазон частот выходного сигнала изменяется от 40Гц до 150кГц. Генератор способен обеспечивать ток до 20мА.

Рисунок 1 – Базовый модуль

Цифровое табло, переключатель режимов и диапазонов, кнопка включения, а также регулятор частоты ГНЧ находятся в базовом модуле. Клеммы выхода с аттенюатором, регулятор уровня выходного сигнала выведенный в лабораторный модуль. Каждый мультиметр имеет вольтметр и амперметр с идентичными характеристиками.

Вольтметры способны измерять переменные и постоянные напряжения величиной до 200В. Диапазон измеряемых напряжений разбит на поддиапазоны: 2В, 20В, 200В. Входное сопротивление составляет 1МОм.

Рисунок 2 – Лабораторный модуль

Амперметры предназначены для измерения постоянного тока величиной до 200мА. Имеются поддиапазоны: 2мА, 20мА, 200мА. Сопротивления шунтов составляют 1Ом, 10Ом и 100Ом в соответствии с выбранным диапазоном.

Приборы индикации, кнопки включения питания мультиметров размещены в базовом модуле. Входы, а также переключатели диапазонов выведены в лабораторный модуль.

Источник регулируемого постоянного напряжения E1 способен поддерживать постоянное напряжение на своём выходе в пределах от 0В до 10В, что задаётся вручную. Максимальный ток составляет 20мА.

Источник регулируемого постоянного напряжения E2 обеспечивает на выходе устанавливаемое вручную напряжение в диапазоне от 0В до 20В при максимальном токе до 50мА. Регуляторы выхода, а также клеммы источников питания выведены в лабораторный модуль.

Источник стабилизированного напряжения E3 обеспечивает двуполярное напряжение питания +15В/-15В с заземлённой средней точкой.

Источник стабилизированного напряжения E4 поддерживает на своём выходе напряжение величиной 5В. Максимальная сила тока, обеспечиваемая источником, составляет 100мА. Выходы источников расположены в лабораторном модуле.

Данные источники питания снабжены защитой от перегрузок по току. При коротком замыкании, а точнее при превышении допустимого тока, срабатывает автоматическое выключение, что сопровождается звуковым сигналом зуммера. При срабатывании защиты необходимо выключить тумблер сработавшего источника, и устранить причину. При повторном включении источник питания запустится в нормальное состояние функционирования. Такая система защиты предотвращает выход из строя исследуемых полупроводниковых приборов и самой установки в целом.

Лабораторная работа №1

Изучение устройства и принципов работы полупроводниковых диодов

Цель работы: изучить принципы работы и свойства полупроводниковых диодов, экспериментально получить вольтамперные характеристики.

Перед выполнением лабораторной работы рекомендуется изучить теорию по теме [1–7 ].

Краткие теоретические сведения

Полупроводники занимают промежуточное место по величине удельной проводимости между проводниками и диэлектриками. Для полупроводников характерно кристаллическое строение. Рассмотрим кристаллическую решётку германия (Рис. 1). Этот элемент имеет четыре валентных электрона, так как соседние атомы связанны друг с другом двумя валентными электронами (по одному от каждого атома). Такая связь называется ковалентной.

Рисунок 1 – Структура кристаллической решётки германия

В результате один валентный электрон принадлежит двум атомам (Рис. 2). В этом случае внешние орбиты атомов будут иметь по восемь

электронов, то есть являются заполненными. Такую структуру германий имеет при температуре T 0K , и в этом случае его проводимость равна нулю.

Рисунок 2 – Ковалентная связь атомов германия

Под действием тепла часть валентных электронов освобождается от ковалентной связи. Возникает свободное место, называемое дыркой, которое ведёт себя как положительный заряд, по величине равный заряду электрона. Дырка может притянуть электрон из соседней связи. В результате разрушается одна связь и восстанавливается другая. Происходит перенос заряда. При наличии внешнего электрического поля дырки движутся по полю, а электроны против (Рис. 3). В данном случае имеет место электронная (n) и дырочная (p) проводимость. В химически чистом полупроводнике число дырок равно числу свободных электронов.

Преобладание какого-либо вида проводимости достигается за счёт введения в полупроводник примеси. В результате увеличивается концентрация дырок, либо электронов.

Рисунок 3 – Механизм протекания тока в полупроводнике

В полупроводнике p-типа преобладает концентрация дырок. В полупроводнике n-типа преобладает концентрация электронов.

Основные свойства p-n перехода

Граница в полупроводнике между p- и n-областями называется p- n переходом. Движение зарядов через переход носит характер диффузии (Рис. 4).

Рисунок 4 – Диффузия зарядов через p-n переход

Дырки, диффундируя в n-область, заряжают её край положительно. Электроны, диффундируя в p-область, заряжают ёе край отрицательно. В результате с обеих сторон p-n перехода образуются объёмные заряды (Рис. 5), поле которого препятствует дальнейшей диффузии. Возникший потенциальный барьер характеризуется установившейся разностью потенциалов.

Рисунок 5 – Образование объёмного заряда в p-n переходе

Рисунок 6 – Прохождение тока в прямом направлении через p-n переход

Если к p-n переходу приложить напряжение (рис. 6), с направлением приложенного поля противоположно полю объёмных пространственных зарядов по обе стороны p-n перехода. В результате потенциальный барьер снижается, и диффузия зарядов возобновляется.

При изменении полярности приложенного напряжения заряды будут уходить от p-n перехода к полюсам источника (Рис. 7). В этом случае через p-n переход протекает малый обратный ток, обусловленный наличием в областях неосновных носителей зарядов. Поэтому считается, что p-n переход обладает односторонней проводимостью.

Рисунок 7 – Прохождение тока в обратном направлении через p-n переход

Вольтамперная характеристика p-n перехода.

Зависимость тока через p-n переход от величины приложенного напряжения называется вольтамперной характеристикой (сокращённо ВАХ) (Рис. 8).

Рисунок 8 – Вольтамперная характеристика p-n перехода

Приближённое аналитическое выражение задаётся формулой:

I I0[exp(eU ) 1],

(1)

kT

где e – заряд электрона

U – внешнее напряжение, приложенное к p-n переходу

I0 – обратный ток насыщения p-n перехода, определяемый физическими свойствами полупроводника

Из формулы (1) следует, что при комнатной температуре и прямом напряжении выше 0,05B ток через p-n переход возрастает с

увеличением напряжения. При обратном напряжении ниже минус 0,05B ток убывает. При этом I Iобр I0 , т.е. обратный ток равен

току насыщения и в определённых границах остаётся постоянным. Дальнейшее увеличение обратного напряжения приведёт к электрическому пробою p-n перехода, при котором обратный ток возрастёт, далее произойдёт тепловой пробой p-n перехода, который его разрушит. Поэтому все полупроводниковые приборы имеют

ограничения условий эксплуатации, связанные с протекающим через них током.

Ёмкость p-n перехода.

Как видно из рисунка 5, р-n переход представляет собой двойной слой противоположных по знаку неподвижных объемных зарядов. Его можно уподобить обкладкам плоского конденсатора, обкладками которого являются р - и n-области, а диэлектриком служит р-п переход, практически не имеющий подвижных зарядов. Величина образовавшейся, так называемой, барьерной (зарядной) емкости обратно пропорциональна расстоянию между обкладками. При повышении запирающего напряжения, приложенного к переходу, увеличивается область, обедненная подвижными носителями заряда – электронами или дырками, что соответствует увеличению расстояния между обкладками конденсатора и уменьшению величины емкости. Следовательно, p-n переход можно использовать как емкость, управляемую величиной обратного напряжения. Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пикофарад; изменение этой емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины.

При прохождении через переход прямого тока по обе стороны от границы раздела областей накапливается избыточный заряд неосновных носителей противоположного знака, которые не могут мгновенно рекомбинировать. Он формируют емкость, которая получила наименование диффузионной. Диффузная емкость включена параллельно барьерной. Значения диффузионной емкости могут иметь порядок от сотен до тысяч пикофарад. Поэтому при прямом напряжений емкость р-n перехода определяется преимущественно диффузионной емкостью, а при обратном напряжении – барьерной емкостью.

При прямом напряжении диффузионная емкость не оказывает существенного влияния на работу p-n перехода, так как она всегда зашунтирована малым прямым сопротивлением перехода. Её негативное влияние проявляется при быстрых переключениях р-n перехода из открытого состояния в закрытое.

Выпрямительные диоды.