фоэ,1ч

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский государственный университет путей сообщения»

___________________________________________________________

Кафедра электроники

Л.Н. Воронцова Г.Л. Штрапенин

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Часть 1

Екатеринбург

2005

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский государственный университет путей сообщения»

Кафедра электроники

Л.Н. Воронцова Г.Л. Штрапенин

Отформатировано: русский

(Россия)

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Методическое руководство к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 190402

“Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте”

В2-х частях Часть 1

Екатеринбург

2005

Отформатировано: русский

(Россия)

Отформатировано: русский

(Россия)

УДК 621.3 В-75

Руководство составлено в 2 частях в соответствии с учебным планом дисциплины " Физические основы электроники" для студентов всех форм обучения специальности 190402 "Автоматика, телемеханика и связь" и содержит теоретические сведения и указания к выполнению лабораторных работ на специализированных стендах и в программе моделирования электрон-

ных схем Electronics Workbench (Multisim).

Руководство может быть использовано на аудиторных занятиях и для самостоятельной работы студентов.

Утверждено редакционно-издательским советом университета.

Авторы: Л. Н. Воронцова, доцент кафедры “Электроника” УрГУПС, Г. Л. Штрапенин, доцент кафедры “Электроника” УрГУПС, канд. физ.-мат. наук.

Рецензент: Ю. В.Новоселов, доцент кафедры “Электроника” УрГУПС, канд. тех. наук.

© Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2005

Оглавление
Описание лабораторного оборудования...............................................................	4
Лабораторная работа №1 Исследование полупроводниковых
выпрямительных диодов ........................................................................................	4
Лабораторная работа № 2 Исследование стабилитронов................................	14
Лабораторная работа № 3 Исследование биполярных транзисторов в схеме
включения с общим эмиттером (оэ)....................................................................	17
Лабораторная работа № 4 Исследование полевых транзисторов...................	30
Лабораторная работа № 5 Исследование работы транзистора в ключевом
режиме....................................................................................................................	39
Лабораторная работа № 6 Исследование интегральных логических
элементов ...............................................................................................................	56

3

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

В состав лабораторного оборудования входит базовый блок и набор схем-макетов. Базовый блок содержит два источника напряжения ИН1 (0…5 В) и ИН2 (0…15 В), источник тока ИТ (0…10 мА), два генератора синусоидального напряжения, два генератора импульсов и два комбинированных цифровых измерительных прибора 1 и 2. Изменение напряжений источников ИН1 и ИН2 и тока ИТ в указанных пределах производится ручками «Грубо» и «Точно». Частота сигналов генераторов синусоидального и импульсного напряжения изменяется в пределах 0,2…200 кГц ступенчато с помощью соответствующих клавиш и плавно ручками «Грубо» и «Точно». Комбинированными цифровыми измерительными приборами 1 и 2 можно измерять постоянные и переменные напряжения от 0,2…200 В, сопротивления от 20 Ом до 20 кОм и частоту в пределах 0,2…200 кГц, задав соответствующими клавишами нужный режим и предел измерения (назначение каждой клавиши указано на передней панели базового блока). Цифровые миллиамперметры 1 и 2 служат для измерения токов от 2…200 мА.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ

Цель работы: измерение вольтамперных характеристик (ВАХ) кремниевого диода КД103 и диода Шоттки 1N5817, сравнительная оценка полученных характеристик и определение параметров диодов.

Краткие теоретические сведения

1.1. Собственный полупроводник. Проводимость собственного полупроводника

К полупроводникам относятся германий Ge (заряд ядра 32), кремний Si (заряд ядра 14) и другие материалы, находящиеся в IV группе системы элементов Менделеева, т. е. на внешних орбитах у них находится по 4 электрона. В собственных полупроводниках, не содержащих примеси, при температуре абсолютного нуля все валентные электроны находятся в связанном состоянии, образуя ковалентные связи с валентными электронами соседних атомов, свободных электронов нет, и проводимость полупроводника равна нулю.

С ростом температуры электроны получают дополнительную тепловую энергию, которая разрывает некоторые ковалентные связи, и электроны становятся свободными. На месте ушедшего из связи электрона образуется "дырка" (вакантное состояние), которую может занять электрон соседнего

4

атома и таким образом дырка может перемещаться к соседнему атому и т.д. Образование в результате разрыва ковалентной связи пары подвижных носителей зарядов "электрон-дырка" называется генерацией электроннодырочной пары. Возможен и обратный процесс, когда свободный электрон, перемещаясь хаотически между узлами кристаллической решетки, может занять вакантное состояние - дырку и снова стать связанным с атомом. Такое исчезновение пары свободных носителей зарядов называется рекомбинацией электронно-дырочной пары. Для генерации электронно-дырочной пары требуются затраты некоторого количества энергии, при рекомбинации энергия выделяется. Процессы генерации и рекомбинации электронно-дырочных пар происходят непрерывно, и при температуре, отличной от абсолютного нуля, проводимость собственного полупроводника не равна нулю, хотя она очень низка, т. к. в собственных полупроводниках очень мало свободных электро-

нов и дырок, причем их концентрации равны ni = pi .

1.2.Примесные полупроводники

1.2.1.Полупроводники n-типа

Атомы примеси, введённые в кристаллическую решетку собственного полупроводника, существенно влияют на его проводимость. В зависимости от характера примеси различают полупроводники n- и p-типа. При введении в собственный полупроводник (Ge, Si) примеси из соседней V группы системы элементов Менделеева (например сурьмы Sb, мышьяка As) четырьмя своими валентными электронами атом примеси образует ковалентные связи с атомами основного вещества, а пятый оказывается несвязанным и уже при очень малой энергии возбуждения становится свободным, а атом примеси – положительным ионом, неподвижно расположенным в узле кристаллической решетки основного вещества. В примесных полупроводниках, как и в собственных, тоже идет процесс генерации электронно-дырочных пар за счет разрыва ковалентных связей, но пятивалентная примесь создает дополнительное количество свободных электронов. Такая примесь называется донорной, а полупроводник с электронной проводимостью – полупроводником n-типа. Примеси вводят столько, чтобы концентрация свободных примесных элек-

тронов nд была во много тысяч раз больше концентрации собственных электронов ni. Свободные носители, образуемые в результате введения примеси в полупроводник, которых оказывается существенно больше собственных, называют основными, а носители противоположного знака – неосновными. В полупроводниках n-типа основными носителями являются электроны, а неосновными – дырки.

Количество основных носителей в полупроводнике зависит от количества примеси, а количество неосновных – от интенсивности разрыва кова-

5

лентных связей, т.е. от температуры, освещения и др. внешних факторов, дающих энергию для генерации электронно-дырочных пар.

1.2.2. Полупроводники p-типа

При введении в собственный полупроводник трехвалентной примеси (например, индия In) из соседней III группы, у которой только 3 электрона на внешней орбите, атом примеси захватывает недостающей для образования ковалентной связи электрон у атома основного вещества (германия или кремния) и становится неподвижным отрицательным ионом. На месте ушедшего электрона образуется дырка. Этот процесс способствует появлению дополнительных дырок в полупроводнике. Примесь, создающая дополнительные дырки, называется акцепторной, а полупроводник – p-типа. Основными носителями в полупроводнике p-типа являются – дырки, неосновными – элек-

троны.

1.3. Контакт p- и n- полупроводников. Контактная разность потенциалов. Запирающий слой

Контакт полупроводников p- и n-типов называют p-n переходом,

рис. 1.1.

	p				- Uк +				n	А	К
–	+		–	+	–	+	–	+ –		–
	–	+		+			–		+	+	б)
			–			+		+		–	p – + n
–	+				–
	– +		–				+	– +		+
–	+		–	+	–	+	–	+		– +	в)
						а)

–– отрицательные ионы акцепторов;

+– положительные ионы доноров;

+– дырки;

–– электроны.

Рис. 1.1

Отформатировано:

Шрифт: 12 пт

Отформатировано:

Шрифт: 12 пт

Отформатировано:

Шрифт: 12 пт

При контакте полупроводников с разными типами проводимости из приконтактной области начинается диффузионное движение электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, а дырок – из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа. При встрече электронов с дырками они активно рекомбинируют, в результате чего в приконтактной области создается нескомпенсированный объемный заряд положительных ионов доноров в

6

полупроводнике n-типа и отрицательных ионов акцепторов в полупроводнике p-типа, как показано на рис. 1.1. За счет этих объемных нескомпенсиро-

ванных зарядов создаются электрическое поле и потенциальный барьер U к ,

который называется контактной разностью потенциалов. Контактная разность потенциалов препятствует дальнейшему диффузионному движению основных носителей через контакт, но способствует дрейфовому движению неосновных носителей. В условиях равновесия ток неосновных носителей

Iдр будет равен и противоположен току основных носителей I дифф , и общий ток во внешней цепи будет равен нулю

I = I дифф +Ι др =0.

Поскольку приконтактный слой в результате рекомбинации обеднен подвижными носителями зарядов, он имеет гораздо больше сопротивление по сравнению с сопротивлением остального объема p- и n- областей и назы-

вается запирающим.

Подавляющее большинство полупроводниковых диодов содержит один p-n переход. Выводы диода называются анодом и катодом, как показано на рис. 1.1б. При контакте полупроводников p- и n-типа с одинаковым содержанием примеси p-n переход называется симметричным. В большинстве полупроводниковых приборов используются несимметричные p-n переходы, т.е. контакты полупроводников с разным содержанием примеси. В таких контактах запирающий слой неравномерно распространяется в p- и n- области. Запирающий слой располагается в основном в области с малым содержанием примеси, например, как показано на рис. 1.1в.

1.4.Прямое смещение p-n перехода

Внешнее напряжение нарушает равновесие между диффузионным и дрейфовыми токами. Если внешнее напряжение имеет такую полярность, что повышает потенциал p- области (анода) по отношению к n- области (катоду), то включение p-n перехода называется прямым (рис. 1.2а). В этом случае внешнее напряжение оказывается подключенным к запирающему слою встречно с контактной разностью потенциалов. Потенциальный барьер

уменьшается до величины Uк −Uпр , и запирающий слой уменьшается. В ре-

зультате диффузионный ток увеличивается, а дрейфовый уменьшается. Во внешней цепи течет прямой ток Iпр, который создается движением основных

носителей (рис. 1.2а).

7

1.5.Обратное смещение p-n перехода

При подаче внешнего напряжения, понижающего потенциал p- области (анода) по отношению к n- области (катоду), включение p-n перехода называется обратным (рис. 1.2б). Полярность внешнего напряжения в этом случае

совпадает с полярностью контактной разности потенциалов U к .

p

– +

n

p

– + n

– +

– +

– +

– +

Iпр

Iобр

+

Uпр

–

–

Uобр +

а) б)

Рис. 1.2

Потенциальный барьер возрастает до величины U к +U обр , запираю-

щий слой увеличивается, в результате чего диффузионный ток основных носителей существенно уменьшается, а дрейфовый ток неосновных носителей быстро достигает насыщения. Во внешней цепи течет незначительный об-

ратный ток Iобр, величина которого определяется концентрацией неосновных носителей (рис. 1.2, б).

1.6Вольтамперная характеристика p-n перехода

Вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n перехода нелинейна (рис. 1.3). Это значит, что сопротивление перехода непостоянно. При прямом включении сопротивление p-n перехода мало (десятки, единицы Ом), при обратном - в десятки тысяч раз больше и составляет сотни кОм.

Прямой ток становится заметным, когда прямое напряжение U пр приближается к контактной разности потенциалов U к . Поскольку U к в кремниевых переходах составляет UкSi ≈ 0,5 ÷0,6 В, то прямая ветвь ВАХ

кремниевого p-n перехода сдвинута вправо (рис. 1.3). Принято считать пороговое напряжение отпирания кремниевого p-n перехода равным 0,6 – 0,7 В.

На начальном участке прямой ветви U пр <U к, и сопротивление диода Rд = Rр + Rз.с + Rn определяется сопротивлением запирающего слоя Rз.с , которое гораздо больше сопротивлений p- и n-областей ( Rз.с >> Rp ,Rn ).

С ростом прямого напряжения Uпр ширина запирающего слоя уменьшается и исчезает совсем, сопротивление диода уменьшается и при

8

Uпр ≈Uк становится постоянным и определяется значениями Rp и Rn , которые зависят от концентрации примеси в областях p и n.

Рис. 1.3.

Прямой ток создаётся движением основных носителей, обратный – неосновных. Поскольку основных носителей в полупроводнике в десятки тысяч раз больше, чем неосновных, то прямой ток гораздо больше обратного. Отсюда следует, что основное свойство диода – односторонняя проводимость

Iпр >> Iобр.

Из вольтамперной характеристики p-n перехода видно, что прямое падение напряжения на линейном участке ВАХ при прямом включении мало зависит от тока и составляет не более 1 В.

1.7.Диоды Шоттки

В качестве выпрямительных диодов используют также диоды Шоттки, которые представляют собой контакт металл-полупроводник (рис. 1.4).

		+		Al		металл				– n	Al +
	– – –								+
				–	Al				Uпр
+ + + +				Uк +
					n
n-Si									–

–полупр.

Рис. 1.4

Для изготовления диода Шоттки нужно брать такие составляющие, чтобы работа выхода электронов из металла была больше, чем в полупровод-

9