Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Северо-Кавказский государственный технический университет»

методические указания

к выполнению лабораторных работ

по дисциплине «Электротехника и электроника»

для студентов специальностей:

240901 (070100) Биотехнология,

130201 (080400) Геофизические методы поисков и разведки полезных ископаемых,

130304 (080500) Геология нефти и газа,

130501 (090700) Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ,

130503 (090600) Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений,

130504 (090800) Бурение нефтяных и газовых скважин,

200503 (072000) Стандартизация и сертификация,

230102 (220200) Автоматизированные системы обработки информации и управления,

230200 Информационные системы – бакалавриат,

230201 (071900) Информационные системы и технологии,

240306 (251000) Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники,

240403 (250400) Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов,

240902 (271500) Пищевые биотехнологии,

280103 (330600) Защита в чрезвычайных ситуациях,

260202 (270300) Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий,

260301 (270900) Технология мяса и мясных продуктов,

260303 (271100) Технология молока и молочных продуктов,

260501 (271200) Технология продуктов общественного питания,

280201 (320700) Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Ставрополь

2010

Методические указания к выполнению лабораторных работ составлены в соответствии с требованиями ГОСВПО, программ дисциплины «Электротехника и электроника» для студентов специальностей и направлений: 230201 (071900) «Информационные системы и технологии», 230200.62 «Информационные системы», 200503 (072000) «Стандартизация и сертификация», 200500.62 «Метрология, стандартизация и сертификация», 280103 (330600) «Защита в чрезвычайных ситуациях», 260601.65(170600) «Машины и аппараты пищевых производств».

Методические указания включают в себя методику и порядок выполнения лабораторных работ, указания по технике безопасности и перечень вопросов для защиты работ.

Составители:

М. И. Данилов, М. С. Демин, О. Р. Киркоров, Ю. А. Ларионов, Т.Ф. Морозова, И. Г. Романенко, С. С. Ястребов

Рецензент: А. И. Гринь

Содержание

Лабораторная работа 9. Исследование полупроводниковых элементов
Лабораторная работа 10. Исследование усилителя напряжения на биполярном транзисторе
Лабораторная работа 11 . Исследование операционного усилителя
Лабораторная работа 12.
Список рекомендуемой литературы

Лабораторная работа 9

ИССЛЕДОВВНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Цель и содержание

Цель работы: Снятие и анализ вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов, стабилитронов, тиристоров и определение их параметров. Исследование работы полупроводниковых выпрямителей.

Содержание работы:

1. Исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) выпрямительного по­лупроводникового диода.

2. Исследование ВАХ полупроводникового стабилитрона.

3. Исследование ВАХ тиристора.

4. Исследование ВАХ полупроводникового варикапа.

Теоретическое обоснование

Полупроводниковый прибор, который имеет два электрода (два вывода от р и n – областей) и один p-n-переход, называется диодом.

В n-проводящем слое в качестве свободных носителей заряда преобладают электроны, а в р-проводящем слое – дырки. Существующий между этими слоями р-n переход имеет внутренний потенциальный барьер, препятствующий соединению свободных носителей заряда. Таким образом, диод блокирован.

Путем прикладывания внешнего напряжения эффект блокирования можно увеличить или уменьшить. Полупроводниковый диод проводит ток в одном направлении и не проводит в другом.

Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямитель­ные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, пред­назначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы выпрямляемого тока они делятся на низкочастотные, высокочастотные и импульс­ные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свой­ства p-n-переходов, например явление пробоя, фотоэффект, наличие участков с от­рицательным сопротивлением и другие. Специальные полупроводниковые диоды находят, в частности, применение для стабилизации постоянного напряжения, ре­гистрации оптического излучения, формирования электрических сигналов и т. д.

1 Выпрямительный диод

Выпрямительные диоды, в которых используется основное свой­ство р-n - перехода – его односторонняя электропроводность, приме­няют главным образом для выпрямления переменного тока.

Выпрямительные полупроводниковые диоды изготавливаются, как правило, из кремния, германия или арсенида галлия. Классифицировать выпрямительные полупроводниковые диоды можно по конструкции и технологии изготовления. В зависимости от конструкции, диоды делятся на плоскостные и точечные, а от технологии изготовления – на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Плоскостные диоды имеют большую площадь p-n-перехода и используются для выпрямления больших токов (до 30 А). Точечные диоды имеют малую пло­щадь p-n-перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов (до 30 мА).

Обычно выпрямительный полупроводниковый диод нормально работает при напряжениях, лежащих в диапазоне до 1000 В. При необходимости увеличения выпрямляемого напряжения используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов, в этом случае выпрямляемое напряжение удается повысить до 15 000 В.

Предназначенные для выпрямления больших токов выпрямительные полу­проводниковые диоды большой мощности называют силовыми, позволяющими выпрямлять токи до 30 А. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия, т. к. германий характеризуется силь­ной зависимостью обратного тока через p-n-переход от температуры.

Сплавные диоды чаще всего используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц и изготавливаются из кремния. Кремниевые диффузион­ные диоды могут работать на повышенной частоте до 100 кГц. Кремниевые эпи­таксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шоттки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Наилучшими частотными характеристи­ками обладают арсенидгаллиевые выпрямительные диоды, способные работать в диапазоне частот до нескольких мегагерц.

Основные характеристики полупроводникового диода можно получить, ана­лизируя его ВАХ. При исследовании ВАХ следует принимать во внимание, что зависимость тока I через p-n-переход от падения напряжения U нa переходе опи­сывается уравнением Эберса-Молла:

,

(1)

где I_s - обратный ток насыщения диода, а _Т - тепловой потенциал.

Поскольку для полупроводниковых материалов при Т = 300 К тепловой потен­циал _т= 25 мВ, то уже при U = 0,1 В можно пользоваться упрощенной формулой:

.

(2)

Важным параметром, характеризующим свойства диода, является дифферен­циальное сопротивление p-n-перехода, равное отношению приращения падения напряжения на диоде к приращению тока через диод:

.

(3)

Дифференциальное сопротивление можно вычислить, используя выражения (1.2) и (1.3), а именно:

или .

(4)

При протекании большого тока (в зависимости от типа диода этот ток может быть от единиц до десятков миллиампер) через p-n-переход в объеме полупро­водника падает значительное напряжение, пренебрегать которым нельзя. В этом случае уравнение Эберса-Молла приобретает вид:

,

(5)

где R - сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называ­ют последовательным сопротивлением.

На рисунке 1а приведено условное графическое обозначение полупроводникового диода на электрических схемах, его структура – на рисунке 1 б. Электрод диода, под­ключенный к области p, называют анодом, а электрод, подключенный к области n, – катодом. Статическая вольтамперная характеристика диода показана на рисунке 1 в.

Рисунок 1 ­– Условное обозначение (а), структура (б) и

статическая вольтамперная характеристика (в) полупроводникового диода

2 Стабилитрон

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, p-n-переход которого работает в режиме лавинного пробоя. Такой режим возникает при смещении р-n-перехода в обратном направлении. В режиме лавинного пробоя в широком диапазоне изменения тока через диод падение напряжения на нем остается практически неиз­менным. На рис. 1.2 (а, б) показано схематическое изображение стабилитронов, а на рис. 1.2в приведена типовая ВАХ.

Рисунок 2 – Схематическое изображение стабилитронов (а - односторонний,

б - двухсторонний) и их ВАХ (в). U_CT - напряжение стабилизации

Лавинный ток для типового маломощного кремниевого стабилитрона состав­ляет примерно 10 мА, поэтому для ограничения тока через стабилитрон последо­вательно с ним включают ограничительное сопротивление R_Б (рисунок 3 а). Если лавинный ток таков, что мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает предельно допустимого значения, то в таком режиме прибор может работать не­ограниченно долго. Для большинства стабилитронов предельно допустимая рас­сеиваемая мощность составляет от 100 мВт до 8 Вт.

Рисунок 3 – Схема включения стабилитрона (а) и стабистора (б): R_Б - балластный резистор, U_вх - входное напряжение, U_СТ- стабилизированное напряжение

Иногда для стабилизации напряжения используют тот факт, что прямое падение напряжения на диоде слабо зависит от силы протекающего через p-n-переход тока. Приборы, в которых используется этот эффект, в отличие от стабилитронов называ­ются стабисторами. В области прямого смещения падение напряжения на р-n-переходе составляет, как правило, 0,7-2 В, поэтому стабисторы позволяют стабилизиро­вать только малые напряжения (не более 2 В). Для ограничения тока через стабистор последовательно с ним также включают сопротивление R_Б (рисунок 3 б).

Дифференциальное сопротивление стабилитрона – это параметр, который ха­рактеризует наклон его вольтамперной характеристики в области пробоя:

.

(6)

На рисунке 4 показан линеаризованный участок ВАХ стабилитрона, который позволяет определить дифференциальное сопротивление прибора.