Московский государственный технический университет им.Н.Э.Баумана

Калужский филиал

Редакция №2 --- Зайончковский В.С.

Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу «Физические основы микро- наноэлектроники»

Калуга,

2013 Г.

УДК 621.382.21

Данные методические указания издаются в соответствии с учебным планом специальности 2001.

Указания рассмотрены и одобрены кафедрой «Материаловедение» (ЭИУ4-КФ)

« »_________________2013 г. протокол №______________

______________________ Зав. кафедрой В.Г.Косушкин

^{подпись}

методической комиссией Калужского филиала от

« »_________________2013 г. протокол №______________

Председатель методической комиссии __________ Е.Н. Малышев

^{подпись}

Рецензент ________________ к.т.н., доцент Зайцев А.К.

^{подпись}

Авторы ________________ асс. Косушкин Е.Г.

^{подпись}

Аннотация

Рассмотрены некоторые теоретические основы функционирования компонентов электроники, содержащих p-n переходы. Даны рекомендации по выполнению практической части лабораторных работ и составлению отчетов.

Редакция 2, исправленная и дополненная 01.03.17

Содержание

№ работы	Содержание лабораторной работы	№ стр.
0	Ознакомление с оборудованием и приборами для выполнения лабораторных работ	4
1	Исследование функционирования диодов на p-n переходах	14
2	Исследование функционирования диодов Шоттки	20
3	Исследование функционирования стабилитронов	24
4	Исследование функционирования биполярных транзисторов, включенных по схеме с общим эмиттером.	29
5	Исследование функционирования полевого транзистора с управляющим p-n переходом, включенного по схеме с общим истоком	38
6	Исследование функционирования полевого транзистора со структурой металл-окисел-полупроводник, включенного по схеме с общим истоком	58
7	Изучение структуры и функционирования тиристоров	77
Приложение	Резервная лабораторная работа	93

Работа № 0. Ознакомление с оборудованием и приборами для выполнения лабораторных работ

Цель работы: изучить принципы взаимодействия с лабораторным оборудованием и приборами для выполнения лабораторных Работ. Лабораторные работы данного цикла производятся с использованием оборудования для проведения лабораторно-практических работ по радиоэлектронике стенда типа 87Л-01 и осциллографа типа С1-83 (далее именуемых словом оборудование).

Технические характеристики оборудования

Электропитание – сеть (50 0.5) Гц, (22022) В.

Потребляемая мощность - не более 150 ВА.

Масса – не более 50 кг.

В состав оборудования входят: стенд лабораторный 87Л-01 со съёмными элементами и соединительными проводами (далее именуемы как стенд), блок коммутирующих плат (БКП), осциллограф С1-83.

Устройство оборудования

Конструктивно оборудование состоит из прямоугольного металлического каркаса (стенда) и осциллографа. В стенде установлены генераторные блоки, измерительные блоки и вторичные блоки питания. Параметры генераторных блоков указаны в таблице 1. Параметры вторичных источников питания представлены в таблице 2. Параметры измерительных блоков представлены в таблице 3.

Таблица 1.

№ пп	Наименование источника сигнала	Вид сигнала	Пределы изменения частот	Величина сигнала, не менее
1.	Генератор прямоугольных импульсов, ГПИ	Прямоугольный импульс	20 Гц – 100 кГц	3 В, амплитуда
2.	Генератор низкой частоты, ГНЧ	Синусоидальное напряжение	20 Гц – 100 кГц	0. 5 В, эффективн.
3.	Генератор высокой частоты, ГВЧ	Синусоидальное напряжение	Генератор – (46530) кГц, гетеродин (93030) кГц	0.3 В, эффективн. 0. 3 В, эффективн.

Таблица 2.

№ пп	Наименование источника питания	Пределы регулирования	Максимальный ток нагрузки, мА
1.	Источник постоянного напряжения (генератор напряжения), ГН1	(+0.5…-7) В	5 ( при напряжении U= - 7 В)
2.	Источник постоянного напряжения (генератор напряжения), ГН2	(+1.0…15) В	200 ( при напряжении U= + 15 В)
3.	Источник постоянного напряжения (генератор напряжения), ГН3	(0…100) В	5 ( ток короткого замыкания)
4.	Источник постоянного тока (генератор тока), ГТ	(0…10) мА	11 ( не менее)
5.	Источник переменного напряжения), ИП со средней точкой	15 В+15%	50

Таблица 3.

№ пп	Наименование и обозначение прибора	Измеряемый параметр	Пределы измерения
1.	Ампервольтметр постоянного тока, АВМ1	U-, I	(0-25) В. (0-100) мА.
2.	Ампервольтметр, АВМ2	U-, I	(0-100) В. (0-50) мА.
3.	Ампервольтомметр, АВМ2	U-, I, R	(0-5) В, (0-1) мА. (0 – 100) кОм
4	Милливольтметр, МВ	U	(0-500) мВ, В. (0-250) мА.
5	Частотомер, ЧМ	f	(0-100) кГц
6	Измеритель выхода, ИВ	I вых ГТ. U- Uвых. ГНЧ Uвых. ГВЧ F чм Uгн1 Uгн2 UИП Uгн3	(0…1) мА; (0…10) мА (0-25) В (0…1) В эфф. (0…1) В эфф. (0…100)кГц (0-1) В, (0…-10) В (0-25) В (0-25) В (0…100) В

Общий вид оборудования представлен на рис. 1. В состав оборудования входит осциллограф – поз 1, стенд – поз 2, коммутационная плата – поз. 3. В состав стенда входят – Блок прямоугольных импульсов – поз. 3 , Генератор низкой частоты – поз. 2, генератор высокой частоты – поз. 1 , блок питания - поз. 8 , измерительные блоки поз. .

Блоки генераторные и измерительные имеют унифицированную конструкцию и состоят из панелей с кронштейнами. На панелях установлены элементы управления, регулирования и измерительные приборы. Блоки электрически связаны между собой жгутом.

Рис. 1

Генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) представляет собой преобразователь синусоидального напряжения, поступающего от генератора низкочастотного (ГНЧ), в прямоугольные импульсы. Поэтому работа ГПИ невозможна без функционирования ГНЧ. При этом входной синусоидальный сигнал от ГНЧ преобразуется триггером Шмитта (одновибратор) в прямоугольные импульсы. Длительность этих импульсов регулируется потенциометром, ось которого выведена на переднюю панель, диапазон устанавливается переключателем. Амплитуда импульсов регулируется посредством изменения напряжения на выходном каскаде, представляющем собой эмиттерный повторитель. Входной импульс этого каскада переводит выходной транзистор эмиттерного повторителя в насыщение, поэтому амплитуда выходного импульса будет равна напряжению на коллекторе транзистора.

ГНЧ выполнен по двухкаскадной схеме генератора с мостом Вина в цепи положительной обратной связи. Для улучшения формы сигнала и повышения стабильности выходного напряжения применена отрицательная обратная связь и нелинейная обратная связь.

ГВЧ состоит из двух высокочастотных генераторов: основного и вспомогательного (гетеродина). Оба генератора перестраиваются по частотному диапазону блоком сдвоенного конденсатора с сохранением постоянной разности частот – 465 кГц. Напряжение основного генератора модулируется по амплитуде сигналом, поступающим от ГНЧ. Поэтому при работе с ГВЧ надо включать и ГНЧ. Сигнал основного генератора поступает на выход через клеммы ГТ – в режиме генератора тока и клеммы ГН – генератора напряжения. Сигнал гетеродина может сниматься с клемм «гетеродин».

Измерительная часть стенда состоит из нескольких блоков, объёдиненных на трёх панелях.

Так измерительные блоки АВМ1 и АВО, расположенные за верхней правой панелью стенда, работают на один показывающий стрелочный прибор, который переключается, при необходимости с выхода АВМ1 на выход АВО и обратно, тумблером. АВМ1 предназначен для измерения постоянных токов и напряжений. АВО используется для измерения малых напряжений, токов и активных сопротивлений.

На средней правой панели размещены блоки АВМ2 и МВ. Они также имеют общий показывающий прибор, который при необходимости подключается либо к выходу блока АВМ2 или к выходу блока МВ. Блок АВМ2 используется для измерения постоянных токов и напряжений, а блок МВ используется для измерения переменного напряжения.

На нижней панели объединены блоки ЧМ и ИВ. Их выходы также подключены на общий стрелочный показывающий прибор. Блок ЧМ предназначен для измерения частоты. А блок ИВ (измеритель выхода) измеряет выходное напряжение блоков ГНЧ, ГВЧ, ГН1, ГН2, ГН3, выходной ток генератора тока ГТ.

В самой нижней центральной части стенда расположен блок питания, котором расположены источники питания приборов: стабилизированный выпрямитель на 15 В,

В состав оборудования входит также блок коммутирующих плат (БКП), состоящий из двух плат №1 и №2, выполненных из гетинакса и соединённых стойками. В коммутирующих платах размещены контактные гнёзда для установки съёмных элементов и соединительных проводов. Гнёзда (с внутренней стороны коммутирующей платы) электрически соединены между собой. Съёмные элементы, состоящие из крышки и изоляционного основания, имеют также штыри, которые устанавливаются в гнёзда на коммутирующей плате. На блок коммутирующих плат устанавливают сменные панели, изготовленные из изоляционного материала. В этих панелях имеются отверстия для установки съёмных электрорадиоэлементов. На лицевой стороне сменной панели маркировочной краской нанесена электрическая принципиальная схема лабораторно-практической работы с условными обозначениями элементов схемы, номера раздела лабораторной работы и изделия. Сменные панели с номерами разделов лабораторных работ, расположенных в нижних углах, устанавливаются на коммутирующей плате №1, а сменные панели, с номерами расположенными в верхних углах, – на коммутирующей плате №2.

Структурная схема оборудования для проведения лабораторных работ представлена на рис. 2.

Рис. 2

Важнейшей составной частью оборудования для проведения этого комплекса лабораторно-практических работ является электронный осциллограф С1-83. Это двухканальный осциллограф, позволяющий наблюдать во времени и измерять параметры электрических сигналов в диапазоне от постоянного тока до токов с частотой в 5 МГц и амплитудой от одного милиВольта до 20 Вольт без входного делителя и до 200 вольт с входным делителем, соединенным с кабелем и щупом. Этот делитель присоединяется к входному разъёму осциллографа посредством быстросъёмного байонетного соединения. Входное устройство каналов 1 и 11 может переключаться в разные режимы работы посредством ручки, имеющей черный наконечник. При этом возможны три варианта видов входа: открытый вход, обозначенный знаком «», позволяющим исследовать постоянные и переменные во времени сигналы; закрытый вход, обозначенный знаком «», позволяющим исследовать только переменные во времени сигналы; с амплитудой до 20 В, без входного делителя сигналов; входное устройство в может быть присоединено к земле – центральный проводник входного устройства подключён к земляному контуру прибора. Устройство данного осциллографа позволяет наблюдать также функциональные зависимости сигнала, поступающего на канал 1, в зависимости от сигнала, поступающего на канал 11. Развёртка сигналов во времени позволяет исследовать сигналы с ценой деления по горизонтали от 0.05 мкс до 5 с. Запуск развёртки сигнала во времени производится от блока развёртки, при этом синхронизация может быть внутренняя или внешняя, либо переведена в режим исследования функциональной зависимости Y=f(X). С ручкой перемещения осциллограммы во времени (по шкале Х) соединён переключатель масштаба развёртки, позволяющий в 5 раз изменять масштаб по оси времени. Аналогичный переключатель соединен с ручкой перемещения картинки по оси У, позволяющий изменять масштаб по оси У в 10 раз. Внутренняя синхронизация запуска может быть произведена положительным или отрицательным импульсом напряжения. Внешняя синхронизация может производиться разным уровнем напряжения в диапазонах (0.5-5) В или (5-50) В, которое подают на вход внешней синхронизации, имеющий две однополюсные розетки в правом нижнем углу лицевой панели осциллографа. Для исследования функциональной зависимости двух сигналов, подаваемых на входы каналов 1 и 11, необходимо нажать кнопу Х-У в блоке синхронизации и кнопку с таким же обозначением вблизи входного разъёма канала 11.