МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ (послед) (Восстановлен)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Н.М.Гарифуллин

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторным работам по курсу

ЭЛЕКТРОНИКА

для студентов дневной и заочной форм обучения по направлениям «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», «Радиофизика и электроника» и «Электроника и наноэлектроника»

УФА РИЦ БашГУ

2013

Печатается по решению кафедры статистической радиофизики и связи. Протокол № 1 от сентября 2013 г.

Составитель: проф., к.ф.-м. н. Гарифуллин Н.М.

2

ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1.Подготовка к работе.

Подготовка к выполнению лабораторной работы включает:

а) ознакомление с описанием работы;

б) изучение вопросов курса, указанных в описании, по одному из рекомендованных литературных источников и по конспекту лекций;

в) подготовку бланка отчета.

Перед началом выполнения лабораторной работы студент должен знать схему исследования, предполагаемый вид графиков, которые предстоит снять экспериментально, и уметь ответить на контрольные вопросы.

Предварительная подготовка бланка отчета позволяет в процессе выполнения работы записывать показания приборов непосредственно в таблицы отчета и строить по ним графики. Бланк отчета начинается с титульного листа, который должен быть написан в следующей форме:

Физико-технический институт Лаборатория электроники

Отчет по лабораторной работе №3 «Исследование статических характеристик биполярного транзистора в

схеме с ОЭ»

Составил студент 2–го курса ИТСС Сидоров И.П.

15.10.2013

На другой странице отчета написать цель работы, начертить схему исследования, схему соединения электродов исследуемого электронного прибора с внешними выводами, паспортные данные исследуемого прибора и заготовить таблицы для записи результатов измерений.

Перед заполнением каждой таблицы необходимо указать номер выполняемого пункта (по описанию работы), написать название выполняемого пункта и записать функциональную зависимость (если она имеется в задании), например:

2. Выходные характеристики транзистора IК = f (VКЭ) при IБ = const

Таблица 1

1) IБ =0,2мА

VКЭ, В

IK, мА

Отчет каждый студент выполняет индивидуально на компьютере или

3

на бумаге «в клетку», так как при этом облегчается вычерчивание схем, таблиц и графиков. При этом записи в отчете должны быть сделаны аккуратно. Схемы, таблицы и координатные оси следует чертить по линейке карандашом, а записи выполнить авторучкой.

2. Работа в лаборатории.

Перед выполнением лабораторной работы каждый студент должен предъявить подготовленный бланк отчета и сдать допуск по предстоящей работе. Лабораторные работы выполняются индивидуально или бригадами в составе не более двух студентов. Рабочим местом для выполнения лабораторных работ бригадой студентов является лабораторный стенд. За каждым студентом закрепляется определенное рабочее место на время выполнения всех лабораторных работ.

При выполнении лабораторной работы схема исследования может быть дана в готовом виде или она должна быть собрана студентами.

Если схема дана в готовом виде, то перед началом исследования необходимо тщательно ознакомиться с ней, определив назначение каждого элемента схемы (измерительных приборов, источников питания, резисторов и др.). Особое внимание следует обратить на выбор пределов измерения приборов в соответствии с ожидаемыми величинами токов и напряжений в схеме.

Вбольшинстве лабораторных работ от студента требуется умение самостоятельно собрать схему исследования. Для этого в начале следует определить, какие именно измерительные приборы и источники питания из имеющихся на лабораторном стенде будут использованы в той или иной цепи схемы исследования. Затем производится сборка схемы на лабораторном стенде с помощью гибких проводников и перемычек.

Собранная схема перед включением должна быть обязательно проверена лаборантом или преподавателем. Внимание! Перед включением прибора

всеть вывести регулировочные резисторы источников питания на ноль!

Впроцессе выполнения пунктов задания к лабораторной работе студенты обязаны самостоятельно контролировать совпадение полученных результатов с ожидаемыми и предъявлять их для проверки преподавателю. По окончании работы необходимо выключить стенд, разобрать схему исследования (если она не давалась в готовом виде) и привести в порядок рабочее место.

3. Отчет по работе

Так как заполнение таблиц бланка отчета производится в процессе выполнения работы, то оформление отчета включает в себя построение графиков и осциллограмм, расчет необходимых величин и выводы по работе. Оформление отчета производится в соответствии с разделом

4

«Указания к составлению отчета», имеющимся в описании каждой лабораторной работы.

При записи электрических величин (в таблицах, на осях координат и др.) кроме их обозначений необходимо написать единицы измерения,

например: IК, мА; VКЭ,В; Ri,Ом и т.д.

При построении графиков следует рационально выбирать масштабы по координатным осям так, чтобы наиболее полно использовать всю площадь графика. Цифры масштаба должны быть расставлены вдоль координатных осей через равные промежутки. На график необходимо наносить реальные значения величин (четко обозначенные точки), полученные в результате эксперимента. Результирующая кривая, построенная по этим точкам, должна иметь монотонный характер и проходить через большинство точек, но не обязательно через каждую точку. Общий вид кривой должен соответствовать реальной характеристике исследуемого прибора.

При выполнении числовых расчетов надо написать формулу, сделать численную подстановку и произвести вычисления, а не писать сразу готовый результат. Например, запись расчета выходной проводимости биполярного транзистора выполняется в виде:

Оформление отчета и его защита производится индивидуально каждым студентом в часы, отведенные на выполнение данной работы. Как исключение, допускается защита лабораторных работ на консультации для отстающих студентов. До начала следующей работы должны быть защищены все выполненные ранее лабораторные работы. Студенты, защитившие все лабораторные работы по мере их выполнения, получают зачет или допуск к экзамену по курсу «Электроника».

5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Исследование полупроводникового диода

Цель работы: изучение устройства полупроводникового диода, физических процессов, происходящих в нѐм; исследование характеристик и параметров полупроводниковых диодов.

Подготовка к лабораторной работе

Изучить следующие вопросы курса:

1.Электрические свойства полупроводников. Собственные и примесные полупроводники

2.Электронно-дырочный переход и его характеристики. Прямое и обратное включение p-n перехода.

3.Вольтамперная характеристика и параметры полупроводникового диода

4.Типы полупроводниковых диодов, их особенности и характеристики.

Краткая теория

Полупроводниковый диод - это электронный прибор, представляющий собой контакт двух полупроводников с электронной п и дырочной р типом проводимостей.

Вольтамперная характеристика идеализированного р-п перехода, представляющая собой зависимость тока I от приложенного к переходу напряжения V имеет вид:

В этих формулах jSp jSn jS - сумма плотностей тока, S – площадь перехода .

Предэкспоненциальный множитель в (1.1)

называют током насыщения р-п перехода или обратным тепловым током. Как вытекает из (1.2), ток насыщения определяется концентрацией неосновных носителей тока, что обуславливает малое значение тока насыщения и его сильную зависимость от температуры.

При прямом смещении (V 0) , что обеспечивается подачей на полу-

6

Рис.1.1

проводниковый диод прямого напряжения (рис.1.1 а) , как следует из формулы (1.1), ток через р-п переход будет расти по экспоненциальному закону с ростом напряжения. При обратном смещении (V 0) (рис.1.1 б) ток

стремится к току насыщения IS. Величина обратного тока насыщения у германиевых полупроводниковых диодов имеет порядок 10 5...10 8 А , а у кремневых - 10 9...10 12 А.

Таким образом, р-п переход характеризуется односторонней проводимостью. На явлении односторонней проводимости р-п перехода основана работа выпрямительных, универсальных и некоторых СВЧ диодов.

На рисунке 1.2 приведены вольтамперные характеристики идеализированного р-п перехода, изготовленного из германиевого (1) и кремниевого (2) полупроводников.

I

1 2

1

Рис.1.2. Вольтамперные характеристики идеализированного р-п перехода германиевого (1) и кремниевого (2) полупроводников.

Величина прямого напряжения, при которой начинает протекать значительный прямой ток, называется пороговым Vпор . Как видно из

рисунка, пороговое напряжение кремниевого р-п перехода больше чем германиевого: VпорSi 0,6B и VпорGe 0,25B . Концентрация собственных

носителей, а вместе с ним и концентрация неосновных носителей тока на основе закона действующих масс, в германии на несколько порядков больше, чем в кремнии. Поэтому обратные токи в германиевых р-п переходах также значительно выше чем в кремниевых. Меньшее пороговое напряжение и значительно большие обратные токи в германиевых р-п

7

переходах чем в кремниевых обусловлены меньшей шириной запрещенной зоны германия чем кремния.

Если степень легирования р- и п- областей р-п перехода примерно одинакова, то такой р-п переход является симметричным и электроны и дырки через р-п переход инжектируются в равной степени. На практике находят применение несимметричные переходы, в которых обеспечивается инжекция только одних типов носителей тока, например, в основном только дырок, если р- область легировано сильнее ( р р пп ) , или только

электронов в противном случае ( р р пп ) . В несимметричных переходах

высоколегированную (низкоомную) область принято называть эмиттером, а низколегированную (высокоомную) область – базой.

Вольтамперная характеристика реального р-п перехода отличается от идеализированной. Это объясняется тем, что при выводе идеализированной вольтамперной характеристики (1.1) не учитывался целый ряд факторов. Эти факторы обуславливают отличие как прямой, так и обратной ветвей вольтамперной характеристики реального р-п перехода от идеализированной.

На вид реальной вольтамперной характеристики р-п перехода в прямом направлении влияют три фактора: 1) явление рекомбинации носителей тока в запорном слое; 2) распределенное сопротивление базы, т.е. объемное сопротивление высокоомной области базы и 3) модуляция сопротивления базовой области при высоких уровнях инжекции. Рассмотрим эти явления подробнее.

При прямом смещении из-за инжекции основных носителей в области перехода резко возрастают концентрации неравновесных электронов и дырок. Это приводит к росту вероятности их рекомбинации и, тем самым, роста рекомбинационного тока. Рекомбинационный ток накладывается на инжекционный ток и вызывает рост прямого тока. Однако с ростом прямого напряжения вклад рекомбинационного тока в общий ток уменьшается и ток через переход начинает определяться только током инжекции.

При выводе вольтамперной характеристики предполагается, что все внешнее напряжение приложено к р-п переходу. В реальных несимметричных р-п переходах сопротивление базовой области ( р р пп )

может быть сравнимой с сопротивлением р-п перехода. Это приводит к перераспределению приложенного внешнего напряжения между р-п переходом и базовой областью, что приводит к уменьшению прямого тока: вольтамперная характеристика смещается вправо.

При больших прямых токах ток может определяться только сопротивлением базовой области. При этом вольтамперная характеристика р-п перехода практически становится линейной (омический участок). Необходимо учесть, что из-за наличия сопротивления базы и падения напряжения на нем ухудшается выпрямляющее свойство р-п перехода и

8

возрастает мощность, рассеиваемая на переходе.

Рост прямого тока вызывает рост инжектированных неосновных носителей в базовую область и их концентрация может стать сравнимой с концентрацией основных носителей, что противоречит условиям при выводе идеализированной вольтамперной характеристики. Это приводит к уменьшению сопротивления базы и, тем самым, уменьшению падения напряжения на нем и некоторому росту прямого тока. Вольтамперная характеристика при этом откланяется влево. Это явление называется эффектом модуляции сопротивления базы.

Величина обратного тока в реальных р-п переходах отличается от расчетной также за счет трех факторов: 1) тока термогенерации в запорном слое перехода; 2) поверхностных токов утечки на переходе и 3) явления пробоя перехода при больших напряжениях.

При обратном напряжении на р-п переходе возрастает его ширина и высота потенциального барьера. Рекомбинационный ток практически равен нулю, так как инжекция носителей тока не происходит. Зато за счет расширения обедненного слоя возрастает вероятность генерации электронно-дырочной пары, что создает дополнительный обратный ток – ток генерации I Г . Расчеты показывают, что этот ток прямо пропорционально объему р-п перехода и скорости тепловой генерации собственных носителей.

В реальных р-п переходах из-за технологических особенностей граница перехода обязательно выходит на поверхность. Как известно, на поверхности полупроводника возникают поверхностные состояния. Поверхностные заряды, имеющиеся на поверхностных состояниях, и возможные загрязнения поверхности приводит к образованию каналов проводимости между областями р-п перехода и протекания токов утечки IУ Таким образом, при обратных напряжениях на переходе величина

обратного тока составит:

I0 I S I Г IУ .

При больших обратных напряжениях возможен пробой р-п перехода, что приводит к резкому росту обратного тока. Пробой р-п перехода играет важную роль в работе ряда полупроводниковых приборов, например, в стабилитронах, поэтому это явление рассмотрим более подробно.

В кремниевых р-n переходах обычно наблюдается электрический пробой, который обусловлен лавинным размножением носителей тока или туннельным их прохождением через р-n переход. Явление электрического пробоя используется для создания стабилитронов. В германиевых р-n переходах из-за больших обратных тепловых токов возможен только тепловой пробой, поэтому они для создания стабилитронов не применяются.

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на обратной ветви вольтамперной характеристики которого имеется участок с сильной зависимостью тока от напряжения (рис. 1.3.), т.е. с большим значением

9

крутизны I V .

Основным параметром стабилитронов является напряжение стабилизации Vст , определяемое напряжением пробоя p–n перехода при

Рис.1.3. Вольтамперная характеристика стабилитрона общего назначения а) и его условно-графическое обозначение б).

некотором заданном токе стабилизации Iст. Если Vст <5В, то пробой

перехода носит туннельный характер, если более 7В – то лавинный характер. При Vст = (5…7)В, то имеет место смешанный пробой.

Стабилизирующие свойства стабилитронов характеризуются дифференциальным сопротивлением стабилитрона в области стабилизации

rV ,

дI

которое должно быть как можно меньше. Температурная зависимость напряжения стабилизации характеризуется температурным коэффициентом напряжения стабилизации:

где – изменение напряжения стабилизации, вызванное изменением

температуры Т . Температурный коэффициент напряжения стабилизации является отрицательным, если пробой перехода вызван туннельным прохождением электронов через переход, или положительным в случае лавинного пробоя перехода.

Промышленностью выпускаются стабилитроны с параметрами: Vст

от 3,3 до 180В, токи стабилизации от 0,5мА до 1,4А; ст от 0,01 до 0,001% град-1; rд от долей и единиц Ома (у мощных стабилитронов) до сотен Ом (у высоковольтных маломощных стабилитронов). Особую группу составляют прецизионные стабилитроны, имеющие ст до 0,0005% град-1,

10