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 и направлений:

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,

230401 (073000) Прикладная математика,

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

3

СОДЕРЖАНИЕ

4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 9 (4 часа)

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Цель и содержание Цель работы: Экспериментальное исследование и анализ вольт-

амперных характеристик (ВАХ) полупроводниковых диодов, стабилитронов, тиристоров и определение их параметров.

Содержание работы:

1.Исследование ВАХ выпрямительного полупроводникового диода.

2.Исследование ВАХ полупроводникового стабилитрона.

3.Исследование ВАХ полупроводникового тиристора.

4.Измерение электрических свойств и исследование работы варикапа

всоставе частотно-избирательной цепи.

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 и таким образом, диод блокирован. Приложением внешнего напряжения в зависимости от его полярности можно увеличить или уменьшить потенциальный барьер. В соответствии с этим полупроводниковый диод проводит ток в одном направлении и практически не пропускает в обратном.

Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды 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

5

различные свойства p-n-переходов, например явление пробоя, фотоэффект, наличие участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением и другие. Специальные полупроводниковые диоды находят применение для стабилизации постоянного напряжения, регистрации оптического излучения, формирования электрических сигналов и т. д.

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. Конструктивно диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Выпрямительный полупроводниковый диод нормально работает при напряжениях до 1000 В. При необходимости увеличения выпрямляемого напряжения используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных диодов. Предназначенные для выпрямления больших токов выпрямительные полупроводниковые диоды большой мощности называют силовыми. 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 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 на частотах до нескольких мегагерц.

Основные характеристики полупроводникового диода можно получить,

6

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:

где Is – обратный ток насыщения диода; ϕТ – тепловой потенциал. Поскольку для полупроводниковых материалов при Т = 300 К тепловой

потенциал ϕТ = 25 мВ, то уже при U = 0,1 В можно пользоваться упрощенной формулой:

дифференциальное сопротивление p-n-перехода, равное отношению приращения падения напряжения на диоде к приращению тока через диод:

При протекании большого тока через p-n-переход (в зависимости от типа диода этот ток может быть от единиц до десятков миллиампер) в объеме полупроводника падает значительное напряжение, пренебрегать которым

называют последовательным сопротивлением.

На рисунке 9.1 а приведено условное графическое обозначение (УГО) полупроводникового диода на электрических схемах, а его структура – на рисунке 9.1 б. Электрод диода, подключенный к p-области, называют анодом, а электрод, подключенный к n-области – катодом. Статическая

7

вольт-амперная характеристика диода показана на рисунке 9.1 в.

Рисунок 9.1 – УГО (а), структура (б) и статическая вольт-амперная характеристика (в) полупроводникового диода

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, p-n-переход которого работает в режиме электрического пробоя. В режиме электрического пробоя в широком диапазоне изменения тока через диод падение напряжения на нем остается практически неизменным. Такой режим возникает при смещении р-n-перехода в обратном направлении. При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации (UСТ), ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление (rдиф) идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к нулю, а в реальных приборах величина rдиф находится в диапазоне 2…50 Ом. На рисунке 9.2 а, б показано УГО стабилитронов, а на рисунке 9.2 в приведена типовая ВАХ стабилитрона. Напряжение стабилизации UСТ зависит от физического механизма электрического пробоя (лавинный или туннельный пробой p-n-перехода) и находится в диапазоне от трех до сотен вольт.

Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают балластное сопротивление RБ. Если величина тока при электрическом пробое такова, что мощность, рассеиваемая на стабилитроне,

8

не превышает предельно допустимого значения, то в таком режиме прибор может работать неограниченно долго.

IСТ

стабистор

Рисунок 9.2 – Схематическое изображение стабилитронов (а – односторонний, б – двухсторонний) и их ВАХ (в)

Для стабилизации малых напряжений используют то свойство прямосмещенного p-n-перехода, что прямое падение напряжения на нем слабо зависит от протекающего тока. Приборы, в которых используется этот эффект, 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 RБ.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона – параметр, который характеризует наклон его вольт-амперной характеристики в области пробоя:

На рисунке 9.2 в показан линеаризованный участок ВАХ стабилитрона,

9

который позволяет определить дифференциальное сопротивление прибора. Тиристор – полупроводниковый прибор, обладающий в прямом

направлении двумя устойчивыми состояниями: включен или выключен, имеющий три или более р-п-переходов.

Простейшим тиристором с двумя выводами является диодный тиристор (динистор), триодный тиристор (тринистор) имеет дополнительный третий (управляющий) электрод. УГО динистора приведено на рисунке 9.3 а, тиристора – на рисунке 9.3 б, а его структура – на рисунке 9.3 в.

Напряжение анод-катод (UАК) подается на тиристор так, что переходы П1 и П3 открыты, а переход П2 закрыт. Ток IА, проходящий через тиристор, при этом будет определяться высоким сопротивлением закрытого перехода. На рисунке 9.3 г приведены вольт-амперные характеристики тиристора. С увеличением напряжения UАК ток тиристора возрастает незначительно (участок 1 на ВАХ). Тиристор находится в закрытом состоянии (ЗС). Но при достижении напряжения UПР К (точка «а» на ВАХ) наступает электрический пробой в переходе П2. При этом происходит увеличение числа носителей зарядов за счет лавинного умножения носителей в переходе П2 движущимися дырками и электронами. В результате этого ток IА увеличивается скачком и переходит в точку «б» на ВАХ, и напряжение на тиристоре уменьшается. Тиристор переходит в открытое состояние (ОС) – участок 3 ВАХ. Между точками «а» и «б» находится участок (2) ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением, не наблюдаемый на статических ВАХ тиристора.

Величину напряжения UПР К можно снизить введением дополнительных носителей в любой из слоев, образующих переход П2. Появление дополнительных носителей увеличивает число актов ионизации атомов в переходе, и поэтому напряжение UПР К уменьшается. Дополнительные носители зарядов, образующие ток управления (Iу) вводятся в тиристор вспомогательной цепью от источника питания Uу через управляющий электрод. Влияние величины тока Iу на работу тиристора видно из рисунка

10

9.3 г. При достаточно больших величинах тока управления ВАХ тиристора вырождается в прямую ветвь ВАХ диода. Критическое значение тока управления, при котором на ВАХ тиристора исчезает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, называется током отпирания (Iотп).

Перевести открытый тиристор в закрытое состояние можно снизив ток, протекающий в анодной цепи, меньше минимального значения – тока удержания (Iуд).

При включении тиристора в обратном направлении переходы П1 и П3 будут закрыты (участок 4 ВАХ), и в нем появится небольшой ток. Во избежание пробоя тиристора в обратном направлении необходимо, чтобы обратное напряжение было меньше Uпроб.

Рисунок 9.3 – УГО (а, б), структура (в) и статическая ВАХ тиристора

Варикапы – полупроводниковые диоды, в которых используется барьерная емкость р-п-перехода. Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратного напряжения и с увеличением его уменьшается. В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости может изменяться от единиц до сотен пикофарад. Варикапы находят применение в