Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный

университет путей сообщения»

Кафедра «Телекоммуникации»

В.А. Нахалов

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Методические указания к курсовой работе

Хабаровск

Издательство ДВГУПС

2006

УДК 621.382.2(075.8)

ББК З852я73.

Н 349

Рецензент:

Доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой «Физика» Дальневосточного государственного университета путей сообщения

В.И. Строганов

Нахалов, В. А.

Н 349

Физические основы электроники : метод. указания к курсовой работе / В. А. Нахалов. – Хабаровск : Издательство ДВГУПС, 2006. – 36 с. : ил.

В методических указаниях рассматривается круг вопросов и задач, связывающих изучение физических процессов в твердотельных приборах с расчётами простейших электронных схем. Приведены примеры расчётов и варианты заданий.

Методические указания предназначены для студентов специальности «Автоматика, телемеханика и связь».

 ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный

университет путей сообщения» (ДВГУПС), 2006

Введение

Изучение курса «Физические основы электроники» является важным при подготовке специалистов в области автоматики, телемеханики, связи на железнодорожном транспорте.

Цель курсовой работы – связать изучение физических процессов в полупроводниковых приборах с практическими расчётами простейших электронных схем.

Объём курсовой работы представляет набор задач, в которых охвачены физические процессы в наиболее широко распространенных приборах – диодах и транзисторах. Обязательными являются задачи с вариантами исходных данных. Другие вопросы и задачи могут предлагаться студентами при сдаче зачёта, экзамена и защите курсовой работы. Большинство типовых задач имеет примеры решений, что методически поможет студенту при выполнении работы.

Завершающим этапом курсовой работы является расчёт двухкаскадного усилителя, источником питания которого служит стабилизатор напряжения. Исходные данные и варианты схем задаются преподавателем. Методики расчёта узлов усилителя изложены в примерах решений задач.

1. Физические процессы в диодах и стабилитронах

1.1. Ток, текущий в идеальном p-n-переходе при большом обратном напряжении и T=300 К, равен 2^.10^-7 A. Найти ток, текущий при прямом напряжении, равном 0,1 В.

1.2. Вычислить прямое напряжение на р-n-переходе при токе диода 1 мA, если обратный ток насыщения I₀ при T=300 К равен: а) 1 мкA; б) 1 нA.

1.3. Рассчитать и построить вольтамперную характеристику идеального полупроводникового диода при Т=300 К, если обратный ток насыщения I₀=10 мкА. Расчет провести в интервале напряжений от 0 до -10 В (через 1 В) и от 0 до 0,2 В (через 0,05 В).

1.4. Для условий, сформулированных в предыдущей задаче, рассчитать и построить вольтамперную характеристику диода, предположив, что диод имеет омическое сопротивление р- и n-областей, равное 25 Ом. Характеристику построить на графике, вычерченном для задачи 1.3.

1.5. Диод имеет обратный ток насыщения I₀=10 мкА, напряжение, приложенное к диоду, равно 0,5 В. Пользуясь упрощенным уравнением вольтамперной характеристики диода, найти отношение прямого тока к обратному при T=300 К.

1.6. К несимметричному р-n-переходу с N_д>>N_а приложено обратное напряжение. Указать составляющую тока в переходе, которая будет наибольшей при этих условиях.

1.7. Какая область диода (n или р) обладает более высоким удельным сопротивлением, если известно, что число дырок, инжектируемых через р-n-переход в единицу времени, на несколько порядков превышает число электронов?

1.8. С повышением температуры число пустых «ловушек» в полупроводнике уменьшается. Как при этом изме­няется время жизни избыточных носителей заряда?

1.9. Определить концентрацию акцепторных примесей N_a в р-области и концентрацию донорных примесей N_д в n-области германиевого диода, если известно, что при T=300 К удельные проводимости областей равны: σ_п=1 См/см; σ_p = 100 См/см.

1.10. Физические свойства какой из областей полупро­водника (n или р) определяют значение дырочного диффузионного тока при постоянных напряжении и температуре?

1.11. Можно ли измерить высоту потенциального барьера, образующегося при контакте двух полупроводников с различным типом электропроводности, с помощью вольтметра? Объясните.

1.12. В идеальном р-n-переходе прямое напряжение 0,1 В вызывает определенный ток носителей заряда при T=300 К. Какое необходимо прямое напряжение, чтобы ток увеличился в 2 раза?

1.13. Имеется идеальный р-n-переход при T=300 К. Определить: а) какое необходимо приложить напряжение к переходу, чтобы получить прямой ток, равный обратному току насыщения I₀; б) какое необходимо прямое напря­жение для получения тока, в 100 раз большего обратного тока насыщения I₀.

1.14. Объясните, как будет влиять на обратный ток насыщения германиевого диода добавление примеси. Рас­смотрите два случая: а) концентрации примесей увеличиваются в обеих областях; б) концентрация примеси увели­чивается только в одной из областей.

1.15 При прямом напряжении U уравнение для тока полупроводникового диода I = I₀^.(e^eU/(kT)-1) принимает вид I ≈ I₀^.е^eU/(kT). Показать, что в этом случае активная про­водимость диода переменному току пропорциональна зна­чению тока.

1.16. Германиевый р-n-переход с площадью П=1 мм² имеет обратный ток насыщения I₀=10 мкА при T=300 К. Полагая, что ток обусловлен только электронами, вычислить диффузионную длину электронов L_n в р-области. Уровень Ферми в р-области лежит на 0,5 эВ ниже дна зоны проводимости, подвижность электронов _n=3900 см²/(В^.с)

1.17. Обратный ток насыщения полупроводникового диода I₀=1 мкА при T=27 °С и I=10 мкА при T=65 °С. Построить вольтамперные характеристики этого диода при температурах, равных 27° С и 65°С, при изменении напряжения от -2 до 0,5 В.

1.18. При T=300 К обратный ток насыщения идеального германиевого диода I₀=З0 мкА. Найти дифференци­альное сопротивление диода при прямом и обратном напряжениях, равных 0,2 В.

1.19. Идеальный кремниевый p-n-переход имеет обрат­ный ток насыщения I₀=30 мкА при T=125°С. Определить дифференциальное сопротивление диода при прямом и обратном напряжениях, равных 0,2В.

1.20. Резистор с сопротивлением 100 Ом соединен последовательно с германиевым диодом, обратный ток насы­щения которого при Т=27°С равен 5 мкА. Начертите сум­марную вольтамперную характеристику этой комбинации в полулогарифмическом масштабе в интервале токов от 10 мкА до 50 мА при прямом напряжении.

1.21. Для стабилизации напряжения в схеме подберите по справочнику полупроводниковый стабилитрон и рассчитайте необходимое сопротивление ограничительного резистора, если сопротивление нагрузки R_H=500 Ом. Необходимое напря­жение стабилизации U_ст =10 В. Напряжение источника питания E=16 В.

1.22. Пользуясь вольтампер­ной характеристикой полупровод­никового стабилитрона Д808 (рис. 1.1), графически определи­те рабочий режим стабилитрона (U_ст , I_ст), подключенного после­довательно с ограничительным резистором R_огр=500 Ом к источнику питающего напряже­ния E=13 В при T=20°С. Определите параметры R_o, r_диф для указанного выше режима и найдите значения ТКН стабилитрона.

1.23. Для условий, сформулированных в задаче № 1.38, определить пределы изменения сопротивления резистора нагрузки, если напряжение источника питания E = 30 В.

1.24. Обратные токи насыщения двух диодов (рис. 1.2) равны 1 и 2 мкА. Напряжения пробоя диодов одинаковы и равны 100 В. Определить токи диодов и напряжения на них, если подводимое обратное напряжение равно: а) 90 В; б) 110 В.

1.25. Решить предыдущую задачу, если каждый диод шунтирован сопротивлением 10 МОм.

1.26. Полупроводниковый стабилитрон включен для стабилизации напряжения на нагрузке (рис. 1.3). Напряжение стабилизации U_ст = 50 В, максимальный ток стабилитрона I_стmax = 40мA, минимальный ток стабилитрона I_стmin = 5мА, напряжение источника питания E = 200 В. Вычислить ограничительное сопротивление R_огр, если ток нагрузки меняется от I_н = 0 до I_нтах. Чему равен максимальный ток нагрузки I_нmах ?

1.27. Используя значение сопротивления ограничительного резистора, найденное в предыдущей задаче, найти возможные пределы изменения питающего напряжения, если ток нагрузки I_н=25 мА.

Рис. 1.1

Рис. 1.2

Рис. 1.3

1.28. Полупроводниковый стабилитрон Д815Г (U_CT = 6,8 В) включили последовательно с кремниевым диодом, смещенным в прямом направлении, чтобы получить схему с нулевым ТКН. Температурный коэффициент напряжения кремниевого диода равен - 3,4 мВ/град. Выразить в процентах на градус необходимый ТКН стабилитрона.