Министерство образования и науки Российской Федерации
Иркутский государственный технический университет
Физико-технический институт
Кафедра радиоэлектроники и телекоммуникационных систем
Электроника
Методические указания для лабораторных работ
Иркутск
2012
Электроника. Методические указания для лабораторных работ. Составители: Е.М.Фискин, М.М.Фискина. -Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012.-25 с.
Содержатся материалы, необходимые для выполнения лабораторных работ по курсу «Электроника».
Предназначены для студентов специальности «Радиотехника» и «Инфокоммуникационные технологии».
Главной целью лабораторных работ по дисциплине является получение практических навыков в работе с измерительными приборами и ознакомление с методиками исследования электронных приборов.
В каждой лабораторной работе студенту необходимо выполнить исследование по предложенной преподавателем теме.
Рекомендуемый перечень лабораторных работ.
Ознакомление с лабораторным стендом
Полупроводниковые диоды
Биполярные транзисторы
Полевые транзисторы
Тиристоры
Электронно-лучевые трубки
Для каждой лабораторной работы оформляется отчет.
Отчеты-проекты по лабораторным работам оформляются в соответствии с требованиями методических указаний по выполнению каждой лабораторной работы и требованиями стандарта СТО ИрГТУ.027-2009.
Лабораторная работа 1
Исследование полупроводниковых диодов
Цель работы: исследование основных свойств p-n-перехода, вольт-амперных характеристик и параметров германиевых и кремниевых диодов и стабилитрона.
Оборудование и принадлежности: лабораторный стенд, германиевый диод Д9, кремниевый диод КД103, стабилитрон Д814, провода соединительные.
Основные теоретические сведения
Полупроводниковым диодом называется двухэлектродный прибор с выпрямляющим электрическим переходом. В качестве выпрямляющего электрического перехода применяются p-n-переход или выпрямляющий контакт металла с полупроводником.
Большинство полупроводниковых диодов представляют собой структуру, состоящую из областей p- и n-типа, имеющих различную концентрацию примесей и разделенных электронно-дырочным переходом, область с высокой концентрацией примеси (порядка 1018см-3) называют эмиттером. Область с низкой концентрацией примеси (порядка 1014 – 1016 см-3) - базой.
Полупроводниковый диод как элемент электрической цепи является нелинейным двухполюсником, т. е. электронным прибором с двумя внешними выводами и нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Он выполняет функцию преобразования сигналов (выпрямление, детектирование, умножение частоты, преобразование световой энергии в электрическую и др.).
На рис. 1 приведена типовая ВАХ диода. Вольт-амперная характеристика идеального p-n-перехода и диода выражается уравнением:
, где I0 – обратный ток, U- внешняя разность потенциалов -температурный потенциал.
Параметры диода, определяемые по ВАХ (рис.2):
прямое сопротивление диода по постоянному току
обратное сопротивление диода по постоянному току
дифференциальное прямое сопротивление диода
дифференциальное обратное сопротивление диода ;
дифференциальное сопротивление стабилитрона в области стабилизации .
В основу классификации диодов положены различные признаки — вид электрического перехода (точечный и плоскостной диоды), физические процессы в переходе (туннельный диод, лавинно-пролетный и др.), характер преобразования энергии сигнала (светодиод, фотодиод и др.), метод изготовления электрического перехода (сплавные, диффузионные, эпитаксиальные диоды и др.) и т. п. В справочниках по полупроводниковым приборам обычно проводится классификация диодов по применению в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) или по назначению. При этом отражается принцип использования преобразующих и нелинейных свойств электрического перехода (выпрямительные и импульсные диоды, преобразовательные, переключательные, варикапы, стабилитроны и т.д.), диапазон рабочих частот (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ-диоды, диоды оптического диапазона и др.), исходный материал для изготовления диодной структуры (кремниевые, селеновые, германиевые, арсенид-галлиевые диоды и др.).
По типу конструкции различают точечные и плоскостные полупроводниковые диоды. Точечный диод – это прибор, в котором размеры электрического перехода меньше размеров областей, окружающих его и определяющих физические процессы в переходе. Такой переход возникает, например, при вплавлении кончика металлической иглы в полупроводниковую пластину с одновременной присадкой легирующего вещества.
П лоскостной диод представляет собой прибор, в котором р-n переход возникает на значительной по площади (до 1000 мкм2 в силовых выпрямительных диодах) границе между полупроводниками р- и n- типов. В таких диодах переход получается методом сплавления полупроводниковых пластин p- и n-типов или диффузии в исходную полупроводниковую пластину примесных атомов.
К особой разновидности плоскостных диодов относятся полупроводниковые стабилитроны, которые применяются для стабилизации напряжения в электрических цепях. В этих диодах используется явление неразрушающего электрического пробоя р–n-перехода при определенных значениях обратного напряжения (рис.3). Значение напряжения неразрушающего пробоя определяется конструкцией p-n-перехода и электрофизическими свойствами полупроводника.
Требования безопасности труда
Не включать лабораторный стенд без проверки преподавателем схемы соединений. При переключении измерительных приборов в ходе работы выключить тумблер СЕТЬ.
Порядок выполнения работы
1. Снять вольт-амперную характеристику полупроводниковых диодов. Для снятия прямых ВАХ используется схема на рис. 4, для снятия обратной ВАХ - схема на рис. 5.
а) получить прямую ВАХ. Для этого:
подключить АВМ1 к РА1;
подключить АВМ2 к РU1;
подключить G1 к ГТ на блоке питания, соблюдая полярность;
включить тумблер СЕТЬ.
снять зависимость напряжения от тока на диоде от 0 до 1 мА, изменяя его регулятором ГТ через 0,2 мА, и от 1 до 5 мА через 1 мА. Результаты измерений занести в таблицу, разработанную самостоятельно.
б) Получить обратную ВАХ диодов и стабилитрона. Для этого:
в качестве G2 использовать ГН2;
РА2 подключить к АВО на пределе измерений 10 мкА;
при исследовании стабилитрона в качестве измерителя тока использовать АВМ1 на пределе 50 мА;
напряжение на диоде менять ГН2 от 0 до 10 В через 2 В.
Примечание: для снятия обратной ВАХ стабилитрона изменять напряжение регулятором до возникновения тока пробоя, после чего изменять ток пробоя через 5 мА до 35 мА. Данные занести в таблицу, разработанную самостоятельно.
2. Выключить тумблер «СЕТЬ».
Обработка результатов измерений
1. Для каждого диода построить по экспериментальным данным прямую и обратную ВАХ.
2. Вычислить по экспериментальным характеристикам:
прямое и обратное сопротивления диода по постоянному току;
прямое и обратное дифференциальное сопротивления;
дифференциальное сопротивление стабилитрона в области стабилизации.
Точки для определения сопротивлений выбрать самостоятельно.
Контрольные вопросы
Как обозначается в схеме выпрямительный диод и стабилитрон?
Перечислить основные параметры диодов.
Принцип работы полупроводниковых выпрямительных диодов.
Виды пробоев p-n-перехода и их использование.
Какими видами емкостей обладает р- n-переход ?
Маркировка диодов.
Лабораторная работа 2