Основные теоретические положения

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

 

Методические указания по выполнению лабораторного практикума

для студентов всех форм обучения специальности

 230105.65 «Программное обеспечение вычислительной техники

и автоматизированных систем»

Часть 2 частей 4

 

Екатеринбург

2009

 

ББК 32.852

УДК 621.382

 

Рецензент: доцент, к.т.н., Муханов В.В.

 

Паутов В.И.

Электротехника и электроника: Методические указания по выполнению лабораторного практикума / В.И. Паутов.- Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2009, - 39 с.

 

Методические указания по выполнению лабораторных работ включают методические указания к четырем лабораторным работам: «Характеристики и параметры полупроводниковых диодов», «Характеристики и параметры биполярного транзистора», «Статический режим работы биполярного транзистора», «Усилитель с RC -связями» и предназначены для студентов всех форм обучения специальности 230105.65 – «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем».

Лабораторный практикум проходит в среде моделирующего пакета Electronics Workbench.

 

 

Рекомендовано НМС УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ» в качестве методических указаний по выполнению лабораторного практикума по курсу «Электротехника и электроника» для студентов всех форм обучения специальности  230105.65 «Программное обеспечение вычислительной техники

и автоматизированных систем»

 

 

Кафедра общепрофессиональных дисциплин

 

 

©УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2009

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Методические указания по выполнению лабораторного практикума по курсу "Электротехника и электроника" составлены на основании государственных требований к минимуму содержания и уровню подготовки дипломированного специалиста по специальности 230105.65 – «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем».

Лабораторный практикум студентов является неотъемлемой частью учебного процесса и входит в аудиторную учебную нагрузку студентов.

Согласно учебному плану специальности на лабораторный практикум запланировано 49 часов аудиторных занятий. В методических указаних представлено четыре работы. Они посвящены второй части дисциплины – электронике.

Продолжительность каждой работы рассчитана на четыре часа аудиторных занятий. За это время студенты должны выполнить все необходимые исследования, оформить по работе отчет и за щитить его.

При выполнении работы студенты приобретают навыки проводить практические расчеты электронных схем, учатся пользоваться специальной и справочной литературой.

Руководство содержит описания лабораторных работ, в которых приведены цели работы, порядок выполнения работ, порядок оформлении отчета, перечень литературы. В каждой работе имеется раздел самостоятельной подготовки студентов к занятиям в лаборатории. 

Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения.

Для студентов заочной формы обучения лабораторные работы выполняются по усмотрению ведущего преподавателя.

Лабораторный практикум проходит в среде моделирующего пакета Electronics Workbench. Каждый студент (бригада) выполняет работу своего варианта. Номер варианта выбирается согласно списку в групповом журнале.

Лабораторный практикум

№ темы	Наименование лабораторных работ	Колич. часов по учебному плану
12	Характеристики и параметры полупроводниковых диодов	4
12	Характеристики и параметры биполярного транзистора	4
12	Статический режим работы биполярного транзистора	4
14	Усилитель с RC- связями	4

3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6

ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

1.Цель работы

Экспериментальное определение характеристик и параметров выпрямительного диода и стабилитрона.

Домашняя подготовка к выполнению работы

2.1 Изучить по учебной литературе физические процессы в полупроводниковых диодах [1-6].

2.2 Ознакомьтесь с терминологией и буквенными обозначениями параметров диодов по ГОСТ 25529–82 по справочной литературе.

2.3 Изучить описание лабораторной работы, продумать порядок проведения эксперимента.

2.4 Выполнить предварительные расчеты.

2.5 Ответить на контрольные вопросы.

3. Расчетная часть
- На основании соотношения (1.1) построить идеализированную прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода. Прямое напряжение устанавливать в пределах 0,5 – 0,7 вольта. Напряжение увеличивать до такой величины, пока прямой ток не достигнет значения 0,2 – 0,5 Ампера.

- Вычислить величину смещения характеристики под действием температуры, если температура изменяется в пределах 40⁰С.

Основные теоретические положения

Полупроводниковым диодом называют двухэлектродный полупроводниковый прибор, содержащий один или несколько электрических переходов (p - n -переходов или переходов металл-полупроводник). Переходы металл-полупроводник называют переходами Шоттки, а полупроводниковые диоды на их основе – диодами Шоттки. Полупроводниковый диод как элемент электрической цепи является нелинейным двухполюсником.

Под вольт-амперной характеристикой (ВАХ) полупроводникового диода понимают зависимость тока через диод I от приложенного к нему напряжения U. Для вольт-амперной характеристики идеализированного p - n -перехода справедлива следующая формула (уравнение Шокли):

,                                  (1.1)

4

где I ₀ – обратный ток насыщения;

φ _T  – температурный потенциал.

Температурный потенциал

φ T

                            ,

где k – постоянная Больцмана;

T – температура по шкале Кельвина;

е – заряд электрона.

Температурный потенциал имеет размерность напряжения,
и при комнатной температуре φ _T  ≈ 26 мВ.

График вольт-амперной характеристики, построенный согласно уравнению

Шокли, приведен на рисунке 1. На характеристике принято выделять прямуюветвь, соответствующую прямому напряжению на p - n -переходе, и обратнуюветвь, соответствующую обратному напряжению на p - n -переходе. Прямое напряжение считается положительным, а обратное – отрицательным. При увеличении прямого напряжения ток резко возрастает: при изменении напряжения на 60 мВ ток изменяется на порядок.  

При увеличении обратного напряжения обратный ток идеализированного
p - n -перехода сначала быстро возрастает до значения I ₀, а затем остается неизменным. При сделанных допущениях ток I ₀, который называют также тепловым током, обусловлен
термогенерацией неосновных носителей в нейтральных p - и n -областях. Уравнение вольт-амперной характеристики можно разрешить относительно напряжения:

                                    .                              (1.2)

Продифференцировав это соотношение, найдем дифференциальное сопротивление p - n -перехода

                            .                                     (1.3)

При прямом смещении дифференциальное сопротивление r _{диф. пр} уменьшается с ростом тока I. При температуре Т = 300 К и прямом токе I = 1 мА получаем r _{диф. пр} = 26 Ом, т. е. при прямом смещении дифференциальное сопротивление
p - n -перехода малó.

5

При обратном напряжении дифференциальное сопротивление перехода
r _{диф. обр} резко увеличивается и при I→ − I ₀,    r _{диф. обр} → ¥.

Рассмотрим влияние температуры на вольт-амперную характеристику при прямом включении p - n -перехода. С увеличением температуры падение напряжения на p - n -переходе уменьшается. Вольт-амперные характеристики, снятые при различных температурах, проходят практически параллельно друг другу (рисунок  2). Влияние температуры на p - n -переход принято оценивать температурным коэффициентом напряжения (ТКН)

.                 (1.4)

Увеличение тока через p - n -переход объясняется тем, что с ростом температуры уровни Ферми в p - и n -областях стремятся к середине запрещенной зоны. Это приводит к уменьшению потенциального барьера и росту тока через p - n -переход.

Рассмотрим обратную ветвь вольт-амперной характеристики реального p - n -перехода. Обратный ток в реальных p - n -переходах имеет три составляющие:

· тепловой ток I ₀;

· ток термогенерации;

· ток утечки.

Тепловой ток I ₀ обусловлен термогенерацией пар носителей в нейтральных
p - и n -областях, прилегающих к обедненному слою.

Эта составляющая обратного тока сильно зависит от температуры и практически не зависит от приложенного напряжения.

Ток термогенерации обусловлен генерацией пар носителей под воздействием тепловой энергии непосредственно в самом обедненном слое.

Ток утечки обусловлен проводящими пленками и каналами, которые могут образовываться между p - и n -областями на поверхности кристалла. Ток утечки обычно подчиняется закону Ома и слабо зависит от температуры.

В реальных p - n -переходах при увеличении обратного напряжения наблюдается пробой, под которым понимают резкое увеличение обратного тока. Различают три вида пробоя: тепловой, лавинный и туннельный.

Тепловой пробой обусловлен нагреванием p - n -перехода при протекании через него обратного тока. Рост температуры p - n -перехода приводит к росту обратного тока, который приводит к росту температуры и т.д. Если количество теплоты, выделяемой в переходе, превышает количество отводимой теплоты, то этот процесс будет лавинообразно развиваться и закончится разрушением   p - n -перехода.

 

6

 

 

Рис. 3.

Лавинный пробой возникает в p - n -переходах при невысокой степени легирования, когда носители на длине свободного пробега под воздействием электрического поля могут приобрести энергию, достаточную для образования новых пар носителей путем ударной ионизации атомов полупроводника. Напряжение лавинного пробоя очень слабо зависит от тока, протекающего через p - n -переход. Температурный коэффициент напряжения лавинного пробоя положителен, что объясняется уменьшением длины свободного пробега носителей при увеличении температуры.

Туннельный пробой имеет место в сильно легированных p - n -переходах и связан с туннельным эффектом, под которым понимают переход электронов

через тонкий потенциальный барьер без изменения энергии.

Напряжение туннельного пробоя не превышает 5 В и очень слабо зависит от тока, протекающего через p - n -переход.

Лавинный и туннельный пробой обратимы, если не переходят в тепловой. Лавинный и туннельный пробой как полезные явления используются в стабилитронах.