16

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра электропривода и автоматизации

Промышленных установок

621.389(07)

С197

Н.М. Сапрунова

Исследование полупроводниковых приборов

Учебное пособие к лабораторным работам

Челябинск

Издательство ЮУрГУ

2006

УДК621.389(07)+621.382.2.(07)

Сапрунова Н.М. Исследование полупроводниковых приборов: Учебное пособие к лабораторным работам. - Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2006. - 73 с.

Учебное пособие предназначено для студентов всех электротехнических специальностей энергетического факультета.

Учебное пособие содержит описание и методику проведения лабораторных работ по информационной электронике. Лабораторные работы состоят из двух циклов: полупроводниковые приборы и микроэлектроника.

Ил.78, табл.13, список лит. - 4 назв.

Одобрено учебно-методической комиссией энергетического факультета.

Рецензенты: Сарваров А.С., Мартынов В.П.

ISBN 5-696- © Издательство ЮУрГУ, 2006

Введение

Учебное пособие содержит лабораторные работы, выполняемые студентами при изучении курсов "Физические основы электроники", "Промышленная электроника", "Преобразовательная техника" и других курсов с близкими названиями. Оно предназначено для студентов всех электротехнических специальностей энергетического факультета.

Основная задача данного цикла лабораторных работ - научить студентов работать с электронными приборами и интегральными схемами и закрепить изученный материал. Все работы разбиты на 2 цикла: осциллограф и полупроводниковые приборы и микроэлектроника.

Для более глубокого изучения материала студенты дома до выполнения лабораторной работы производят предварительные расчеты и построения. Каждый студент получает индивидуальное задание. Лабораторная работа в значительной степени является проверкой предварительно выполненного задания. При отсутствии домашнего задания выполнение лабораторной работы нецелесообразно.

Для проверки знаний студентов перед лабораторной работой проводится коллоквиум на основе контрольных вопросов, помещенных в пособии.

Особое внимание при выполнении лабораторных работ уделяется развитию навыков работы с электронным осциллографом.

После выполнения лабораторной работы студенты составляют индивидуальные отчеты. Отчеты содержат как результаты проверки индивидуальных заданий, так и результаты общих экспериментальных исследований.

Общие рекомендации к выполнению лабораторных работ

Порядок выполнения работ

Перед выполнением работ все студенты должны изучить правила техники безопасности применительно к лаборатории промышленной электроники, для чего преподавателем проводится инструктаж. Краткий инструктаж проводится также на каждом занятии.

При подготовке к лабораторной работе необходимо:

1) ознакомиться с ее содержанием и, пользуясь рекомендованной литературой и конспектом лекций, изучить теоретические положения, на которых базируется работа;

2) выполнить предварительные расчеты и построения, указанные в задании для своего варианта;

3) изучить схему лабораторной установки и продумать методику выполнения лабораторной работы;

4) ответить на контрольные вопросы.

Перед выполнением каждой лабораторной работы необходимо сдать коллоквиум и представить отчет по предыдущей работе. Вопросы коллоквиума составлены на основе контрольных вопросов пособия

При выполнении лабораторной работы необходимо:

1) ознакомиться с рабочим местом, проверить наличие необходимых приборов и соединительных проводов;

2) проверить положение стрелок электроизмерительных приборов и если требуется, установить на нуль; приборы с несколькими пределами измерения включить на наибольший предел;

3) произвести сборку схемы;

4) после разрешения преподавателя включить питание и приступить к выполнению работы;

5) в начале каждого опыта, изменяя напряжения и токи в допустимых пределах, качественно оценить характер зависимости, а затем произвести требуемые измерения. При снятии характеристик надо обязательно снять крайние точки. Наибольшее число измерений следует производить на участках резкого изменения наклона характеристик, а на линейных участках независимо от их протяженности достаточно снимать по три точки. Характеристики строятся непосредственно во время проведения эксперимента;

6) в ходе работы и по ее окончанию полученные данные представлять на проверку преподавателю;

7) схему разбирать только после проверки преподавателем результатов опыта (перед разборкой не забудьте выключить источник питания);

8) по окончании работы привести в порядок рабочее место.

Оформление отчетов по лабораторным работам

В отчете должна быть сформулирована цель проведенной работы и представлены следующие материалы:

1) схемы экспериментов;

2) расчет заданного варианта;

3) рассчитанные характеристики и подтверждающие их экспериментальные характеристики, построенные в одних осях координат;

4) сравнительные таблицы экспериментальных и расчетных данных;

5) все остальные экспериментальные характеристики;

6) обработанные осциллограммы;

7) выводы (анализ экспериментальных данных, вида кривых, причин погрешностей и т.д.).

Отчет оформляется чернилами или шариковой ручкой. Схемы вычерчиваются карандашом. Графики строятся на листах миллиметровой бумаги карандашом и вклеиваются в отчет. Отчет может быть напечатан на принтере.

Опытные точки могут иметь разброс. Экспериментальные кривые проводят плавно, максимально приближая к экспериментальным точкам. На графиках приводят название, обозначают, к какому опыту они относятся, и указывают постоянные величины, определяющие условия опыта. На осях координат надо обязательно указать, какая величина по ним отложена, в каких единицах она измеряется, и нанести деления. Цена деления должна быть удобной для работы.

Работа №1

Изучение электронного осциллографа

Цель работы

Освоение измерений напряжения, тока электронным осциллографом; определение масштабов напряжения, тока, времени.

Теоретическая часть

Электронный осциллограф предназначен для записи или наблюдения на экране электронно-лучевой трубки изменений электрических сигналов во времени, а также для измерения различных электрических величин. Структурная схема осциллографа приведена на рис.1.

Рис.1. Структурная схема осциллографа

Основным блоком осциллографа является электронная лучевая трубка (ЭЛТ). Катод К в трубке служит источником электронов. Электроны собираются в узкий луч при помощи электрического или магнитного поля специальных электродов или катушек с током. Электронный луч фокусируется на экране, который образуется внутренней стороной стеклянного баллона трубки, покрытой люминофором. Схематическое устройство ЭЛТ с электростатическим управлением приведено на рис.2.

Металлический катод К, подогреваемый током металлической нити Н, имеет форму стакана. Катод охвачен полым цилиндрическим модулятором М с отверстием на оси. Модулятор имеет отрицательный потенциал относительно катода, который регулируется потенциометром R₁. Чем меньше напряжение модулятора, тем меньше плотность электронного потока, проходящего через модулятор и, следовательно, тем меньше яркость изображения на экране.

Электроны, прошедшие через модулятор, попадают в электрическое поле первого А₁ и второго А₂ анодов, имеющих вид полых металлических цилиндров. Анодам сообщаются высокие положительные потенциалы от источника питания через делитель R₁-R₂-R₃. Регулировкой потенциала первого анода с помощью потенциометра R₂ добиваются точной фокусировки пучка электронов на поверхности экрана.

Для управления положением светящегося пятна на экране применяются отклоняющие пластины X и Y, которые расположены взаимно перпендикулярно. При изменении разности потенциалов между Y₁ и Y₂, а также X₁ и Х₂ изменяется положение электронного луча на экране благодаря воздействию электростатических полей отклоняющих пластин на электроны. Разность потенциалов между пластинами Х определяет положение луча по горизонтали, а разность потенциалов между пластинами Y - положение луча по вертикали.

Канал вертикального отклонения луча содержит входное устройство и широкополосный усилитель (усилитель Y). Входное устройство содержит делитель напряжения, который позволяет регулировать чувствительность канала Y, кроме того, в него входит устройство задержки сигнала. Задержка сигнала вводится для того, чтобы напряжение развертки луча поступило на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ с опережением относительно сигнала, что позволяет наблюдать на экране начало процесса.

На выходе усилителя Y создается напряжение, пропорциональное входному сигналу и вызывающее вертикальное отклонение луча. Усилитель обеспечивает чувствительность канала Y в пределах до 2500 мм/В при сравнительно низкой чувствительности ЭЛТ в пределах 0,1…0,4 мм/В.

Канал горизонтального отклонения луча состоит из входного устройства, усилителя канала синхронизации, генератора развертки и усилителя горизонтального отклонения (усилитель X). Входное устройство канала Х не имеет устройства задержки сигнала. Генератор развертки создает линейно изменяющееся напряжение, которое через усилитель Х поступает на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ.

Рис.2. Схематическое изображение электронно-лучевой трубки

Сигналы от входного устройства Y или Х поступают на генератор развертки через усилитель синхронизации. С помощью переключателя П₂ генератор развертки может быть исключен из канала X. Тогда на горизонтально отклоняющие пластины подается напряжение, пропорциональное сигналу на входе X.

Пусть осциллограф работает в режиме развертки, для которого на схеме показано положение переключателей П₁-П₃. Если на входе Y сигнал отсутствует, то линейно изменяющееся напряжение генератора развертки смещает электронный луч по экрану ЭЛТ слева направо с постоянной скоростью. При этом на экране получатся прямая. По окончании действия напряжения, генератора развертки луч возвращается в исходное положение в левой части экрана. После этого процесс повторяется. Смещение X луча по горизонтали пропорционально времени t.

Пусть на входе Y появляется напряжение u(t). Благодаря напряжению генератора развертки на экране будет наблюдаться развертка исследуемого напряжения во времени. Для получения устойчивого изображения необходимо синхронизировать напряжение генератора развертки с исследуемым сигналом. Допустим, что напряжение сигнала u(t) изменяется во времени по синусоидальному закону, период Т_С которого отличается от периода напряжения развертки Т_Р (рис.3). В этом случае по окончании периода развертки луч не вернется в исходное положение, т.к. u(t₁) не вернулось в нулевое значение. Второму периоду развертки будет соответствовать кривая 2, смещенная на экране относительно кривой 1 на величину ?T = Т_С - Т_Р, и т.д. На экране наблюдается «бегущая синусоида».

Для получения устойчивого изображения необходимо выполнить соотношение Т_Р = nТ_С, где n - целое число. Если n = 1, то на экране наблюдается один период исследуемого сигнала; при n = 2, 3,... на экране наблюдается два, три, и т.д. периодов сигнала.

Существует три вида синхронизации: от сети; внутренняя; внешняя. Синхронизация от сети применяется в том случае, если исследуются сигналы токов и напряжений, равные или кратные частоте сети 50 Гц. Такие сигналы действуют в выпрямителях, инверторах, ведомых сетью, непосредственных преобразователях частоты и др.

При внутренней синхронизации входное устройство входа Y запускает усилитель канала синхронизации, который вырабатывает короткие импульсы с частотой исследуемого сигнала. Полученные импульсы поступают на генератор развертки, который генерирует импульсы с частотой, равной или кратной частоте сигнала. При внешней синхронизации переключатель П₅ находится в положении 2, и запуск генератора развертки производится внешним сигналом.

С помощью переключателя П₁ генератор развертки может быть исключен из канала X. Тогда на горизонтально отклоняющие пластины можно подать напряжение, пропорциональное сигналу на входе X. На входе Х отсутствует делитель напряжения, поэтому чувствительность канала не регулируется и масштаб напряжения определяется по эталонному сигналу. Например, эталонный сигнал с амплитудой 1 В отклоняется по оси х на расстояние 1,5 см, масштаб напряжения определяется отношением 1 В/1,5 см = 0,66 В/см.

Экспериментальная часть

1. Проведение измерения напряжений при помощи вертикального входа Y.

Установить род работы «», замерить напряжение источника питания: +15 В, +27 В, +6,3 В, -6,3 В, +9 В, -9 В. При этом пользоваться разными положениями делителя напряжения на вертикальном входе. Тумблер «Усилитель Y» поставить в положение «х10». Прямая измеряемого напряжения не должна выходить за пределы экрана. Результаты измерения занести в таблицу, например, при измерении напряжения +15 В. Зарисовать осциллограммы напряжений.

Таблица 1 - Варианты измерения постоянных напряжений

Масштаб на входе Y	20 В/см	10 В/см	5 В/см
Величина отклонения, см	0,7	1,5	3,0
Величина напряжения, В	14	15	15
Относительная погрешность	6,6%	0	0

2. Проведение измерения напряжений при помощи вертикального входа Y и внешнего делителя напряжений

Установить род работы «». Замерить те же значения напряжений, используя делитель напряжения с коэффициентом делителя К_д = 4. Результаты измерения занести в таблицу.

Делитель напряжения (рис.4.) представляет собой цепь из двух последовательно включенных резисторов. Цепь подключается к источнику напряжения. С одного из плеч снимается выходное напряжение, которое получается меньше входного, т.е. ослабляется.

Рис.4. Делитель напряжения

2.1. Измерение переменного напряжения

Установить род работы «~». Убедиться в том, что в этом положении нельзя замерить постоянное напряжение. Подключить переменное напряжение «12 В». Определить амплитуду и действующее значение переменного напряжения . Зарисовать осциллограмму напряжения в разных масштабах генератора развертки. Определить масштаб времени. Проверить влияние рода синхронизации на изображение сигнала: «», «~», «сеть», «внутренняя», «внешняя». Сделать выводы о влиянии синхронизации на устойчивость изображения.

2.2. Измерение эталонного сигнала

На вертикальный вход подключить эталонный сигнал с гнезда «кГц». Замерить его амплитуду в масштабах 1 В/дел и 0,5 В/дел. Определить масштаб времени и период следования импульсов.

2.3. Измерение сигналов при помощи горизонтального входа

Переключатель «Развертка» поставить в положение «Х». При этом генератор развертки отключается от входа «Х» и на экране появляется точка. Подать на вход «Х» сигнал от гнезда «2 кГц». Определить масштаб по напряжению. Снять осциллограмму.

Далее при помощи делителя напряжения измерить переменное напряжение источника питания. Схема подключения приведена на рис.5.

Рис.5. Подключение делителя к источнику переменного напряжения

3. Оформление отчета.

При оформлении отчета представить таблицы измерений и осциллограммы напряжений. Сделать выводы по каждому пункту.

Контрольные вопросы

1. Как осуществляется фокусировка электронного луча на экране?

2. Как получить отклонение луча по вертикали?

3. Как измерить сигнал по входу X?

4. Для чего применяется генератор развертки?

5. Как синхронизировать сигнал, если его частота равна 150 Гц?

6. Для чего применяется внутренняя синхронизация?

7. Какой род работы необходимо установить, если должна фиксироваться нулевая линия?

8. Чем отличается внешняя синхронизация от внутренней?

9. Как расширить пределы измерения сигнала по оси Y или X?

Работа №2

Исследование выпрямительного и туннельного диодов

Цель работы

Изучение характеристик и параметров выпрямительных и туннельных диодов.

Теоретическая часть

1. Формирование электронно-дырочного перехода.

Плоскостные выпрямительные диоды основаны на плоскостном контакте слоев полупроводников с разным типом проводимости. Структура полупроводников n- и р-типа приведена на рис.1, где n-слой с электронной проводимостью, а p-слой с дырочной проводимостью.

Рис.1. Структура полупроводников с электронной и дырочной проводимостью

При соединении слоев происходит диффузия электронов из n-слоя в p-слой. Принимается условие, что концентрация электронов в n-слое больше концентрации дырок в p-слое. После диффузии электронов у границы n-слоя остается неподвижный положительный заряд ионов примеси (донора). В p-слое электроны рекомбинируют с дырками, в результате чего у границы p-слоя возникает неподвижный отрицательный заряд ионов примеси (акцептора). Область неподвижных зарядов ионов примеси в основном составляет p-n-переход (рис.2).

Переход получается в единой пластине полупроводника, в которой получена резкая граница между слоями n и р. Резкость границы играет основную роль для образования p-n-перехода, т.к. плавный переход не обладает вентильными свойствами, на которых основана работа диодов и транзисторов.

Граница между слоями является резкой, если выполняется неравенство:

, (1)

где - градиент концентрации примеси на границе перехода,

l_i - глубина проникновения электрического поля в кристалл,

n_i - собственная концентрация электронов.

Например, для значений n_i = 10¹³ зар/см3 и l_i = 1,5 мкм условие (1) выполняется при зар/см⁴. Согласно условию (1) концентрация примеси в переходе должна существенно изменяться на отрезке, меньшем l_i. Переходы, в которых наблюдается скачкообразное изменение концентрации на границе слоев , называются ступенчатыми. Ступенчатые переходы хорошо воспроизводят параметры и характеристики реальных структур и проще для анализа.

Рис.2. Структура несимметричного ступенчатого p-n-перехода и потенциальный барьер p-n-перехода

По соотношению концентраций основных носителей в слоях n и р переходы делятся на симметричные и несимметричные: nnpp и nnpp или ppnn, где nn - концентрация электронов в области n, pp - концентрация дырок в области р. Практическое применение находят несимметричные переходы, у которых различие в концентрациях составляет до 100 - 1000 раз.

Заряды p-n-перехода образуются не только за счет ионов примесей, но и за счет некоторого числа носителей, поступивших из соседнего слоя. Количество свободных носителей невелико. В рассматриваемом случае концентрация доноров значительно выше концентрации акцепторов, в то же время полные заряды в обеих частях перехода одинаковы, поэтому область отрицательного заряда в р-слое будет гораздо шире, чем область положительного заряда в n-слое. Следовательно, несимметричный переход сосредоточен в основном в высокоомном слое.

Заряды p-n-перехода создают внутреннее поле, которое препятствует перемещению основных носителей 1 и 2. Под действием внутреннего поля перемещаются неосновные носители 3 и 4, которые создают ток дрейфа. Внутреннее поле создает на границе слоев потенциальный барьер, который принято изображать для электронов. Для перехода электрона 1 из n-слоя в p-слой электрону необходимо сообщить потенциал _pn, который для кремниевых p-n-переходов составляет величину 0,6-0,7 В, а для германиевых - 0,2-0,3 В. При отсутствии внешнего напряжения через переход протекают токи диффузии и дрейфа, которые равны по величине. Ширина p-n-перехода зависит от материала полупроводника, концентрации электронов и дырок, температуры.

2. Подключение p-n-перехода к внешнему напряжению.

Подключение внешнего напряжения позволяет изменить ширину p-n-перехода и высоту потенциального барьера. Различают прямое и обратное включение p-n-перехода. Схема прямого включения приведена на рис.3. Источник Е_пр действует встречно внутреннему полю, поэтому уменьшаются ширина p-n-перехода и высота потенциального барьера. Основные носители электроны получают возможность для диффузии из n-слоя в p-слой.

Рис.3. Прямое включение p-n-перехода

Пусть электроны 1, 2, 3 совершают диффузию в p-слой, который на мгновение теряет электрическую нейтральность, приобретая избыточный отрицательный заряд. Между p-слоем и его выводом возникает электрическое поле, которое выбрасывает во внешнюю цепь электроны 4, 5, 6 из ближайших орбит парно-электронных связей полупроводника p-типа. Далее электроны 1, 2, 3 начинают диффузионное перемещение по дыркам вправо к правому контакту.

Во время диффузии электронов 1, 2, 3 n-слой также теряет электрическую нейтральность, приобретая избыточный положительный заряд. Между n-слоем и его выводом возникает электрическое поле, которое втягивает из внешней цепи электроны 7, 8, 9. В результате у левого и правого контакта, а также через структуру протекает прямой ток. Величина прямого тока определяется площадью p-n-перехода и зависит от приложенного прямого напряжения и ограничивающего сопротивления.

Рис.4. Обратное включение p-n-перехода

Схема обратного включения p-n-перехода приведена на рис.4. Под действием обратного напряжения происходит отток основных носителей 1 и 2 от границ перехода, поэтому p-n-переход расширяется. Для основных носителей создается сильное тормозящее поле, поэтому диффузия носителей невозможна. Поле, действующее на переходе, является ускоряющим для неосновных носителей, поэтому происходит дрейф носителей. Ток дрейфа имеет три составляющие: ток термогенерации, тепловой ток, ток утечки.

Ток термогенерации создается неосновными носителями 5 и 6, которые генерированы в области перехода, и зависит от температуры I_тг(Т) = I_тг(Т₀)е^Т, где Т₀ - начальное значение температуры (25⁰С); Т - текущее значение температуры; Т - изменение температуры; - температурный коэффициент. Ток термогенерации преобладает у кремниевых диодов, которые имеют бoльшую ширину p-n-перехода по сравнению с германиевыми диодами.

Тепловой ток создается неосновными носителями 3 и 4, которые генерированы в слоях полупроводника, прилегающих к переходу. Тепловой ток преобладает у германиевых p-n-переходов. Он зависит от температуры I_т(Т) = I_т(Т₀)е^Т. Существует эмпирическое правило для оценки токов, зависящих от температуры: при возрастании температуры на 10⁰С обратный ток возрастает в 2 раза.

Ток утечки создается неосновными носителями, которые генерируются на поверхности слоев. Этот ток не зависит от температуры, т.к. определяется состоянием поверхности кристалла полупроводника. Основной особенностью тока утечки является нестабильность во времени, которая называется ползучестью.

Суммарное значение тока неосновных носителей при температуре до 40⁰С много меньше тока диффузии: I_пр/I_обр = 10⁴ - 10⁵. Из этого соотношения следует, что несимметричный ступенчатый p-n-переход обладает вентильными свойствами.

3. Вольтамперная характеристика p-n-перехода.

Вольтамперная характеристика p-n-перехода приведена на рис.5, где прямая и обратная ветви изображены в разных масштабах. Участки прямой характеристики: 0-А, А-В, В-С. На участке 0-А прямой ток не протекает из-за тормозящего действия потенциального барьера на p-n-переходе. На участке А-В ток возрастает, т.к. часть электронов преодолевает потенциальный барьер. На участке А-В изменение тока носит нелинейный характер. На участке В-С действие потенциального барьера незначительное, т.к. большая часть электронов имеет энергию достаточную для диффузии из n-слоя в p. Участок В-С является линейным и рабочим для p-n-перехода. На нем при незначительном увеличении напряжения ток резко возрастает. Рассмотренный закон изменения прямого тока связан с различными скоростями электронов, а именно, число электронов с большими скоростями мало, а с малыми скоростями - велико.

Рис.5. Вольтамперная характеристика ступенчатого p-n-перехода

На участке 0-D обратный ток резко возрастает при незначительном увеличении обратного напряжения. Это связано с тем, что при заданной температуре в структуре образуются тепловой ток и ток термогенерации. На участке D-E при значительном увеличении напряжения происходит незначительное увеличение тока. Этот участок носит приблизительно линейный характер, т.к. ток термогенерации зависит от обратного напряжения по закону I_тг, а ток утечки пропорционален обратному напряжению. В точке Е происходит пробой p-n-перехода. Если материал полупроводника - кремний, то в точке Е происходит резкий переход на участок пробоя.

При спрямлении рабочего участка В-С на оси напряжений определяется пороговое напряжение U_пор (рис.6). Величина этого напряжения зависит от материала полупроводника и составляет величину 0,2-0,6 В.

Величина рабочего напряжения, которое прикладывается к переходу, составляет десятки и сотни вольт, поэтому имеет смысл рассмотреть вольтамперную характеристику в одинаковых масштабах для напряжения и для тока. При этом прямая вольтамперная характеристика сливается с осью тока (рис.7). На рис.7 масштабы по току и напряжению одинаковые для прямого и обратного включения. Обратная ветвь сливается с осью напряжений до участка пробоя. Итак, согласно рис.7, вольтамперная характеристика несимметричного ступенчатого p-n-перехода представляет собой характеристику идеального вентиля, а p-n-переход применяется в выпрямительных диодах.

Диффузия электронов при прямом включении носит характер впрыскивания, или инжекции. Инжектирующий слой, имеющий относительно малое удельное сопротивление, называется эмиттером. В рассмотренном примере эмиттер - n-слой. Эмиттер имеет малое удельное сопротивление из-за повышенной концентрации основных носителей по сравнению с p-слоем. Второй слой, в который происходит инжекция, называется базой. База имеет относительно большое удельное сопротивление из-за пониженной концентрации примесей по сравнению с эмиттером.

В слове диод «ди» означает наличие двух выводов или двух электродов полупроводникового прибора. Разновидности диодов:

плоскостные выпрямительные;

точечные выпрямительные;

диоды Шоттки;

туннельные диоды;

полупроводниковые стабилитроны;

варикапы.

4. Параметры выпрямительных диодов.

Плоскостные выпрямительные диоды различаются по мощности и диапазону частот. По мощности они делятся на три группы: маломощные, средней мощности, большой мощности. Маломощные диоды имеют предельный ток I_п = 10-100 мА, диоды средней мощности - I_п = 0,1-10 А, большой мощности - I_п 10 А. Чем больше предельный ток, тем меньше граничная частота работы диода. Например, диод с предельным током 500 А имеет граничную частоту работы 600 Гц. Маломощные диоды имеют граничную частоту в пределах десятков, сотен килогерц.

Полупроводниковые диоды имеют два вида параметров: характеризующие параметры и предельные. Характеризующие параметры определяют значения электрических, тепловых и механических величин в заданной точке вольтамперной характеристики.

4.1. Основные характеризующие параметры диода.

R - сопротивление постоянному току, которое определяется как для прямой, так и для обратной ветви: R = .

R_i - дифференциальное сопротивление, которое называется еще внутренним, или динамическим: R_i = . Оно определяется для линейного рабочего участка прямой ветви: R_i = (рис.6).

U_пор - пороговое напряжение, которое определяется по спрямленному линейному участку (рис. 6).

Р - мощность, рассеиваемая на переходе, . Мощность Р нагревает переход, а тепло рассеивается в окружающую среду.

R_t - тепловое сопротивление, которое определяет способность диода рассеивать тепло, выделяемое на переходе. Значение установившегося теплового сопротивления переход-среда равно: R_{t пс уст} = ? [град/Вт].

u_пр - прямое падение напряжения; представляет собой мгновенное значение напряжения для значения прямого тока: I_пр = (23)I_пред.

U_проб - обратное напряжение, при котором диод теряет вентильные свойства.

4.2. Предельные параметры диода.

I_пред - предельный ток - это максимально допустимое среднее значение тока в однополупериодной схеме выпрямления однофазного тока. Его значение зависит от типа охладителя и скорости охлаждающего воздуха или воды. По значению тока различают диоды малой, средней и большой мощности. К мощным диодам относятся диоды с током I_пред 10 А.

U_п - повторяющееся напряжение - это максимально допустимое импульсное напряжение, которое прикладывается к диоду в обратном направлении. По значению U_п определяется класс вентиля (класс = U_п/100). Выпрямительные диоды выполняются от 1 до 22 класса. Класс вентиля берется по импульсному напряжению, т.к. нагрузка выпрямителя носит индуктивный характер, а прерывание тока в индуктивности создает перенапряжение, которое складывается с синусоидальным напряжением.

U_неп - неповторяющееся напряжение - это максимально допустимое импульсное напряжение, которое прикладывается однократно к вентилю в аварийной ситуации. Повторное приложение напряжения U_неп снижает класс вентиля. Для вентиля большой мощности U_неп U_п+200 В.

I_уд - ударный ток, который определяется для вентилей большой мощности - это максимально допустимая амплитуда одной полуволны, имеющей длительность 10 миллисекунд (рис. 8).

Рис.8. Ударный ток

[_pn] - максимально допустимая температура p-n-перехода, которая для кремниевых диодов составляет величину 120 - 125⁰ С.

Р_доп - максимально допустимая мощность, рассеиваемая на переходе.

Рис.9. Кривая максимально допустимой мощности рассеивания

Мощность Р_доп рассеивается при максимально допустимой температуре p-n-перехода: Р_доп = ([_pn] - Т_окр)/R_t [Вт], где Т_окр - температура окружающей среды. Построение линии Р_доп = 1 Вт для диода с предельным током 10 А показано на рис.9. Для построения кривой составляется таблица 1. В ней задается значение тока, по которому вычисляется значение напряжения U = Р_доп/I.

Таблица 1 - Значения тока и напряжения для P_доп = 1 Вт

I, А	1,0	2,0	5,0	10
U, В	1,0	0,5	0,2	0,1

5. Схема замещения диода

16

.

Схема замещения диода приведена на рис.10, где r_э и r_б - омические сопротивления слоев эмиттера и базы;

r_pn - дифференциальное сопротивление p-n-перехода. Омические сопротивления слоев определяются известным выражением: .

Дифференциальное сопротивление r_pn определяется выражением . В прямом направлении r_pn очень мало, поэтому внутреннее сопротивление диода определяется сопротивлением базы: R_i r_б. В обратном направлении омические сопротивления слоев много меньше r_pn, поэтому R_обр r_pn.

Одноименная область зарядов на p-n-переходе представляет собой диэлектрик, а прилегающие слои полупроводников - обкладки конденсатора, поэтому в схеме замещения появляется емкость p-n-перехода. Различают барьерную и диффузионную емкости.

Барьерная определяется для обратного включения диода. Она зависит от распределения зарядов в p-n-переходе, которое, в свою очередь, зависит от обратного напряжения U_обр. Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения приведена на рис.11. В общем случае характеристика носит нелинейный характер, но можно выделить на ней линейный участок. С увеличением обратного напряжения емкость С_pn уменьшается. Изменение емкости p-n-перехода используется в диодах - варикапах.

Рис.11. Зависимость барьерной емкости от напряжения и условное обозначение варикапа

Диффузионная емкость определяется для прямого включения диода. Она зависит от распределения зарядов в базе, т.к. ширина перехода становится очень малой. Распределение зарядов в базе зависит от прямого тока.

Емкость С_pn влияет на скорость изменения концентрации основных носителей, когда в схеме действуют высокочастотные сигналы или прямоугольные импульсы, поэтому, как параметр, емкость С_pn используется при расчете переходных процессов. Для уменьшения влияния С_pn необходимо иметь меньшее значение емкости.

Экспериментальная часть

1. Снятие вольтамперной характеристики кремниевого диода D226 методом амперметра-вольтметра

Резистор R_б (балластный) служит для ограничения тока, шунт R_ш - для снятия осциллограммы тока, потенциометр П₂ - для регулирования питающего напряжения. Снять зависимость тока диода от напряжения на нем I_а = F(U_a). Данные занести в таблицу 2.

Таблица 2 - Примерные значения тока и напряжения диода

Iа, мА	0	5	10	30
Ua, В	0-0,60	0,70	0,75	0,78

При изменении полярности питающего напряжения необходимо изменить подключение миллиамперметра и вольтметра.

Построить вольтамперную характеристику. Определить по ней пороговое напряжение, дифференциальное сопротивление, обратный ток, прямое падение напряжения при токе 30 мА. Определение параметров показано на рис.13.

Рис.13. Определение параметров диода по вольтамперной характеристике

2. Снятие вольтамперной характеристики выпрямительных диодов при помощи осциллографа

Собрать схему, приведенную на рис.14.

Рис.14. Схема для снятия вольтамперной характеристики диода при помощи осциллографа: Х - горизонтальный вход осциллографа, Y - вертикальный вход

Зарисовать вольтамперные характеристики диодов: кремниевого типа D226 и германиевого типа D7А. Для каждого диода снять 2 характеристики: без делителя напряжения и с делителем, причем, К_дел = 4. Определить масштабы тока и напряжения. По характеристикам определить пороговое напряжение, прямое падение напряжения при токе 30 мА. Сравнить параметры в пунктах 1 и 2. Сравнить параметры кремниевого и германиевого диодов.

3. Снятие вольтамперной характеристики туннельного диода при помощи осциллографа.

Собрать схему, приведенную на рис.15.

Рис.15. Схема для снятия вольтамперной характеристики туннельного диода при помощи осциллографа

Схема позволяет снять прямую ветвь характеристики. Перед началом опыта движок потенциометра поставить в положение, показанное на рис.15. Внимание! Постепенно увеличивать напряжение от нуля.

Рис.16. Вольтамперная характеристика туннельного диода

По характеристике определить дифференциальные сопротивления на разных участках прямой ветви, пиковый ток, ток впадины, отношение пикового тока к току впадины, напряжение пика, напряжение впадины (рис.16.) При оформлении отчета представить таблицы измерений и обработанные осциллограммы. Сделать выводы по каждому пункту.

Внимание! Тумблер «Усилитель Y» держать в положении «x10».

Контрольные вопросы

1. Пояснить образование несимметричного ступенчатого p-n-перехода.

2. Как изменить сопротивление p-n-перехода?

3. Почему возрастает ток при прямом включении p-n-перехода, а при обратном включении p-n-переход закрыт?

4. Что показывают предельные параметры диода?

5. Перечислить характеризующие и предельные параметры выпрямительного диода?

6. Что такое ток термогенерации?

7. Причины возникновения пробоя p-n-перехода.

8. Как определить класс вентиля?

9. Как зависит вид вольтамперной характеристики диода от концентрации примесей в слоях?

10. Как снимается вольтамперная характеристика диода?

Таблица вариантов

№ вар.	Uпор, В	Ri, Ом	Pдоп, Вт	Iп, А	№ вар.	Uпор, В	Ri, Ом	Pдоп, Вт	Iп, А
1	0,40	0,80	0,32	0,40	13	0,40	0,90	0,32	0,40
2	0,50	0,80	0,50	0,50	14	0,50	0,90	0,40	0,50
3	0,60	0,80	0,70	0,60	15	0,60	1,50	0,24	0,30
4	0,45	0,75	0,70	0,70	16	0,45	1,20	0,24	0,30
5	0,65	0,70	0,75	0,80	17	0,65	1,30	0,28	0,35
6	0,40	0,70	0,80	0,90	18	0,40	0,75	0,70	0,80
7	0,45	0,60	1,0	1,0	19	0,45	0,65	1,10	1,0
8	0,50	0,20	1,50	2,50	20	0,50	0,25	1,45	2,50
9	0,40	0,10	3,0	5,0	21	0,40	0,10	3,50	5,0
10	0,45	0,10	4,0	7,0	22	0,45	0,09	5,0	7,0
11	0,50	0,08	6,0	8,0	23	0,50	0,07	6,0	8,0
12	0,40	0,05	8,0	10,0	24	0,40	0,05	8,0	10,0

Примечание: Студенты, получившие подвариант А, строят вольтамперную характеристику диода; получившие подвариант Б - строят кривую максимально допустимой мощности рассеивания; получившие подвариант В - составляют таблицу параметров для выпрямительных диодов большой мощности.

Работа №3

Исследование однополупериодного выпрямителя

и параметрического стабилизатора постоянного напряжения

Цель работы

Изучить работу однополупериодного выпрямителя однофазного тока и принцип стабилизации постоянного напряжения при помощи одноанодного стабилитрона.

Теоретическая часть

Схема однополупериодного выпрямителя однофазного тока приведена на рис.1. Выпрямитель питается от фазного напряжения U₁ с действующим значением 220 В. Трансформатор Тр преобразует величину напряжения, создавая на вторичной обмотки W₂ напряжение U₂, действующее значение которого зависит от коэффициента трансформации К_тр= W₁/W₂ = U₁/U₂ . Кроме этого трансформатор разделяет потенциально цепи первичной и вторичной обмоток. Диод V включен последовательно с нагрузкой в цепь вторичной обмотки трансформатора.

Рис.1. Схема однополупериодного выпрямителя однофазного тока

Пусть в некоторый момент времени напряжение u_ab > 0, тогда к диоду прикладывается прямое напряжение и он проводит ток i_а. На нагрузке появляется напряжение u_н = i_а*R_н. При изменении полярности напряжения u_аb диод закрыт, ток в контуре не протекает и напряжение на нагрузке равно 0. Итак, за период переменного напряжения во вторичной обмотке трансформатора получается один импульс тока, поэтому схема называется однополупериодной.

Рассмотрим работу схемы в двух режимах:

1) U_2m U_пор; 2) U_2m >> U_пор, где U_пор - пороговое напряжение вольтамперной характеристики диода.

Пусть работа диода происходит в первом режиме, тогда при построении нагрузочной диаграммы необходимо учитывать нелинейность вольтамперной характеристики. Нагрузочная диаграмма изображена на рис.2.

Анодный ток в интервалах времени t₁-t₂ и t₈-t₉ не протекает, а в интервалах времени t₂-t₄ и t₆-t₈ имеет нелинейные искажения. Когда изменения напряжения U₂ приходятся на линейный участок вольтамперной характеристики между точками 3 и 4, тогда нелинейные искажения тока отсутствуют.

Временные диаграммы работы выпрямителя с учетом нелинейности приведены на рис.3.

Рис.3. Временные диаграммы работы выпрямителя

Экспериментальная часть

1. Исследование выпрямителя на пониженном напряжении

Рис.4. Схема однополупериодного выпрямителя однофазного тока

Установить на входе выпрямителя напряжение с амплитудой 3 В. Измере-ние напряжения производить при помощи осциллографа. Зарисовать осциллог-раммы входного напряжения u_вх, напряжения на нагрузке u_н, напряжения на ди-оде u_а, анодного тока i_а. Убедиться в появлении нелинейных искажений тока и напряжения нагрузки.

2. Исследование выпрямителя при входном напряжении 12 В.

Установить на входе выпрямителя напряжение с максимальной амплитудой. Зарисовать осциллограммы u_вх, u_н, u_а, i_а.

Снять зависимость среднего значения напряжения и тока нагрузки от амплитуды входного напряжения: U_н = F(U_вхm), I_a = F(U_вхm). Сравнить зависимости U_н = F(U_вхm), I_a = F(U_вхm) с расчетными.

Среднее значение напряжения на нагрузке

;

где - среднее значение выпрямленного напряжения на холостом ходе выпрямителя;

u_а - падение напряжения на диоде, которое берется из вольтамперной характеристики диода.

Среднее значение анодного тока

, где R_н = 120 Ом.

Построить зависимость U_н = F(U_вхm) и I_н = F(U_вхm).

3. Снятие вольтамперной характеристики одноанодного стабилитрона

Собрать схему, приведенную на рис.5.

Рис.5. Схема для снятия вольтамперной характеристики стабилитрона:

Х - горизонтальный вход осциллографа, Y - вертикальный вход

Зарисовать вольтамперную характеристику стабилитрона и определить по ней параметры: дифференциальные сопротивления в прямом и обратном направлениях, напряжение стабилизации, прямое падение напряжения.

Определение параметров показано на рис.6.



16

Рис.6. Определение параметров по вольтамперной характеристике стабилитрона

4. Исследование параметрического стабилизатора постоянного напряжения.

Собрать схему, приведенную на рис.7.

Рис.7. Схема параметрического стабилизатора постоянного напряжения: V₁, V₂ - вольтметры.

Снять зависимость выходного напряжения стабилизатора от входного напряжения: U_вых = F(U_вх). Построить зависимость. Измерить изменение тока I. Определить коэффициент стабилизации по напряжению:

;

где значение U_вх в точке покоя принять 11 В, U_вых взять из вольтамперной характеристики стабилитрона -U_вых =U_сm.

5. Оформление отчета.

При оформлении отчета представить таблицы измерений и обработанные осциллограммы. Сделать выводы по каждому пункту

Внимание! Тумблер «Усилитель Y» держать в положении «x10».

Контрольные вопросы

1. Какая схема выпрямления называется однополупериодной?

2. Как работает схема выпрямления однофазного тока?

3. В каком случае необходимо учитывать нелинейность вольтамперной характеристики диода?

4. Как построить кривую анодного тока при малом значении питающего напряжения, когда U_2m U_пор.

5. Можно ли считать выпрямительный диод идеальным вентилем?

6. Как снимается вольтамперная характеристика стабилитрона?

7. Какой вид пробоя используется в одноанодных стабилитронах? Охарактеризовать каждый вид пробоя.

8. Как строится схема параметрического стабилизатора напряжения? Раскрыть назначение элементов.

Таблица вариантов

№ вар.	U2m, B	Rн, Ом	№ вар.	U2m, B	Rн, Ом
1	0,9	10	13	0,9	12
2	1,0	12	14	1,0	14
3	1,1	13	15	1,1	13
4	1,2	14	16	1,2	15
5	1,3	15	17	1,3	12
6	1,4	16	18	1,4	15
7	0,9	15	19	1,9	12
8	1,0	14	20	1,0	13
9	1,1	13	21	1,1	14
10	1,2	12	22	1,2	15
11	1,3	16	23	1,3	18
12	1,4	17	24	1,4	20

Примечание: студенты, получившие подвариант А, строят кривую анодного тока i_a(t); подвариант Б - кривую анодного напряжения u_a(t); подвариант В - временные диаграммы u₂(t), i_a(t), u_a(t), u_н(t) для заданной вольтамперной характеристики (ВАХ) диода. ВАХ диода приведена на рис.8.

Рис.8. Вольтамперная характеристика диода для предварительного расчета

Работа №4

Исследование однооперационного тиристора

Цель работы

Изучение параметров и характеристик тиристора и исследование однофазного управляемого выпрямителя.

Теоретическая часть

Однооперационный тиристор является плоскостным полупроводниковым прибором, который состоит из четырех слоев р₁-n₁-р₂-n₂. Тиристор имеет три вывода: анод (А), катод (К), управляющий электрод (УЭ). Принцип действия тиристора рассматривается на четырехслойной структуре, имеющей два вывода. Такая структура называется динистором. Структура динистора приведена на рис.1.

Рис.1. Структура и условное обозначение динистора

На границе слоев образуются p-n-переходы П₁, П₂, П₃. При подключении динистора к источнику прямого напряжения p-n-переходы П₁ и П₃ смещаются в прямом направлении, а П₂ - в обратном направлении. Сопротивление перехода П₂ велико и составляет величину порядка 1 МОм, поэтому ток через структуру не протекает. В таком состоянии динистор закрыт. Для того чтобы рассмотреть условия включения структуры, необходимо представить схему замещения четырехслойной структуры двумя трехслойными.

Рис.2. Схема замещения динистора

На схеме замещения определяются слои эмиттеров и коллекторов каждого транзистора. Эмиттер является крайним слоем того p-n-перехода, который смещен в прямом направлении, поэтому эмиттерами являются слои p₁ и n₂. Коллектор является крайним слоем p-n-перехода, который смещен в обратном направлении, поэтому коллекторами являются слои n₁ и p₂. На основании схемы замещения определяется ток перехода П₂:

. (1)

Коллекторные токи определяются из уравнения:

. (2)

Структура динистора разделена на две части, поэтому ток неосновных носителей перехода П₂ делится пополам между двумя транзисторами и составляет . С учетом этого замечания выражение (2) представляется в виде:

,

, (3)

где ?₁, ?₂ - коэффициенты передачи тока эмиттера.

Выражения (3) подставляются в выражение (1):

. (4)

В динисторе все слои включены последовательно, поэтому токи I_п2, I_э1, I_э2 одинаковые и равны анодному току во внешней цепи I_а:

. (5)

Из выражения (5) определяется анодный ток:

. (6)

Выражение (6) определяет условия включения четырехслойной структуры:

- наличие тока I'_к0;

- (?₁ + ?₂) = 1. (7)

При выполнении условия (7) анодный ток резко возрастает и динистор включается. Пусть напряжение, приложенное к динистору, возрастает. Тогда возрастают токи I_э1, I_э2, I_п2 и одновременно возрастают коэффициенты ?₁ и ?₂. Необходимо отметить, что в структуре динистора действует положительная обратная связь, так как выходной ток одного транзистора равен входному току другого: I_к1 = I_б2, I_к2 = I_б1 (рис.2). Благодаря обратной связи включение динистора происходит лавинообразно, если выполняется условие (7).

Процесс включения происходит следующим образом. При увеличении анодного напряжения возрастают токи в структуре, а также коэффициенты передачи ?₁ и ?₂. Для малых анодных напряжений (?₁ + ?₂) << 1. При некотором анодном напряжении, называемым напряжением переключения, сумма (?₁ + ?₂) приближается к 1 и начинается процесс включения, в процессе которого динистор переходит на диодную ветвь вольтамперной характеристики (рис.3). На участке 0-1 динистор закрыт, а на участке 1-2 происходит его включение.

Под действием обратного анодного напряжения два перехода П₁ и П₃

Рис.3. Вольтамперная характеристика динистора

смещаются в обратном направлении, следовательно, оба транзистора структуры закрыты. Для того чтобы появился анодный ток, необходимо пробить переходы П₁ и П₃. На рис.3 обратная ветвь показана до участка пробоя.

Структура однооперационного тиристора и схема прямого включения его приведена на рис.4. В базу транзистора n-p-n задается ток управления, который приводит к увеличению всех токов четырехслойной структуры: I_э2, I_к2, I_б1, I_к1, I_э1, I_б2. По сравнению с динистором включение тиристора произойдет при меньшем напряжении переключения U_пк. С возрастанием тока управления I_у напряжение переключения уменьшается.

Рис.4. Структура и схема прямого включения тиристора

Уравнение анодного тока выглядит следующим образом:

. (8)

При больших анодных напряжениях, составляющих сотни вольт, может произойти лавинный пробой перехода П₂, что приводит к увеличению концентрации носителей тока, а в выражении (8) появляется коэффициент лавинного размножения носителей М>1:

. (9)

Выключение тиристора происходит по анодной цепи, когда анодный ток уменьшается до тока удержания. Током управления тиристор не выключается, так как анодный ток значительно больше тока управления.

Вольтамперные характеристики анодной цепи тиристора приведены на рис.5. Обратная ветвь характеристики сливается с осью.

Рис.5. Вольтамперные характеристики тиристора

Экспериментальная часть

1. Включение тиристора на постоянном токе

Рис.6. Схема включения тиристора на постоянном токе

В работе исследуется тиристор типа Т6-10 с предельным током 6 А. В анодную цепь и цепь управления подаются постоянные напряжения 9 В и 27 В от блока питания (рис.6). Ограничение анодного тока после включения тиристора осуществляется резистором R_н = 120 Ом. Нагрузкой цепи управления является резистор R_у = 75 Ом.

2. Определение отпирающего тока управления I_у0 и условий выключения тиристора.

Потенциометр R_П1 установлен в такое положение, когда напряжение на управляющем электроде равно нулю, т.е. U_у = 0. При помощи потенциометра R_П2 установить анодное напряжение 12 В. Регулируя напряжение в цепи управления, добиться включения тиристора. Результаты измерения занести в таблицу. Примерное значение параметров приведено в таблице 1.

Таблица 1 - Измерение параметров включения тиристора

Ua, В	Ia, мА	Iу0, мА	Uу0, В
12 - 0,9	0 - 50	22	1,6

После включения тиристора переключить предел измерения вольтметра V₂ на 10 В и замерить прямое падение напряжения на тиристоре U_пр. В таблице 1 это значение равно 0,9 В. Также записать значение анодного тока после включения тиристора. В таблице 1 это значение равно 50 мА.