напряжение Статические характеристики дают достаточно полное представление о свойствах полупроводниковог
Работа добавлена на сайт samzan.net:
8
Лаб. раб. №2—2
Исследование статических VA характеристик
п/п приборов на компьютере.
Краткие теоретические сведения
Статическими VA(вольтамперными) характеристиками полупроводникового прибора называют зависимости, связывающие постоянные значения токов и напряжений его внешних зажимов (электродов). Графически чаще всего эти характеристики представляются в координатах ток-напряжение, Статические характеристики дают достаточно полное представление о свойствах полупроводникового прибора в широком диапазоне токов и напряжений, о качестве прибора и наличии некоторых дефектов конструкции или технологии изготовления. Кроме этого по статическим характеристикам можно оценить многие динамические параметры полупроводниковых приборов.
Полупроводниковые приборы могут быть как двухполюсными (два внешних контакта для подключения прибора в схему, например диод или стабилитрон), так и трех- (четырех-) полюсными (биполярный и двухзатворный полевой транзисторы). Для описания двухполюсных приборов достаточно одной статической характеристики Для полного описания трех-(четырех-) полюсных полупроводниковых приборов требуются два или более семейства характеристик.
Полупроводниковый диод и стабилитрон
Электронно-дырочный (p-n) переход является основным элементом современных полупроводниковых приборов Он возникает в едином кристалле полупроводника при легировании его донорными и акцепторными примесями. Основные носители (электроны в n-области и дырки в p-области) диффундируют через границу раздела областей кристалла, причем по мере удаления от перехода их концентрация резко падает. Переходя в соседнюю область кристалла свободные носители оставляют нескомпенсированный заряд ионизированных атомов примеси, связанных с кристаллической решеткой, что приводит к возникновению в зоне перехода слоя с повышенным электрическим сопротивлением. Таким образом, на границе областей полупроводника образуются два слоя заряда, противоположных по знаку, что приводит к возникновению электрического поля, направленного от положительно заряженных доноров к отрицательно заряженным акцепторам (т.е. от n-области к p-области). Между p- и n-областями устанавливается разность потенциалов, которая называется контактной. Возникшее электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии носителей, создавая между p- и n-областями потенциальный барьер. Продиффундировать через p-n переход могут только те носители, которые обладают энергией, большей чем потенциальный барьер.
В n-области наряду с электронами, концентрация которых определяется концентрацией донорной примеси, имеются неосновные носители - дырки Аналогично в p-области всегда есть некоторое количество электронов.
Электрическое поле в p-n переходе, созданное контактной разностью потенциалов, способствует переходу неосновных носителей в соседнюю область, т.е. электронов из p-области в n-область и дырок из n-области в p-область. Под действием поля появляется дрейфовый ток, состоящий из неосновных носителей и направленный навстречу диффузионному току основных носителей. Через переход происходит непрерывное движение электронов и дырок. Заряды, движущиеся через переход против сил поля за счет собственной тепловой энергии, образуют диффузионный ток, а заряды, движущиеся под действием поля - дрейфовый ток. Если p-n переход изолирован, то эти два тока равны и общий ток равен нулю.
При подаче на p-n переход внешнего напряжения. U высота потенциального диффузионного барьера изменится в зависимости от величины и знака приложенного напряжения и общий ток через p-n переход будет определятся выражением
I = I0 (-1) (1)
Выражение (1) называется диодным уравнением и описывает вольтамперную характеристику полупроводникового диода [1]
Если к р-области приложен «-», а к n-области «+» (т.е.U<0), то говорят, что p-n переход включен в обратном направлении, через него течет обратный ток (I<0). При достаточно больших отрицательных значениях U первым слагаемым в правой части можно пренебречь и I=I0. Величина I0, называемая током насыщения, крайне мала, так как определяется неосновными носителями тока np и pn, концентрация которых мала.
Если U>0, то через переход течет прямой ток. При достаточно больших U величина exp (eU/kT)>>1 и прямой ток быстро (экспоненциально) увеличивается с напряжением (рис 1).В итоге при равных по величине напряжениях U прямой ток оказывается больше обратного на много порядков, Это и отражает факт выпрямления p-n переходом переменного тока. Таким образом, одним из основных применений полупроводникового диода является его работа в качестве выпрямителя (для питания электронной аппаратуры) и детектора (для выделения звуковых частот из модулированных колебаний)
Типовая вольтамперная характеристика диода приведена на рис.1.
Рис.1
При больших обратных напряжениях, начиная с некоторого предела, сопротивление диода резко падает и наступает пробой перехода. Именно этот участок обратной ветви вольтамперной характеристики, который идет почти параллельно оси токов, используется в качестве рабочего у стабилитронов. При этом характер пробоя может носить как лавинный, так и туннельный характер. Величина напряжения пробоя определяется удельным сопротивлением материала исходного полупроводника и видом механизма пробоя. При этом номинальное напряжение стабилизации Uст по абсолютной величине выбирается несколько большим напряжения пробоя Uпроб. Типовая статическая вольтамперная характеристика стабилитрона представлена на рис.2.
Рис.2
Диапазон рабочих токов стабилитрона снизу ограничен минимальным током стабилизации Iст мин, определяемым началом пробоя, а сверху - максимальным током стабилизации Iст макс, определяемым допустимой мощностью рассеяния прибора.
Биполярный транзистор
Биполярный транзистор представляет собой кристалл с двумя p-n переходами, расстояние между которыми d много меньше диффузионной длины L неравновесных носителей тока. Условие d<<L обеспечивает взаимодействие между p-n переходами транзистора и его работу как усилителя электрического сигнала.[2].. В транзисторе имеются три области: эмиттерная, базовая и коллекторная. Базовая область располагается между эмиттером и коллектором и ее проводимость определяет тип транзистора p-n-p или n-p-n. Принцип работы обоих типов транзисторов одинаков с тем различием, что в транзисторе n-p-n типа ток базы переносится электронами, а в p-n-p типа - дырками. При включении эмиттерного перехода в прямом направлении возникает эффект инжекции дырок в базу. Так как d<<L,то значительная часть инжектированных носителей, не успев рекомбинировать, достигает коллектора и увлекается полем коллекторного p-n перехода, снижая его сопротивление и усиливая ток в коллекторной цепи.Это приводит к увеличению напряжения на сопротивлении нагрузки ΔUн В итоге малые изменения напряжения, поданного на вход транзистора, приводят к значительным изменениям напряжения на его выходе. Одновременно происходит и усиление сигнала по мощности. Это усиление связано с отбором дополнительной энергии от источника питания коллекторной цепи Ек
Поскольку транзистор является трехэлектродным прибором, то его токи в той или иной степени будут зависеть от напряжений на всех трех выводах, т.к. разности напряжений формируют напряжения на переходах транзистора. В связи с этим при снятии статических вольтамперных характеристик изменяют напряжение только на одном из электродов, фиксируя при этом два остальных, которые выступают в роли параметров.
Для каждой из схем включения транзистора различают три группы вольтамперных характеристик: входные - зависимости входного тока от входного напряжения при фиксированном выходном напряжении, выходные - зависимости выходного тока от выходного напряжения при фиксированном входном напряжении и проходные - зависимости выходного тока от входного напряжения при фиксированном выходном напряжении. Таким образом могут быть получены семейства соответствующих вольтамперных характеристик транзистора. В качестве примера на рис.3а,б
представлены типовые семейства соответственно входных и выходных вольтамперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером,
а б
Рис3
Порядок выполнения работы.
1.-Ознакомиться с краткими теоретическими сведениями о работе полупроводникового диода и биполярного транзистора и виде их вольтамперных (VA) характеристик, приведенными выше.
2-Ознакомиться с описанием лабораторного стенда.
Описание лабораторного стенда
Лабораторный стенд для исследования статических вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов в своем составе содержит:
- исследуемые полупроводниковые приборы (1- диод, 2- стабилитрон, 3- тиристор, 4- биполярный транзистор, 5- полевой транзистор) – их условные обозначения под соответствующими номерами помещены в левой части лицевой панели;
- встроенный блок питания, обеспечивающий стенд тремя независимо изменяющимися напряжениями, (Е1, Е2, Е3,), ручки которых выведены в нижней части лицевой панели
- универсальный цифровой мультиметр для измерения токов и напряжений с индикацией результатов на жидкокристаллическом дисплее и с двумя кнопками управления (< и >) в правом верхнем углу панели.
В нижней левой части лицевой панели лабораторного стенда расположены кнопки управления схемой коммутации исследуемых полупроводниковых приборов (1,2,3,4,5) с индикацией ее состояния посредством светодиодов, а в нижней правой части – кнопка управления опорным Еоп с индикацией (+12в, -12в, +1в). Изменение состояния схемы коммутации стенда производится однократным нажатием соответствующей кнопки и удержанием ее в течение 0,5 сек. В левом верхнем углу - выключатель питания. В средней зоне - мнемосхема лабораторного стенда.
На задней панели расположены сетевой предохранитель и разъем связи с ЭВМ. Все измерения, выполняемые в ходе выполнения лабораторной работы, проводятся на постоянном токе. Для снижения влияния температуры при прогреве исследуемых полупроводниковых приборов в ходе эксперимента используются облегченные режимы их работы, соответствующие начальным участкам их вольтамперных характеристик. С целью повышения чистоты экспериментов в области больших токов и напряжений рекомендуется проводить кратковременные измерения с промежутками между ними достаточными для охлаждения прибора.
3-. Включить лабораторный макет (стенд будет готов к работе спустя несколько секунд после подачи питания). О готовности к работе свидетельствует включение светодиодов на лицевой панели и появление информации на жидкокристаллическом дисплее.
4-Включить компьютер. После окончания его загрузки с помощью мыши выбрать режим «работа с макетами». В появившемся каталоге с помощью клавиатурных стрелок встать на «make lab», нажать enter встать на make lab exe enterввести номер коммуникационного порта «1»enter. При появлении «Makelab 1.0 для продолжения работы нажать любую клавишу.
1. Исследование характеристик п/п диода.
На лабораторном стенде нажатием кнопки «Тип прибора» подключить к измерительной схеме диод (1). Включить опорное напряжение Еоп= -12в для исследования обратной ветви VA характеристики диода
На компьютере нажать F1-исследование п/п диода –на экране появятся: в левой верхней части исследуемая схема, под ней панель управления, в правой части – оси координат для графика и под ними название исследуемой характеристики. На панели управления нажать F2-управление от ЭВМ (о произведенном действии свидетельствует появление белого шрифта) С помощью клавиши F8 выбрать зависимость -I3 = F(-E3). Клавишами установить на Е3 (белый шрифт) при этом появляется движок красного цвета с надписью Е3. Увеличение или уменьшение Е3 производится кратковременным нажатием клавиш с фиксацией значения enter, далее F7-измерение. На всю шкалу изменения напряжения Е3 произвести 8-10 измерений При нажатии F4 на экране отображается график, а F5-таблица значений. После снятия зависимости вернуть движок в положение Е3 = 0. В рабочую тетрадь зарисовать исследуемую схему, записать название характеристики, нажать F5 и записать таблицу измеренных значений. Только после этого нажать F6 (очистка) и перейти к исследованию другой зависимости. Порядок всех вышеописанных действий отображен на экране в виде таблиц.
Для исследования прямой ветви характеристики на стенде включить Еоп = +12в, на компьютере F8 установить зависимость I3 = F(E3) и повторить описанные выше действия. Напряжение Е3 при этом изменять в пределах от Е3=0 до Е3 = 1в через 0,2в (до нажатия клавиши F7-«измерение»-следить за установленной величиной Е3 на панели. В рабочую тетрадь зарисовать схему, название зависимости и таблицу измерений. Нажав F6, произвести очистку Прямую и обратную ветвь характеристики диода построить на одном рисунке в одном масштабе (как показано на рис. 1)
2. Исследование VA характеристик биполярного транзистора
На стенде нажатием кнопки «Тип прибора» подключить к измерительной схеме исследуемый биполярный транзистор.(4)
На компьютере нажать F10 F4. F2.
2-1 Входная характеристика (зависимость тока базы I1 от напряжения на базе Е1) I1=F(E1)/
Установить клавишей F8 зависимость I1 = F(E1),а клавишей F5 выйти на индикацию таблицы. С помощью клавиш управления курсором встать на Е3, клавишами и Enter установить Е3=1в и перейти на Е1. Снять зависимость I1=F(E1).(не менее 8-10 точек) При этом следить, чтобы величина Е3 оставалась постоянной. Во избежание перегрева транзистора не оставлять напряжение Е1 на максимальном значении, а сразу же вывести его на Е1=0
В рабочую тетрадь зарисовать схему, название характеристики и таблицу, только после этого нажать «очистка» F6. Построить входную характеристику на отдельном графике, надписав его название и указав величину Е3
2-2 Выходная характеристика транзистора I3 =F(E3) т.е. зависимость тока коллектора I3 от напряжения на коллекторе Е3.
Установить клавишей F8 зависимость I3=F(E3), встать на Е1 и поставить напряжение Е1=0,6в. Перейти на Е3, снять зависимость I3=F(E3), вернуться к Е3=0. Записать название характеристики, величину Е1 и таблицу в рабочую тетрадь. Нажать F6.Повторить измерения для Е1=0,7в; 0,8в; 0,9в. Построить семейство выходных характеристик на одном рисунке в одном масштабе. Внизу рисунка надписать название, а на каждой из зависимостей указать величину Е1, при которой она была снята.
2-3 Проходная характеристика транзистора I3=F(E1), т.е. зависимость тока коллектора I3 от напряжения на базе.
Установить клавишей F8 зависимость I3=F(E1), встать на Е3 и подать Е3=1в. Перейти на Е1, исследовать зависимость I3=F(E1), вернуться к Е1=0.В рабочую тетрадь записать название характеристики, величину Е3 и таблицу. Нажать F6. Повторить измерения при Е3=2в и Е3=3в. Построить семейство проходных характеристик на одном рисунке в одном масштабе. Внизу рисунка надписать название, а на каждой из зависимостей указать величину Е3,при которой она была снята
Отчет оформить в следующем виде
1-Полупроводниковый диод – схемы прямого и обратного включения, краткое описание его работы, таблицы и график прямой и обратной ветви на одном рисунке.
2-Биполярный транзистор –схема, краткое описание его работы, таблицы и графики входной характеристики, семейства выходных характеристик и семейства проходных характеристик.
Литература
1.Ред. Лазовский В.Н. Курс физики. Т.2 стр.177-182
2.Ред. Лазовский В.Н. Курс физики Т2 стр. 184-186
3.Измерение физических величин. Методические указания к лабораторным работам. ГПА С-Петербург 2004г.стр.31-37
Контрольные вопросы
- Какое количество pn переходов имеет полупроводниковый диод и биполярный транзистор?
- Какие основные функции выполняет полупроводниковый диод в электронных схемах?
- Какие основные функции выполняет биполярный транзистор в электронных схемах?
- Что такое стабилитрон и его назначение?
- Какие статические характеристики служат для описания биполярного транзистора?
Сброс на дискету
Выйти из программы F10 несколько раз до появления таблиц C/Makelab/. Вставить дискету. Выделить Insert все, что нужно скопировать (выделится желтым цветом), нажать F5Enter. Если на табло высвечивается А (дискета) нажать Enter –пойдет копирование, а если СAltF1 или AltF2 перейти на А Enter F5 Enter.
2. Курсовая работа- Коммуникативные возможности детей с ДЦП
3. Область применения
4. Задание на проектирование.html
5. От Руси к России 4
6. 30 мин Собака должна совершить максимальное количество прыжков с плотным захватом Puller`а пастью
7. темах Студента Подсеваткин Георгий Сергеевич Т 44 Фамилия И
8. Введение Финансы являются неотъемлемой частью экономических отношений а финансовый контроль ~ неотъемлем
9. на тему- Расторжение трудового договора по инициативе администрации по основаниям связанными с виновными
10. Физиологический послеродовый период
11. самоосвіта5 Шляхи здійснення самоосвіти учнів ПТНЗ9 Розділ 2
12. Введение Раздел первый
13. Русская идея в политических концепциях славянофилов А
14. Право, его роль в жизни общества и государства
15. учет и аудит кредитов и займов на предприятии
16. ТЕМАТИЧНІ МЕТОДИ РОЗВ~ЯЗАННЯ ІНЖЕНЕРНИХ ЗАДАЧ У БУДІВНИЦТВІ В.
17. на тему- Женщинаменеджер- социальноэкономические и психологические проблемы становления
18. Общая характеристика организации [0
19. Тематическая структура СОДЕРЖАНИЕ ТЕСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ АНАТОМИЧЕСКАЯ ТЕР
20. Близорукость у детей и подростков