Материал: TX7Eh4KK48
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
––––––––––––––––––––––––––––––––––
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
––––––––––––––––––––––––––––––––––
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ РАДИОКОМПОНЕНТОВ
Методические указания к лабораторным работам
Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
2014
1
УДК 539.2(076)
Физические свойства полупроводниковых радиокомпонентов: метод. указания к лаб. работам / сост.: М. Ф. Ситникова, Е. Ю. Замешаева, Н. С. Аничкова, И. В. Мунина. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. 30 с.
Содержат описания лабораторных работ по изучению физических свойств полупроводниковых радиокомпонентов в рамках дисциплины «Основы электроники и радиоматериалы». Приведена методика расчета основных характеристик устройств с помощью пакета MicroCap.
Предназначены для студентов, обучающихся по учебным планам 111– 117, 811–814, 4- го семестра подготовки бакалавров по направлениям: 210400.62 – « Радиотехника»; 210700.62 – « Инфокоммуникационные технологии и системы связи»; 211000.62 – « Конструирование и технология электронных средств»; для подготовки специалистов по специальности 210601.65 – «Радиоэлектронные системы и комплексы».
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве методических указаний
© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014
2
Лабораторная работа 1.
СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВОЛЬТАМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДОВ
1.1. Основные свойства p− n-переходов
Полупроводниковый диод представляет собой прибор, основанный на свойствах p− n-перехода.
В чистом полупроводнике свободные электроны и дырки образуются попарно и число электронов равно числу дырок.
При введении в полупроводник донорных примесей электрон атома примеси, не участвующий в межатомных связях, легко переходит в зону проводимости полупроводникового материала. При этом в кристаллической решетке остается неподвижный положительно заряженный ион примеси, а электрон добавляется к свободным электронам собственной проводимости. В этом случае концентрация свободных электронов в полупроводнике превышает концентрацию дырок в нем. Такой полупроводник называют полупроводником n-типа.
При введении в полупроводник акцепторных примесей атомы примеси в процессе формирования межатомных связей отбирают электрон у одного из атомов полупроводникового материала, становясь неподвижными отрицательными ионами. В этом случае концентрация дырок в полупроводнике превышает концентрацию свободных электронов и полупроводник называют полупроводником p-типа.
На границе полупроводников n- и p-типов за счет диффузии часть электронов из n-слоя переходит в p-слой, рекомбинируя с дырками, и наоборот. При этом в пограничном n-слое остается нескомпенсированный положительный заряд примесных ионов, а в p-слое – нескомпенсированный отрицательный заряд примесных ионов. Возникает контактная разность потенциалов, препятствующая переходу дырок в n-область и электронов − в p-область.
Если к p− n-переходу приложено внешнее напряжение в прямом направлении («плюс» к слою p и «минус» к слою n), то это напряжение, скомпенсировав контактную разность потенциалов, создаст прямой ток через переход. Когда напряжение приложено в обратном направлении, оно увеличивает потенциальный барьер и проводимость перехода остается весьма малой.
3
На рис. 1.1 представлено схематическое изображение структуры p− n- перехода (а) и его вольтамперная характеристика (б).
Обратный ток перехода I0 для кремниевых p− n-переходов составляет обычно доли или единицы миллиампер, для германиевых − микроампер.
I |
|
Iпрmax |
Прямая |
|
ветвь |
UUпроб
U
Обратная
ветвь
а |
б |
Рис. 1.1
Выражение для прямого тока I через переход представляют в виде
I = I0 ехр (V/φ0 ),
где V − прямое напряжение на переходе; φ0 ≈ 25 мВ – температурный потенциал при 20 ºС.
Если обратное напряжение, приложенное к p−n -переходу, превосходит некоторое предельное значение, то возникает пробой перехода.
1.2. Построение и анализ прямой ветви вольтамперных характеристик диодов
Построение прямой ветви вольтамперных характеристик (ВАХ) диодов выполняется при использовании схемы, представленной на рис. 1.2.
Диоды D1 (кремниевый, модель 1N4148), D2 (германиевый, модель 10TQ045_IR) и D3 (диод Шотки, модель 1N5819) через токоограничивающие резисторы R1, R2, R3 подключены к источнику напряжения V1 в прямом на-
|
правлении (p-слой – к «плюсу», n-слой – |
|
к «минусу» источника). При напряжении |
|
на диоде, компенсирующем контактную |
|
разность потенциалов, через p– n-переход |
Рис. 1.2 |
проходит прямой ток. |
|
4
Перед выполнением моделирования необходимо построить чертеж схемы. Графическое изображение новой схемы создается по команде File > New или при нажатии на кнопку 
(режим Schematic) в открывшемся пустом окне. Для упрощения построения схемы можно запустить координатную сетку, нажав на кнопку 
на панели инструментов или выбрав команду Options > View > Grid.
Компоненты вносятся в схему при нажатой кнопке 
(Component) в строке наиболее употребительных команд окна редактора схем.
Источник постоянного напряжения выбирается нажатием на кнопку 
(Battery) набора элементов, размещенных на специальной рабочей панели. Выбранный элемент приводится курсором в нужное место экрана и фиксируется нажатием левой клавиши мыши.
Ориентацию элемента на схеме изменяют при нажатой левой клавише мыши щелчком правой клавиши мыши. При каждом щелчке правой клавиши компонент поворачивается на 90º.Отпускание левой клавиши фиксирует компонент.
После фиксации источника постоянного напряжения в открывшемся диалоговом окне для ввода и редактирования атрибутов указываются позиционное обозначение PART (V1) и номинальное значение VALUE (20 В). Ввод заканчивается нажатием кнопки ОК. Обозначения всех элементов схем и единиц измерения вводятся латиницей.
Диод выбирается из наиболее часто используемых на практике элементов, размещенных на панели инструментов. После его фиксации в открывшемся диалоговом окне указывается модель элемента MODEL.
Резистор перед выведением на чертеж выбирается в меню Component > Analog Primitives > Passive Components или из набора наиболее часто ис-
пользуемых элементов, размещенных на панели инструментов. После фиксации резистора в открывшемся диалоговом окне указываются его позиционное обозначение PART и номинальное значение параметра VALUE (2 кОм).
Для удобства задания значений параметров в системе MicroCap используются сокращенные обозначения численных коэффициентов (порядков величин), которые приведены в табл. 1.1. Обозначения вводятся латинскими буквами после численного значения без пробела.
Таблица 1.1
Коэффициент |
10– 12 |
10– 9 |
10– 6 |
10– 3 |
103 |
106 |
109 |
Обозначение |
p (P) |
n (N) |
u (U) |
m (M) |
k (K) |
Meg (Meg) |
g (G) |
Наименование |
пико |
нано |
микро |
милли |
кило |
мега |
гига |
5