МУ Физ св-ва полупров радиокомп 2017
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ
––––––––––––––––––––––––––––––––––
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)
––––––––––––––––––––––––––––––––––
М. Ф. Ситникова Е. Ю. Замешаева И. В. Мунина
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАДИОКОМПОНЕНТОВ
Учебно-методическое пособие
Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
2017
1
УДК 539.2(076)
ББК З 852 я7
С 41
Ситникова М. Ф., Замешаева Е. Ю., Мунина И. В.
Физические свойства радиокомпонентов: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. 24 с.
ISBN 978-5-7629-2118-3
Содержит 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.
Предназначено для студентов, обучающихся по учебным планам 111– 117, 811–814, 4-го семестра подготовки бакалавров по направлениям: 11.03.01 «Радиотехника»; 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»; 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств»; для подготовки специалистов по специальности 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы».
УДК 539.2(076)
ББК З 852 я7
Рецензент: канд. техн. наук, доц. кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО П. В. Капитанова
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
ISBN 978-5-7629-2118-3 |
© СПбГЭТУ«ЛЭТИ», 2017 |
2
Лабораторная работа № 1 СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ДИОДОВ. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДОВ
1.1. Основные свойства p−n-переходов
Полупроводниковый диод представляет собой прибор, основанный на свойствах p−n-перехода. В собственном 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. На рис. 1.1 представлено схематическое изображение структуры p−n-перехода (а) и его вольт-амперная характеристика (б).
3
Обратный ток перехода I0 для кремниевых p−n-переходов составляет обычно доли или единицы миллиампер, для германиевых − микроампер.
I |
|
Iпрmax |
Прямая |
|
ветвь |
V проб
V
Обратная
ветвь
а |
б |
Рис. 1.1
Выражение для прямого тока I через переход представляют в виде
I = I0ехр (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 прямой ветви вольт-амперных характеристик диодов
Построение прямой ветви вольт-амперных 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 направлении (p- слой – к «плюсу», n-слой – к «минусу» источника). При напряжении на диоде, компенсирующем контактную разность потенциалов, через p–n-переход проходит прямой ток.
|
Перед выполнением моделирования не- |
|
|
обходимо построить чертеж схемы. Компо- |
|
|
ненты вносятся в схему при нажатой кнопке |
|
|
(Component) в строке наиболее употре- |
|
|
бительных команд окна редактора схем. |
|
|
Источник постоянного напряжения вы- |
|
Рис. 1.2 |
бирается нажатием на кнопку |
(Battery) |
|
4
набора элементов, разме щенных на специальной ра очей панели. Выбранный элемент приводится курсором в нужное место экрана и фик ируется нажатием левой клави ши мыши. Ориентацию элемента на схеме изм еняют п и нажатой левой клави ше мыши щелчком правой клавиши м ыши. При каждом щелчке
правой клавиши компонент поворачивается на 90º. О тпускание левой клавиши |
|
фиксирует комп нент. После фиксации источника постоянного напряжения в |
|
открывшемся диалогово окне для ввода и редактирования трибутов указы- |
|
ваются позиционное об означен е PART (V1) и |
номинальное значение |
VALUE (20 В). Обозначения всех элементов схем и единиц измерен ия вво- |
|
дятся латиницей. |
|
Диод выби ается из наиболее часто используемых на п рактике элемен- |
|
тов, размещенных на панели инструментов. После |
его фиксации в открыв- |
шемся диалоговом окне указывается модель элемента MODEL. Резистор пе- |
ред выведением на чертеж выби ается та |
кже из набора наиболее часто ис- |
пользу мых элементов, размещенных на п |
анели инструментов. Посл фикса- |
ции ре истора в открыв шемся диалоговом |
окне указываются его позицион- |
ное обозначение PART и номинальное значение параметра VALUE (2 кОм). |
|
Для задания значений параметров в |
MicroCap используются сокращен- |
ные обозначения порядков величин: p – |
пико, 10– 12; u – икро, 10 –6; m – |
милли, 10–3; k – кило, 103; Meg – мега, 10 . Обозначения вводятся латинскими буквами после числе нного значения без пробела. Ввод проводников осуществляется при выделении соответству ющей пиктограммы или выбором команды Optio s > Mode > Wire. Начало проводника отмечается н жатием левой лавиши мыши на выводе компонента. Прокладыва проводник при нажатой клавише, удобно ри овать отдельно его горизонтальные и вер-
тикаль ые линии, при каждой смене напр вления отпуская и снова нажимая клавишу. Отпускание клавиши фиксирует окончание ли нии. Сим вол «земля» для схемы выбирается из набора элементов, размещенных на панели инструментов. ля получения информации об элементе и возможности редактирования его атрибутов необходимо два раза елкнуть левой клавишей мыши о элементу в режиме выбора объектов.
Режим выбора объектов используется также для выполнения операции очистк и. Пиктограмма актив зируется, стрелка маркера устанав ивается
на уда |
яемом объекте схемы. Объект вы еляется нажатие левой лавиши |
мыши, |
после че о удаляется нажатием кла иши Delete. ВАХ диодов строятся |
в режиме анализа схемы по постоянному току. Переход в этот режи м произ-
5
водитс по команде Analysis > D C. В открывшемся диалоговом окне задания
на расчет (рис. |
1.3) в строке Vari able1 в ячейке Name указ ывается имя ком- |
|
понента схемы с |
варьируемым параметром |
(V1), а ячейке Range – его мак- |
симальное, мин мальное значения, а также |
шаг. |
Рис. 1.3 |
|
В нижней части диалогового окна (р ис. 1.3) приведена |
таблица с пара- |
метрами, используемыми при выводе результатов моделирования: |
|
Page – страница, на которой выводятся графики заданн |
х функций; |
P номер рисунка, на котором строится график заданной функции;
XExpressi on − имя переменн ой, откладываемой по оси X;
YExpressi on − имя функции, откладываемой по оси Y;
XRange − верхняя и нижняя границ ы исследуемого диапазона изменения переменной;
YRange − максимальная и минимальная границы отображения функции. М делирование нач инается при нажатии кноп и Run. а экране откры-
вается окно граф иков прямой ветви ВАХ диодов ID = f(VD).
При необходимости изменения параметров, используемых для остроения графиков, следует в брать окно задания на расчет нажатием на вкладку
DC > DC Analysis Limits.
Для считывания координат точек на графике используется реж им электронно о курсора (маркеров), который запускается выбором пиктограммы . Под каждым графиком ыводятс значения токов и напря ений, соответст-
6
вующие представленным на графиках маркерам, а также разница между ними. Для выбора нужного графика из всех (в данном случае трех) следует навести курсор на поле необходимого графика и нажать левую клавишу мыши.
Расположение двух точек на графике выбранной функции изменяется перемещением с удерживанием левой (для одной точки) или правой (для другой точки) клавиши мыши. При отпускании клавиши значения координат точки фиксируются. С помощью маркеров следует измерить ВАХ трех диодов и занести в протокол соответствующие значения. По точкам, указанным преподавателем, следует оценить диапазон изменения сопротивления каждого из диодов D1, D2, D3 в заданном интервале изменения тока через диод от r1 = V1/I1 до r2 = V2/I2.
1.3. Зависимость ВАХ диодов от температуры
Увеличение температуры при поддержании неизменного тока через диод приводит к уменьшению падения напряжения на диоде.
Следует построить семейство ВАХ каждого диода в зависимости от температуры, используя схему рис. 1.2. Анализ характеристик осуществляется в режиме DC. В окне задания параметров (рис. 1.4) в группе полей, объединенных заголовком Temperature, устанавливается линейный – Linear – метод изменения температуры и задаются ее максимальное, минимальное значения и шаг изменения, например: 100, 20, 40.
Рис. 1.4
7
В таблицу с параметрами, используемыми при выводе результатов моделирования, записываются данные для графика функции ID1 = f (VD1).
При нажатии кнопки Run на экран выводится семейство ВАХ для различных значений температуры. С помощью полученных графиков при заданном токе (ток задается преподавателем) рассчитывается изменение напряжения на диоде с изменением температуры на 1 °С: ∆V⁄∆T при I = const.
1.4.Задание
Всхеме (см. рис. 1.2) определить необходимое напряжение источника V1 для обеспечения в цепи, состоящей из элементов R1 и D1, тока, заданного преподавателем, используя совместные ВАХ диода и резистора. На графике ВАХ диода отмечается точка 1 с заданным током I1 и определяется соответ-
ствующее падение напряжения на диоде V1(D) (рис. 1.7). Затем рассчитывается падение напряжения на резисторе V1(R) при заданном токе I1 [V1(R) = I1R1] и откладывается по оси напряжений от точки V1(D). Полученная сумма V1(1) = V1(D) + V1(R) определяет напряжение, создающее заданный ток в цепи.
Y |
2 |
|
|
|
I2 |
|
|
||
|
|
R1 |
= V(R)/I = ctgα |
|
|
|
|
||
I1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
α |
V1(1) |
α V2(1) |
|
V1(D) |
|
V1(R) |
X |
|
|
|
Рис. 1.7
Наклонная прямая с началом в точке V1(1) на оси X, проходящая через точку 1, является графиком ВАХ резистора, направленным встречно графику ВАХ диода. С ростом заданного тока рабочая точка диода перемещается вверх по графику ВАХ. Прямая ВАХ резистора с углом наклона α переносится в новую рабочую точку. Ее пересечение с осью Х дает новое значение источника напряжения V2(1).
8
Лабораторная работа № 2 ОДНОПОЛУПЕРИОДНЫЙ ДИОДНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ
2.1. Исследование диодного выпрямителя
Простейшим примером использования выпрямительных свойств диодов служит схема, представленная на рис. 2.1. Преобразование переменного тока в постоянный по направлению ток осуществляется с помощью диода.
При |
действии положительного полупе- |
|
|
|
|
|
|
1N4148 |
|||||||
риода входного напряжения диод включен в |
|
|
|
|
|
|
|
|
D1 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
прямом |
направлении, его сопротивление |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
r << R и форма выходного сигнала повторяет |
sin(0 50V 50H) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1 |
|
V1 |
|
470 |
|||||||||||
форму входного сигнала. При действии отри- |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
цательного полупериода сигнала диод вклю- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
чен в обратном направлении, его сопротивле- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.1 |
||||||||||||||
ние Rобр >> R1 и выходное напряжение прак- |
|
тически равно нулю. Величина Rобр оценивается ориентировочно отношением Vобр к току насыщения Iобр. Для диода 1N4148 обратный ток составляет Iобр ≈ 7 · 10–9 А. При Vобр = 5 В сопротивление диода в обратном направле-
нии равно Rобр = 5/(7·10–9) ≈ 700 · 106 Ом.
При построении схемы (рис. 2.1) источник синусоидального сигнала V1
выбирается из меню Component > Analog Primitives > Waveform Sources > Voltage Sources. После фиксации источника V1 на схеме открывается диалоговое окно задания параметров. В строке VALUE для источника задается сигнал sin(0 50V 50H), где первая цифра в скобках – постоянная составляющая; 50V (50В) – амплитуда сигнала; 50H (50 Гц) – частота сигнала. Построение графиков переходных характеристик выполняется при выборе меню Analysis > Transient. Параметры моделирования задаются в открывшемся диалоговом окне согласно данным, приведенным в табл. 2.1.
|
|
|
|
Таблица 2.1 |
|
|
|
|
|
P |
X Expression |
Y Expression |
X Range |
Y Range |
1 |
T |
V(V1) |
40 мс, 0 |
60 В, –60 В |
1 |
Т |
V(R1) |
40 мс, 0 |
60 В, –60 В |
1 |
Т |
V(D1) |
40 мс, 0 |
60 В, –60 В |
В строке Time Range указывается длительность временного интервала по оси X. Обычно этот интервал времени выбирается равным двум периодам
9
входного сигнала (40 мс). В столбце X Expression отмечается переменная T, а в столбце X Range указывается максимальное время по оси X, обычно равное значению Time Range. В ячейках столбца Y Expression отмечаются выводимые на график функции:
V(V1) – напряжение источника сигнала;
V(R1) – напряжение на выходе схемы;
V(D1) – падение напряжения на диоде.
В графе Y Range устанавливаются границы отображения этих функций, определяемые по максимальному и минимальному значениям. Результат моделирования переходного процесса на каждом элементе схемы приведен на рис. 2.2. Необходимо определить, какая из характеристик на графике соответствует каждому элементу схемы.
V, В
Т, с
Рис. 2.2
Моделирование начинается при нажатии кнопки Run или при нажатии клавиши F2. Закрытие режима анализа и возврат в окно схемы выполняется нажатием клавиши F3 или закрытием соответствующего окна. По полученным графикам при амплитудном значении входного сигнала Vm следует определить падение напряжения на диоде V(D1), напряжение на резисторе
V(R1) и рассчитать ток в цепи Im = V (R1)/R1. |
|
|
||
|
D2 |
Координаты |
соответствующих |
|
|
|
|
|
|
+ |
D1 |
точек на графике отмечаются в режи- |
||
V1 _ |
D3 |
ме активной пиктограммы |
. После |
|
|
D4 |
исследования характеристик |
схемы, |
|
|
R1 |
представленной на рис. 2.1, следует по |
|
аналогичной методике провести ана- |
|
Рис. 2.3 |
лиз схемы диодного моста (рис. 2.3) и |
|
сравнить результаты, полученные для |
||
|
10