методика проведения лабораторных работ по изучению полупроводниковых приборов в элективном курсе средней школы

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I. ТЕОРИЯ И ИСТОРИЯ ВОПРОССА
1. Обзор литературы и структура изучения материала
2. Основные понятия и расчетные формулы
3 Полупроводниковые диоды
4 Типы полупроводниковых диодов
ГЛАВА II. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА НА ТЕМУ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
1. Термины и обозначения
2. Задания на теоретические расчёты
3. Вопросы и упражнения для подготовки к работе
4. Задания на экспериментальные исследования и методические указания к ним
5. Вопросы для самоконтроля
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
ПРИЛОЖЕНИЕ 5
ПРИЛОЖЕНИЕ 6
ПРИЛОЖЕНИЕ 7
ПРИЛОЖЕНИЕ 8
ПРИЛОЖЕНИЕ 9
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
ПРИЛОЖЕНИЕ 11
ПРИЛОЖЕНИЕ 12
ПРИЛОЖЕНИЕ 13
ПРИЛОЖЕНИЕ 14
ПРИЛОЖЕНИЕ 15
ПРИЛОЖЕНИЕ 16
ПРИЛОЖЕНИЕ 17
ПРИЛОЖЕНИЕ 18
ПРИЛОЖЕНИЕ 18
ПРИЛОЖЕНИЕ 19
ПРИЛОЖЕНИЕ 20
ПРИЛОЖЕНИЕ 21
ПРИЛОЖЕНИЕ 22

методика проведения лабораторных работ по изучению полупроводниковых приборов в элективном курсе средней школы

Ucp = Umax /  =0,318 Umax 
Таким образом, Uср составляет около 30% от максимального значения.
Выпрямленное напряжение обычно используется в качестве напряжения питания электронных схем.
Высокочастотные (универсальные) и импульсные диоды применяют для выпрямления токов, модуляции и детектирования сигналов с частотами до нескольких сотен мегагерц. Импульсные диоды используют в качестве ключевых элементов в устройствах с микросекундной и наносекундной длительностью импульсов. Их основные параметры:
Максимально допустимые обратные напряжения Uобр. mах (Uобр. и mах)– постоянные (импульсные) обратные напряжения, превышение которых приводит к его немедленному повреждению (1, с.48-87).
Постоянное прямое напряжение Uпр – падение напряжения на диоде при протекании через него постоянного прямого тока Iпр – заданного ТУ.
Постоянный обратный ток Iобр — ток через диод при постоянном обратном напряжении (Uобр мах). Чем меньше Iобр, тем качественнее диод.
Емкость диода Сд — емкость между выводами при заданном напряжении. При увеличении обратного напряжения (по модулю) емкость Сд уменьшается.
При коротких импульсах необходимо учитывать инерционность процессов включения и выключения диода. Оно характеризуется:
1) Время установления прямого напряжения на диоде (tуст ) – время, за которое напряжение на диоде при включении прямого тока достигает своего стационарного значения с заданной точностью (рис.1.8).
Это время связанно со скоростью диффузии и состоит в уменьшением сопротивления области базы за счёт накопления в ней неосновных носителей заряда инжектируемых эмиттером. Первоначально оно высоко, т.к. мала концентрация носителей заряда. После подачи прямого напряжения концентрация неосновных носителей заряда в базе увеличивается, это снижает прямое сопротивление диода.
2) Время восстановления обратного сопротивления диода (tвосст.), определяется, как время, в течение которого обратный ток диода после переключения полярности приложенного напряжения с прямого на обратное достигает своего стационарного значения с заданной точностью (рис.1.9) , обычно 10% от максимального обратного тока. Это время связано с рассасыванием из базы неосновных носителей заряда накопленных при протекании прямого тока. Оно состоит из двух составляющих tвосст.= t1.+ t2., где t1. – время рассасывания, за которое концентрация неосновных носителей заряда на границе р-п-перехода обращается в ноль; t2. – время разряда диффузионной емкости, связанное рассасыванием неосновных зарядов в объме базы диода (1, с.48-87).
В целом время восстановление это время выключения диода.
Там, где требуется малое время переключения, используют диоды Шотки. Они имеют переход металл — полупроводник, который обладает выпрямительным эффектом. Накопление заряда в переходе этого типа выражено слабо. Поэтому время переключения может быть уменьшено до значения порядка 100 пс. Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее около 0,3 В.
Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении питающего напряжения или сопротивления нагрузки, для фиксации уровня напряжения и т. д.
Для стабилитронов рабочим является участок электрического пробоя ВАХ в области обратных напряжений (рис. 1.10). На этом участке напряжение на диоде остается практически постоянным при изменении тока через диод (1, с.48-87).
Основные параметры стабилитрона:
номинальное напряжение стабилизации Uст ном — напряжение на стабилитроне в рабочем режиме (при заданном токе стабилизации);
минимальный ток стабилизации Iст.min — наименьшее значение тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив;
максимально допустимый ток стабилизации Iст.max — наибольший ток стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые пределы.
Дифференциальное сопротивление гст — отношение приращения напряжения стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации: гст= Uст /Iст.
К параметрам стабилитронов также относят максимально допустимый прямой ток Imax, максимально допустимый импульсный ток Iпр.и max, максимально допустимую рассеиваемую мощность Р max. (1, с.48-87)
Cтабисторы. В них для стабилизации используется прямая ветвь ВАХ. Кремневые диоды для этой цели называют стабисторами. В отличие от стабилитронов они имеют малое напряжение стабилизации (0,7 В), ток стабисторов – от 1мА до нескольких десятков мА и отрицательный ТКН.
Схема параметрического стабилизатора показана на рис.1.11. Нагрузка (потребитель) включена параллельно стабилитрону. В режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне почти постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Токоогроничительное сопротивление Rогр служит для установления и поддержания правильного режима стабилизации. Обычно Rогр рассчитывают для средней точки ВАХ стабилитрона (рис.1.10):
Rогр = (Епит – Ucт.ном) / (Iст.ном – Iн)
где Епит = 0,5 ( Еmin + Еmax ) – среднее напряжение источника Епит; Iст.ном – средний ток стабилизации; Iн= Ucт.ном / Rн – ток нагрузки.
Эффективность стабилизации напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации. Коэффициент стабилизации равен:
, (1, с.48-87)
где ΔЕ- изменение напряжения на входе стабилизатора; ΔUст- изменение напряжения на выходе стабилизатора. Практически Кст равен нескольким десяткам.
Варикап — полупроводниковый диод, предназначенный для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. При увеличении обратного напряжения емкость варикапа уменьшается по закону
где С(u) — емкость диода; С0 — емкость диода при нулевом обратном напряжении; φк — контактная разность потенциалов;  — коэффициент, зависящий от типа варикапа (= 1/2- 1/З); U – обратное напряжения на варикапе. Варикап, предназначенный для умножения частоты сигнала, называют варактором.
К основным параметрам варикапа относят:
1. общая емкость варикапа Св – емкость, измеренная при определенном обратном напряжении (измеряется при U = 5В и составляет десятки – сотни рФ);
2. коэффициент перекрытия по емкости Кп = Св max/Св min — отношение емкостей варикапа при двух крайних значениях обратного напряжения (Кп=5-8 раз);
3. добротность варикапа Q=Хс/rп где Xc – реактивное сопротивление варикапа; rп– сопротивление активных потерь;
4. Iобр — постоянный ток, протекающий через варикап в обратном направлении при заданном обратном напряжении (1, с.48-87).
Туннельный диод имеет ВАХ (рис. 1.12.), которая содержит участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это позволяет использовать такой диод в усилителях и генераторах электрических колебаний, а также в импульсных устройствах. Качество диода определяют протяженность и крутизна «падающего» участка ВАХ. Частотные свойства диода, работающего при малых уровнях сигнала на участке с отрицательным дифференциальным сопротивлением, определяются параметрами элементов эквивалентной схемы (рис. 1.12). Активная составляющая полного сопротивления имеет отрицательный знак вплоть до частоты fR=((rдиф/Rп)-1)1/2/(2rдифC). Усиление и генерирование колебаний возможно на частотах, не превышающих fR.( 1, с.48-87)
Основные параметры туннельного диода следующие: пиковый ток Iп — прямой ток в точке максимума ВАХ; ток впадины IВ — прямой ток в точке минимума его характеристики; напряжение пика Uп — прямое напряжение, соответствующее току пика; напряжение впадины UВ — прямое напряжение, соответствующее току впадины; напряжение раствора Up — прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому.
ГЛАВА II. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА НА ТЕМУ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
1. Термины и обозначения
Постоянное прямое напряжение диода UПР
Постоянное обратное напряжение диода ОБР U
Постоянный прямой ток диода ПР I
Постоянный обратный ток диода ОБР I
Дифференциальное сопротивление диода ДИФ r
Максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода UОБР МАКС (7, с. 12-13; 15-16)
Максимально допустимый постоянный прямой ток диода IПР МАКС
ЦЕЛЬ работы – изучить основные свойства, характеристики и параметры полупроводниковых диодов, экспериментально исследовать их вольтамперные характеристики (ВАХ) и возможности применения диодов в электронных схемах.
ПРОГРАММА измерений предусматривает снятие вольт – амперных характеристик
2. Задания на теоретические расчёты
1. Построить теоретическую ВАХ, представив её выражение в виде:
U= т ln [I/I0+1]
и приняв I0=0,1 мА, т=0,026В.
При построении прямой ветви подставить положительные значения токов от 0 до 10 мА (5-6 точек). Обратную ветвь ВАХ удобнее строить по формуле (8), подставляя значения обратных напряжений от 0 до -10В и вычисляя значения токов (6, с.58-141).
2. Определить значения дифференциального сопротивления диода в двух выбранных точках на прямой ветви ВАХ выпрямительного диода Д9Б по формуле (9).
3. Для стабилизатора напряжения найти коэффициент стабилизации Кст при условии, что ΔЕ=5В; Е=12,5В; ΔU= 0,2В; Uст=5,6В. (1, с.48-87)
3. Вопросы и упражнения для подготовки к работе
1. Начертите зонные схемы электронного и дырочного полупроводников. Поясните распределение электронов и дырок по энергиям.
2. Как изменяются распределения электронов по энергиям и дырок при изменении температуры?
3. Постройте энергетические диаграммы электронно – дырочного перехода металл-полупроводник в отсутствие внешнего напряжения (5, с. 7-9; 11-17), а также при прямом и обратном напряжениях?
4. Как выглядит идеализированная ВАХ полупроводникового диода и чем отличается от реальной?
5. Как изменится ВАХ диода, если он изготовлен из полупроводника с другой шириной запрещенной зоны?
4. Задания на экспериментальные исследования и методические указания к ним
Задание 1. Снять по точкам статическую Вольтамперную характеристику (ВАХ) диода
1.1.Снять прямую ветвь ВАХ диода на основе кремния (1N914). Для ее измерения собрать схему (рис.3.1).
Последовательно устанавливая значения прямого тока Iпр диода, задаваемого током источника тока, равным: 0 – 10мА, запишите значения напряжения Unp и тока Iпр диода в табл.1.
1.2. Снять обратную ветвь ВАХ диода на основе кремния (1N914). Собрать схему (рис.3.2). Переверните диод. Последовательно устанавливая ЭДС источника равными 0 – 50 В, запишите значения тока Iобр и напряжения Uобр в табл.2.
1.3. По полученным данным постройте графики Iпр(Unp) и Iобр(Uобр).
1.4. Рассчитать дифференциальное сопротивление диода по графику прямой ветви ВАХ по формуле Rдиф= ∆U/∆I│Iпр=const, при Iпр = 8 мА. Проделайте ту же процедуру для Iпр = 4 мА, Iпр = 2 мА и Iпр =0.5 мА. Результаты расчетов запишите в отчет: Rдиф= ∆U/∆I│Iпр=8мА=__. Построить график зависимости Rдиф= f(Iпр).
1.5. Вычислите статическое сопротивление диода на постоянном токе по формуле Rcтат= U0/I0 при I0 = 8 мА и занесите результат в отчет.
1.6. Вычислить дифференциальное сопротивление диода при обратном напряжении 5, 10В и запишите результаты в отчет.
1.7. Исследовать статическую ВАХ диода на основе германия. Повторить пункты 1.1 – 1.6 для диода mbrd835. (1, с.48-87)
Задание 2. Снять статическую вольтамперную характеристику (ВАХ) диода используя осциллограф
Это наиболее быстрый и удобный способ исследования ВАХ, непосредственно наблюдая ее на экране осциллографа.
2.1. Собрать схему, приведенную на рис.3.3.
2.2. Получить на экране осциллографа изображение ВАХ. Для этого: на выходе генератора установить треугольный сигнал с амплитудой 10В, частотой 10Гц и скважностью 50% .
Осциллограф поставить в режим В/А. При таком подключении координата точки луча по горизонтальной оси осциллографа будет пропорциональна напряжению, подаваемому на А-вход, а по вертикальной – току через диод. Поскольку напряжение в вольтах на резисторе 1 Ом численно равно току через диод в амперах (I=U/R=U/1=U), по вертикальной оси можно непосредственно считывать значения тока. Это и позволит получить вольтамперную характеристику непосредственно на экране осциллографа. Таким образом, ток и напряжение в каждой точке ВАХ вычисляются из соотношений: I = Y Ky.канВ, U= X Ky.канА, где Y, X&nb – координата точки луча, в делениях шкалы осциллографа; Ky.канА, Ky.канВ – масштабные множители осциллографа по оси Y каналов А и В, причем в размерности множителя канала В Ky.канВ 1мВ соответствует 1мА.
Подобрать значения Ky.канА, Ky.канВ так, чтобы луч не выходил за пределы экрана, а изображение ВАХ было по возможности максимальным. Осевые линии на сетке экрана совпадают с осями ВАХ.
2.3. Снять статическую ВАХ диода в режиме большого сигнала, когда амплитуда сигнала превышает максимальное допустимое обратное напряжение т.е. Um>|Uобр.max|.
Установить на выходе генератора треугольный сигнал с амплитудой 40В, смещением –10В, частотой 1Гц и получить на экране осциллографа изображение ВАХ (рис.3.4.). (1, с.48-87)
Зарисовать в отчет статическую ВАХ с нанесением по осям координат масштабов соответствующих значениям токов и напряжений. Определить максимальное допустимое обратное напряжение (Uобр.max=__).
2.4. Снять статическую ВАХ диода на основе германия mbrd835 в режиме малого сигнала. Установить на выходе генератора треугольный сигнал с амплитудой 5В, смещением 0В, частотой 1Гц и получить на экране осциллографа изображение ВАХ (рис.3.5.).
Обратите внимание на изгиб ВАХ. Измерьте и запишите в отчет величину напряжения изгиба для диода на основе германия mbrd835 (Uизг.Ge=__ ). Напряжение изгиба определяется из вольтамперной характеристики диода, смещенного в прямом направлении, для точки, где характеристика претерпевает резкий излом.
Повторить задание для диода (рис.3.6) на основе кремния 1N914 (Uизг.Si=__).
2.5. Исследовать начальный участок обратной ветви ВАХ диодов на основе Ge и Si по схеме на рис.3.7. Установить на выходе генератора треугольный сигнал с амплитудой 5В, смещением 0В, частотой 1Гц и получить на экране осциллографа изображение ВАХ.
Измерить величины обратных токов (Iобр. Ge =__, Iобр. Si =__).
Задание 3. Исследовать статическую вах стабилитрона
3.1. Собрать схему (рис. 3.8.). Установить на выходе генератор треугольный сигнал с амплитудой 25В, смещением –10В, частотой 1Гц и получить на экране осциллографа изображение ВАХ
3.2. Зарисовать в отчет статическую ВАХ с нанесением по осям координат масштабов соответствующих значениям токов и напряжений. Показать на ВАХ рабочий участок и определить напряжение стабилизации (Uст=__). Для получения более детального изображения ВАХ на экране осциллограф перевести в режим увеличенного экрана –Expand.
3.3. Рассчитать дифференциальное сопротивление стабилитрона (Rдиф=__) на середине рабочего участка. (3. с.31-58)
Задание 4. Исследовать работу параметрического стабилизатора напряжения (рис.3.9.)
4.1. собрать схему для исследования параметрического стабилизатора напряжения (рис.3.10.).
4.2. Измерить напряжение V2 на выходе схемы и токи во всех ветвях A1, A2, A3 при различных сопротивлениях нагрузки Rn. Результаты измерений занести в таблицу 3.
4.3. Построить нагрузочную характеристику Uвых=F(Rn). Определить интервал значений сопротивлений Rn при которых схема успешно стабилизирует выходное напряжение. (3. с.31-58)
Задание 5. Исследовать работу выпрямителя
5.1. Собрать схему (рис.3.11)однополупериодного выпрямителя.
Зарисовать временные диаграммы:1. Входного напряжения; 2. Выходного напряжения; 3. Напряжения на диоде (как разницу входного и выходного).
Обьяснить процесс однополупериодного выпрямления.
5.2. Собрать схему (рис.3.12) двухполупериодного выпрямителя.
Зарисовать временные диаграммы:1. Входного напряжения; 2. Выходного напряжения.
Показать на схеме направления токов протекающие в положительный и отрицательный полупериоды через сопротивление нагрузки. (3. с.31-58)
4. Указания к отчёту
Отчет должен содержать:
название работы, ф.и.о. студента и номер группы;
схемы измерений;
таблицы экспериментальных данных и графики ВАХ диодов: кремниего, германиего, и отдельно стабилитрона.
5. Вопросы для самоконтроля
Как возникает р-n переход при идеальном контакте полупроводников с разным типом электропроводности. (4, с.418-428)
Нарисовать схему и объяснить способ снятия ВАХ диодов с помощью амперметра и вольтметра. (4, с.418-428)
Нарисовать схему и объяснить способ снятия ВАХ диодов с помощью осциллографа. (3, с.31-580
Объяснить работу р-n перехода при прямом и обратном включении. (4, с.418-428)
Чем отличаются ВАХ идеального р-n перехода и реального диода. (4, с.418-428)
Дать определение дифференциального сопротивления диода и объяснить графически способ его определения. (3, с.31-58)
Записать уравнение ВАХ выпрямительного диода, график ВАХ и его пояснение. (3, с.31-58)
Нарисовать ВАХ стабилитрона и определить рабочий участок ВАХ при стабилизации напряжения. (3, с.31-58)
Почему величина барьерной емкости зависит от приложенного напряжения? (3, с.31-58)
Какова физическая природа диффузионной емкости р-п перехода? (4, с.418-428)
Перечислить основные параметры диодов. (3, с.31-58)
Нарисовать схему и объяснить работу однополупериодного выпрямителя. (1, с.48-87)
Нарисовать схему и объяснить работу двухполупериодного выпрямителя. (1, с.48-87)
Объяснить работу параметрического стабилизатора постоянного напряжения. (1, с.48-87)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Данный экспериментальный опыт используется при улучшении качества преобразования.
Выпрямителем называется устройство, преобразующее переменное напряжение в несинусоидальное постоянное (выпрямленное), а среднее значение (постоянная составляющая) этого напряжения пользуется потребителем постоянного тока. Одним из способов уменьшения пульсаций является применение фильтров выпрямленного напряжения. Дальнейшее улучшение качества преобразования может осуществляться в схеме стабилизатора напряжения и служит основой построения большинства источников питания, используемых в самых различных областях техники.
Основным элементом схем выпрямления является диод (вентиль). Диодом называется нелинейный элемент, обладающий весьма малым сопротивлением протеканию тока в прямом направлении по сравнению с обратным. В настоящее время наибольшее распространение получили полупроводниковые диоды. Их свойства определяются р-n-переходом - контактом двух областей полупроводникового материала с различными типами проводимости: электронной и дырочной.
SiC полупроводниковые приборы для силовой электроники представляет семейство карбид-кремниевых (SiC) диодов Шоттки (8) ZERO RECOVERY. У данных диодов полностью отсутствует эффект накопления заряда в n-области, за счет чего отсутствует эффект обратного восстановления. Номенклатура диодов включает в себя приборы с токами 10A и 20A при обратном напряжении (8) 300В; 1A, 4A, 6A, 10A и 20A при обратном напряжении 600В; 5A, 10A и 20A при обратном напряжении 1200В.
Применение SiC диодов Шоттки позволяет снизить потери в источниках электропитания до 30-40%, в корректорах коэффициента мощности - до 60%, а так же увеличить рабочие частоты преобразователей, снизив габариты и массу готовых изделий. Благодаря положительному температурному коэффициенту прямого падения напряжения, диоды можно включать параллельно без дополнительных токовыравнивающих цепей.
В процессе производства и эксплуатации бытовых видеомагнитофонов “Электроника ВМ-12” выяснилось, что одна из причин выхода их из строя - поломка блока “ТАЙМЕР” (Т) при (2, №12, 2006 г) воздействии разряда. При этом происходит сбой или погасание временного индикатора. Когда стали проверять установленные в блоке полупроводниковые устройства, обнаружились пробой переходов диодов, транзисторов и ИС, перегорание и испарение металлизации на кристалле, а также изменение электрических параметров. Встал вопрос, какой по величине потенциал приводит к параметрическим и катастрофическим отказам составляющих блока Т.
Блок Т выполнен на базе микроЭВМ (БИС типа КР1005ВИ1) и содержит еще 15 диодов, шесть транзисторов и одну гибридную ИС. Испытания осуществлялись разработчиками по программе, включающей воздействие на каждое изделие блока Т пяти разрядов как положительной, так и отрицательной полярности при различных значениях напряжения.