Элементная база телекоммуникационных систем. Лабораторная работа №1 .Вариант №15

1 Задание на подготовку к выполнению лабораторной работы

Тема: Исследование полупроводниковых устройств

Цель работы: 1. Изучить характерные свойства электронно-дырочного перехода, определяющие характеристики выпрямительного диода и стабилитрона (лекция №2).
2. Приобрести навыки работы с измерительными приборами, а также по обработке и оформлению полученных результатов.

Выполнению данной работы должна предшествовать предварительная подготовка, состоящая в следующем:
1. Изучение темы и цели лабораторной работы.
2. При изучении теоретического материала в объеме материала лекций и теоретического введения обратить внимание на следующие основные вопросы:
- физические процессы, определяющие одностороннюю проводимость электронно-дырочного перехода;
- энергетическую диаграмму р-n перехода;
- типы пробоя электронно-дырочного перехода и его вольтамперная характеристика (ВАХ);
- основные параметры, характеризующие выпрямительные диоды и стабилитроны.
3. Оформление заготовки для отчета (см. раздел 6).
4. Выполнение указаний разделов 4 и 5.

Номер варианта для выполнения лабораторной работы должен выбирается по двум последним цифрам номера пароля. Варианты приведены в Приложении А.

2 Теоретическое введение

Электронно-дырочный переход (р-n переход) – это контакт двух проводников с различным типом проводимости. Изготовляется он обычно из одного кристалла полупроводника, в котором формируются области с повышенной концентрацией акцепторной примеси (р-область) и донорной примеси ( n-область).
В зависимости от технологии изготовления существуют различные типы р-n переходов, например - резкий или плавный р-n переходы. В резком переходе область изменения концентрации примеси значительно меньше толщины области пространственного заряда, который образуется за счет диффузии электронов и дырок, а в плавном переходе - наоборот.
Если переход находится в равновесии (внешнее электрическое поле отсутствует), то его состояние определяется двумя конкурирующими процессами:
1) диффузией основных носителей - дырок из р-области в n-область и диффузией электронов в обратном направлении;
2) дрейфом неосновных носителей под действием поля перехода.
В условиях равновесия полный ток через переход (дрейфовый плюс диффузионный) носителей каждого знака равен нулю .
Если приложить к переходу разность потенциалов U, то величину полного тока через переход можно попытаться определять по следующей приближённой формуле:

, (2.1)

где: – ток насыщения (Iобр max); [ А ]
q – заряд электрона; [ К ]
k – постоянная Больцмана; [ Дж/К ]
T – абсолютная температура;
U – приложенное к переходу внешнее напряжение, причем «+» (плюс) – соответствует прямому напряжению, «–» (минус) – соответствует обратному напряжению; [ В ].
3 Задание на выполнение лабораторной работы

3.1 Расчётная часть работы

1.  Выбрать диод, в соответствии с вариантом и записать значения следующих параметров диода:
- предельно-допустимый постоянный прямой ток ;
- предельно-допустимое обратное напряжение .
Значения и найти для соответствующего варианта, используя ресурсы Internet.

2. Построить прямую ветвь ВАХ диода. Для построения прямой ветви ВАХ использовать формулу 2.2.
3. Задать 6 значений прямого тока, которые вычисляются по выражениям во 2-м столбце таблицы 3.1. Полученные значения являются рекомендуемыми, их допускается округлять до ближайшего «удобного» числа.
4. Выбрать стабилитрон, в соответствии с вариантом и записать значения следующих параметров стабилитрона:
- минимальный ток стабилизации ;
- максимальный ток стабилизации ;
- номинальное напряжение стабилизации .
Значения , и найти для соответствующего варианта, используя ресурсы Internet.
5. Построить обратную ветвь ВАХ стабилитрона. Для построения обратной ветви ВАХ использовать формулу 2.4.
6. Задать 5 значений обратного тока, которые вычисляются по выражениям во 2-м столбце таблицы 3.2. Полученные значения являются рекомендуемыми, их допускается округлять до ближайшего «удобного» числа.
3.2 Экспериментальная часть работы

Для проверки рассчитанных значений выполнить измерения, используя виртуальный универсальный лабораторный стенд. Основные сведения работы на виртуальном стенде приведены в Приложении Б.

1. С помощью измерительных схем рисунков Б.6 и Б.7, приведенных в приложении Б, исследовать прямую и обратную ветви ВАХ выпрямительного диода определенной марки, выбранной из Приложения А. Построить их графики в одних осях с ВАХ, рассчитанной в п.3.1. Найти I0 по обратной ветви ВАХ диода, построенной по измерениям.
В данной лабораторной работе расчет производится только для идеального случая. Отклонения в расчетной и исследуемой частях могут отличаться на 10-15%.
2. С помощью измерительных схем рисунков Б.8 и Б.9 исследовать прямую и обратную ветви ВАХ стабилитрона определенной марки, выбранной из Приложения. Построить их графики в одних осях с ВАХ стабилитрона, рассчитанной в п.3.1.
Расчетные значения и значения, полученные экспериментальным путем, могут отличаться в пределах 5-10%, т.к. в математической формуле (2.4) приняты фиксированные значения параметров.


4 Рекомендации к выполнению исследований
 
4.1 Исследование прямой ветви ВАХ диода

1. Собрать схему, представленную на рисунке Б.6.

2. Задать те же 6 значений прямого тока источника I1, ( таблица 3.1).
Для каждого установленного измерить по показаниям V1 прямое напряжение, результаты измерений записать в 3-й столбец таблицы 4.1. При оформлении отчёта в первый столбец вместо выражений вписать вычисленные значения. При оформлении таблицы в отчёте рекомендуется фиксировать значения токов и напряжений в тех единицах, которые являются наиболее оптимальными.
4.2 Исследование обратной ветви ВАХ диода

1. Изменить включение диода, собрав схему, представленную на рисунке Б.7.
2. Задать 7 значений обратного напряжения с помощью источника , которые вычисляются по выражениям во 2-м столбце таблицы 4.2. Как и при измерении прямой ветви ВАХ, полученные значения являются рекомендуемыми. Для каждого значения измерить обратный ток по амперметру , измеренные величины зафиксировать в 3-м столбе таблицы 4.2.
4.3 Исследование обратной ветви ВАХ стабилитрона

1. Собрать схему рисунка Б.8, установив тип стабилитрона (выбирается в соответствии с вариантом).

3. Измерить по вольтметру напряжение стабилитрона при 5 рекомендуемых значениях обратного тока (аналогично таблице 3.2). Вычисленные значения тока устанавливаются с помощью источника . Измеренные и установленные значения занести в таблицу 4.3.
4.4 Исследование прямой ветви ВАХ стабилитрона

1. Изменить включение стабилитрона - перейти к схеме, представленной на рисунке Б.9.

2. Измерить прямое напряжение при 5 рекомендуемых значениях тока , указанных во 2-м столбце таблицы 4.4. Измеренные и установленные значения занести в таблицу 4.4.
5 Содержание отчета

1. Тема и цель лабораторной работы.
2. Таблицы 3.1 и 3.2.
3. Таблицы наблюдений 4.1, 4.2, 4.3, 4.4.
4. Графики ВАХ исследованных диодов и стабилитронов (рассчитанные и измеренные).
5. Выводы по результатам проведенных исследований.
2020 год.