![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Лабораторная работа №1. 1. Тема: Исследование вентильных свойств p-n-перехода
1. Тема: Исследование вентильных свойств p-n -перехода 2. Цели работы: - экспериментальное исследование параметров и характеристик p-n -перехода; - приобретение практических навыков работы с электронно-вычислительной техникой.
3. Исходные данные: -модель p-n -перехода реализована в среде программирования Electronics Workbench.
4. Правила работы в лаборатории: Общие требования безопасности Студенты допускаются к самостоятельной работе на оборудовании после проведения с ними вводного инструктажа на рабочем месте. Получение инструктажа подтверждается личной подписью студента в журнале учета инструктажей по технике безопасности. Проведение лабораторных работ допускается на исправном оборудовании. Металлические части оборудования, которые могут оказаться под напряжением, должны быть заземлены. Требования безопасности перед началом работ Запрещается: переодеваться; пользоваться огнем; курить; принимать пишу в лаборатории. Убедиться в целостности электрических розеток и разъемов. Включение компьютера производить только после получения допуска по выполняемой работе и разрешения преподавателя или ассистента. Требования безопасности во время работы Выполняя лабораторную работу, студенты обязаны использовать только вычислительную технику и периферийное оборудование относящееся к данному рабочему месту. Требования безопасности по окончании работы По команде преподавателя учащиеся обязаны выключить компьютер и составляющие вычислительного комплекса. Рабочее место привести в порядок. Требования безопасности в аварийных ситуациях Если в процессе работы появилась неисправность (запах горелой изоляции, дым, искрение и т.п.) необходимо немедленно отключить питание и доложить преподавателю. В случае возникновения пожара необходимо: -отключить питание на вводном автомате электропитания; -сообщить преподавателю или ассистенту; -приступить к тушению, используя имеющиеся в лаборатории огнетушители.
5. Аппаратное обеспечение:
Класс персональных ЭВМ
6. Программное обеспечение:
Среда программирования Electronics Workbench, Mathcad, программные модули лабораторной работы.
7. Теория:
Зависимость величины тока через переход от приложенного напряжения отражает его вольтамперная характеристика, рис.1. Рис.1 - ВАХ p - n перехода Теоретически доказано, что вах. p - n перехода описывается выражением:
где
U - напряжение прикладываемое к переходу;
I 0 – тепловой ток, который зависит от температуры и определяется свойствами полупроводникового материала, из которого изготовлен переход. В реальных p - n переходах выражение (1) претерпивает изменения:
где G – проводимость утечки, определяется поверхностным состоянием p - n перехода. Типовыми значениями указанных параметров являются: Табл.№1
Поскольку прямой ток p - n перехода I пр»(103…105)× I 0, то можно говорить о практически односторонней проводимости p - n перехода, что хорошо видно из вольт-амперной характеристики p - n перехода. Прямая ветвь ВАХ. При напряжениях U> 0 малейшее изменение напряжения вызывает существенное изменение тока. Различают два режима работы перехода — нормальный, когда ток порядка миллиампера, и микрорежим, когда ток порядка микроампера. В зависимости от диапазона токов прямые напряжения несколько различаются, но в пределах диапазона их можно считать постоянными и рассматривать как своего рода параметр открытого перехода. U* называют на пряжением открытого перехода. При комнатной температуре: - в нормальном режиме U*(AsGa) =1 В, U*(Si) =0, 7 В, U*(Ge) =0, 5 В; - в микрорежиме U*(AsGa) =0, 85 В, U*(Si) =0, 5 В, U*(Ge) =0, 3 В.
Обратная ветвь ВАХ. Реальный обратный ток перехода несколько превышает величину I 0, предсказываемую выражением (1). Причиной этого является, прежде всего, поверхностный ток утечки и генерация электронно-дырочных пар в области обратносмещенного перехода. Составляющую обратного тока, обусловленную генерацией, называют током термогенерации. Процессы генерации и рекомбинации носителей происходят во всех частях кристалла — как в нейтральных слоях n и р, так и в области перехода. В равновесном состоянии скорости генерации и рекомбинации везде одинаковы, поэтому направленных потоков носителей нет. Когда к переходу приложено обратное напряжение, область перехода дополнительно обедняется носителями. Поэтому рекомбинация здесь замедляется и процесс генерации оказывается неуравновешенным. Избыточные генерируемые носители уносятся электрическим полем в нейтральные слои: электроны в n-слой, дырки в р-слой. Эти потоки и образуют ток термогенерации IG. Неконтролируемое возрастание тока термогенерации приводит к пробою p-n -перехода. В силу этого, вводится понятие обратного максимально допустимого напряжения на p-n -переходе (3)
где U проб - напряжение теплового или электрического пробоя определяемое материалом и конструктивными особенностями p-n -перехода. Вентильные свойства p-n -перехода оценениваются коэффициентом выпрямления (4)
где U* - напряжение открытого перехода при комнатной температуре в нормальном режиме.
8. Литература:
1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учеб.пособие для вузов.2-е изд., перераб. и доп. М: Лаб. баз. зн. 2001 2. Жеребцов И.П. Основы электроники.- 5-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатом-издат. 1989. 4. Журавлева Л.В. Электроматериаловедение. М.: Академия, 2004. 5. С. Зи Физика полупроводниковых приборов, ч1 М.: Мир, 1984. 6. Викулин И.М., Стафеев И.М. Физика полупроводниковых приборов М.: Сов. радио, 1980. 7. Епифанов Г.И. Физические основы микроэлектроники М.: Сов. радио, 1971. 8. Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые прибороы: Учебник для вузов.– 3-е изд., перераб. и доп. М: Высш. школа, 1981
9. Контрольные вопросы:
1. Каким выражением описывается ВАХ p-n-перехода. 2. В чем проявляются вентильные свойства p-n-перехода. 3. Как зависит вид ВАХ p-n-перехода от типа материала. 4. Какие параметры материала определяют вид ВАХ p-n-перехода. 5. Каковы причины обуславливающие пробой p-n-перехода.
10. Методические рекомендации по проведению исследований:
10.1. Снятие прямой ветви ВАХ p-n-перехода
1). Из среды программирования Workbench 5.12, войти в каталог «Diodes», открыть папку «Ge_291oK_вар», загрузить файл «Ge_291oK_прям_№(1
Рис.2 На экране монитора появится схема. Рис.3. Схема содержит: источник ЭДС, амперметр, полупроводниковый диод на основе Ge. 2). Установить значение ЭДС источника равным 1, 2· U* В. Активировать схему. Снять показания амперметра, занести их в таблицу №2.
Табл.№2
3). Постепенно, с произвольным шагом, снижая напряжение источника ЭДС, производить измерение тока p-n-перехода с последующей записью его величины в таблицу №2. Измерения производить (не менее 8 раз) до достижения тока порядка 0, 5 мА. 4). Из среды программирования Workbench 5.12, войти в каталог «Diodes», открыть папку «Si_291oK_вар», загрузить файл «Si_291oK_прям_№(1
Рис.4 При запросе, рис.2, «наступите» мышкой на клавишу «Use circuit model». На экране монитора появится схема. Рис.5. Схема содержит: источник ЭДС, амперметр, полупроводниковый диод на основе Si. 5). Выполнить указания пунктов 2), 3). 6). Из среды программирования Workbench 5.12, войти в каталог «Diodes», открыть папку «AsGa_291oK_вар», загрузить файл «Si_291oK_прям_№(1 Рис.6. Схема содержит: источник ЭДС, амперметр, полупроводниковый диод на основе AsGa. 5). Выполнить указания пунктов 2), 3).
10.2. Снятие обратной ветви ВАХ p-n-перехода
1). Из среды программирования Workbench 5.12, войти в каталог «Diodes», открыть папку «Ge_291oK_вар», загрузить файл «Ge_291oK_обрат». При запросе, рис.2, «наступите» мышкой на клавишу «Use circuit model». На экране монитора появится схема. Рис.7. Схема содержит: источник ЭДС, амперметр, полупроводниковый диод на основе Ge. 2). Произвести измерение тока диода (с произвольным шагом) в интервале [0÷ 1, 2· U* ] (не менее 3 измерений) и в интервале [100÷ 100, 05] В с шагом 0, 01 В. Результаты измерений занести в таблицу №3.
Табл.№3
3). Из среды программирования Workbench 5.12, войти в каталог «Diodes», открыть папку «Si_291oK_вар», загрузить файл «Si_291oK_обрат». При запросе, рис.2, «наступите» мышкой на клавишу «Use circuit model». На экране монитора появится схема. Рис.8. Схема содержит: источник ЭДС, амперметр, полупроводниковый диод на основе Si. 4). Выполнить указания пункта 2). 5). Из среды программирования Workbench 5.12, войти в каталог «Diodes», открыть папку «AsGa_291oK_вар», загрузить файл «AsGa_291oK_обрат». При запросе, рис.2, «наступите» мышкой на клавишу «Use circuit model». На экране монитора появится схема. Рис.9. Схема содержит: источник ЭДС, амперметр, полупроводниковый диод на основе AsGa. 6). Выполнить указания пункта 2).
10.3. Анализ ВАХ и расчет параметров p-n-перехода
1). По полученным данным, табл.2, 3, постройте графики функций: 2). Руководствуясь выражениями (3), (4) и ВАХ, для всех типов материала, рассчитайте: - коэффициент выпрямления (при U = ±1, 2· U* B); - обратное максимально допустимое напряжение. Данные, используемые в ходе расчетов, показать на ВАХ и занести в таблицу №4 в строку «экспериментальные». Результаты вычислений занести в таблицу №4 в строку «экспериментальные».
Табл.№4
3). Руководствуясь выражениями (2), (3), (4) и данными таблицы №1 рассчитайте: - прямой ток p-n -перехода при U = 1, 2· U* B; - обратный ток p-n -перехода при U = -1, 2· U* B; - коэффициент выпрямления (при U = ±1, 2· U* B). Результаты вычислений занести в таблицу №4 в строку «расчетные». 4). Сделайте выводы: - о вентильных свойствах р-n -перехода и зависимости его параметров от типа материала; - о сходимости расчетных и экспериментальных данных результатов исследования.
11. Содержание отчета о лабораторной работе: в отчете должны быть отражены название, цель лабораторной работы, пункты исследований, таблицы с экспериментальными и расчетными данными, графики, необходимые математические выражения, выводы по работе.
|