КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Модуль І. Напівпровідникові прилади

Модуль І містить такі теми: «Мета і завдання дисципліни», «Фізичні основи мікроелектроніки», «Напівпровідникові діоди», «Біполярні транзистори», «Польові транзистори», «Розрахунково-графічна робота», крім того лабораторні роботи 1-3 та чотири практичних заняття.

Модуль ІІ. Елементи інтегральних схем

Модуль ІІ містить такі теми: «Особливості елементів інтегральних схем», «Логічні елементи», «Тригери», крім того, лабораторні роботи 4-6 та чотири практичних заняття.

Модуль І. ДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПРИЛАДІВ

Лабораторна робота 1

ДОСЛІДЖЕННЯ ВИПРЯМЛЯЮЧИХ ДІОДІВ

Мета роботи

1. Ознайомитись з принципом дії напівпровідникових діодів.

2. Набути практичних навичок у побудові вольт-амперної характеристики діода.

3. Набути практичних навичок у дослідженні перехідних процесів в діодах та вивчення їх швидкодії.

Частина І

КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Напівпровідниковим діодом називається електроперетворювальний напівпровідниковий прилад з p-n-переходом, що має два виводи (рис. 1.1). За призначенням напівпровідникові діоди поділяються на випрямляючі, високочастотні, імпульсні, стабілітрони, тунельні, варикапи, фотодіоди та світлодіоди.

Рис. 1.1. Умовно-графічне зображення діода

Відомо, що коли до діода прикладається пряма напруга (до анода +U, а до катода –U), то потенційний бар’єр p-n-переходу зменшується на величину U_ПР, його опір зменшується. Коли до діода прикладається зворотна напруга (до анода –U, а до катода +U), то потенційний бар’єр p-n-переходу збільшується на величину U_ЗВ, його товщина і опір значно збільшується, а струм наближається до величини I_ЗВ ≈ 0 зворотного струму. У зв’язку з цим діод має односторонню електропровідність.

Вольт-амперна характеристика (ВАХ) діода зображена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Вольт-амперна характеристика для діодів із Si та Ge

Необхідно відмітити, що зворотний струм кремнієвих діодів набагато менше ніж для германієвих. Крім того, пряма гілка ВАХ для кремнієвого діода зміщена вправо відносно до германієвої.

Основними параметрами діода є:

r₀ – опір постійному струму;

r_Д – опір змінному струму;

C_Д – паразитна ємність діода, яка складається з C_Б – бар’єрної ємності та C_ДИФ – дифузійної ємності.

На високих частотах в діоді починає впливати інерційність процесів накопичування та розсмоктування носіїв зарядів. Тому при аналізі схем з діодами, вони описуються динамічною моделлю (рис. 1.3) [3].

У цю модель входять: L_Д – індуктивність виводів; C_КОРП – ємність корпуса; C_БАР , C_ДИФ – бар’єрна та дифузійна ємність діода; r_ДИФ , r_Б , R_У – опори диференційний, бази та витоку p-n-переходу.

Присутність паразитних ємностей в діоді обмежують його швидкодію. Часові залежності, які характеризують перехідні процеси в діодах, залежать від амплітуди сигналів і від опору зовнішнього ланцюга, в який включено діод.

При підключенні діода до генератора струму (r_Д << R_Г) струм, що протікає через діод, співпадає за формою з імпульсами генератора (рис. 1.4).

Рис. 1.3. Динамічна модель діода

При протіканні прямого струму через діод, спостерігається виброс напруги в перший момент після ввімкнення. Це визвано підвищеним падінням напруги доти, поки інжектовані носії не понизять опір бази діода.

Рис. 1.4. Осцилограми струмів і напруг діода при його роботі в режимі великих амплітуд в схемі з генератором струму

Тому для імпульсних діодів введений параметр – час установлення прямого опору чи напруги t_УСТ , який дорівнює інтервалу часу між початком протікання через діод прямого струму та моментом, коли напруга на діоді досягне 1,1U_ПР ; час розсмоктування t_РОЗ, визначається між моментом закінчення струму та моментом часу, коли напруга починає зменшуватись від сталого значення.

Домашнє завдання

1. Вивчити основні параметри діодів та процеси, які в них відбуваються при підключенні прямої та зворотної напруги.

2. Розібратись в методиці побудови вольт-амперної характеристики діода.

3. Освоїти методику роботи з вимірювальними приладами: двопроменевого осцилографа та генератора сигналів.

4. Розібратись, чому змінюється опір діода при прямій та зворотній напругах діода?

5. Уяснити, для чого в схемах (рис. 1.5 та рис. 1.6) використовуються перемикачі та потенціометри.

6. Уяснити, як працювати з вимірювальними приладами, які використовуються в схемах лабораторних установок (рис. 1.5 та рис. 1.6) [5].

7. Для виклику програми дослідження діода необхідно:

– одержати у викладача варіант завдання на моделювання;

– вибрати файл Electr_1_1_*.

Частина ІІ

ПОБУДОВА ВОЛЬТ-АМПЕРНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ
НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ДІОДА

Схема віртуальної лабораторної установки зображена на
рис. 1.5. Схема містить у собі: два діода 1N4001; генератор синусоі-дальних коливань; перемикачі SA1 та SA2 для підключення до діода прямої та зворотної напруги; двопроменевий осцилограф, на каналі B якого відображається вольт-амперна характеристика діода.

Рис. 1.5. Схема віртуальної лабораторної установки

Рис. 1.6. Схема віртуальної лабораторної установки

Порядок виконання роботи

1. Підготувати віртуальну лабораторну установку до роботи:

– увімкнути осцилограф (клацнути двічі лівою кнопкою миші на піктограмі осцилографа) і установити на ньому такі масштаби:

Time Base – 1 mS/div; B/A; Auto;

Channel A – 1 V/div; DC;

Channel B – 100 mV/div; DC;

– увімкнути функціональний генератор (двічі клацнути лівою кнопкою миші на його піктограмі) і на його панелі встановити чи перевірити такі режими й масштаби: форма вихідних сигналів (синусоїдальні коливання);

Frequency – 0.1 Hz;

Duty cycle – 50%;

Amplitude – 30 V.

2. Побудувати пряму гілку ВАХ. Для цього встановити перемикачі SA1 та SA2 за допомогою клавіші “Space” у верхнє положення. Запустити віртуальну установку на моделювання. Для цього мишею перемикача “0-1” установити в положення “1”. При цьому на екрані осцилографа з'явиться пряма гілка вольт-амперної характеристики діода. Коли вольт-амперна характеристика перестане зростати та почне спадати, призупинити моделювання. Для цього клацнути лівою кнопкою миші по кнопці перемикача “0-1”, установивши його в положення “0”; зображення на екрані осцилографа зупиниться.

3. Відкрити аналізатор графіків “Analysis Graphs”. Для цього клацнути лівою кнопкою миші по кнопці у верхній лінійці екрана. Потім клацнути лівою кнопкою миші на піктограмі “Graph Properties” у верхній лінійці аналізатора й установити:

– Left Axis

Range – Minimum: -0,3; Maximum: 0,3

– Bottom Axis

Range – Minimum: -3; Maximum: 3

4. Клацнути лівою кнопкою миші по кнопці “виконати”. На аналізаторі буде зображена пряма гілка вольт-амперної характеристики діода. Лівою кнопкою миші клацнути по кнопці “Координатна сітка” .

5. Перерисувати у звіт вольт-амперну характеристику діода у масштабі. Закрити аналізатор графіків.

6. Побудувати зворотну гілку ВАХ. Для цього встановити перемикачі SA1 та SA2 за допомогою клавіші “Space” у нижнє положення. Повторити пп. 2-5.

7. Вимкнути осцилограф, функціональний генератор і перемикач моделювання установити в положення “0”.

Частина ІІІ

ДОСЛІДЖЕННЯ ПЕРЕХІДНИХ ПРОЦЕСІВ
У НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДАХ

Схема віртуальної лабораторної установки показана на рис. 1.6. Схема містить у собі: діод 1N4001, генератор прямокутних імпульсів, двопроменевий осцилограф, на каналі A якого відображається вхідний імпульс, а на каналі B – вихідний імпульс; джерело напруги зміщення 12 В, та потенціометр R4 для регулювання напруги зміщення.

Порядок виконання роботи

1. Підготувати лабораторну установку до роботи:

Time Base – 0,1 mS/div; Y/T; Auto;

Channel A – 20 V/div; DC;

Channel B – 20 V/div; DC.

Для того, щоб зміщувати зображення осцилограм вліво чи вправо, існує спеціальний повзунок знизу екрана, навівши на якому показником миші та натиснувши ліву кнопку миші, можна переміщувати зображення вліво чи вправо;

Frequency – 1 Khz;

Duty cycle – 50 %;

Amplitude – 20 V.

2. Установити напругу U_ЗМ=0 В потенціометром R4 (що відповідає 0 %) за допомогою клавіші R та натиснутої клавіші “Caps Lock”.

Запустити віртуальну установку на моделювання. Для цього мишею перемикач “0-1” установити в положення “1”. При цьому на екрані осцилографа з'явиться часова діаграма вхідної і вихідної напруги діода. Призупинити моделювання, для цього клацнути лівою кнопкою миші по кнопці “Pause”; зображення на екрані осцилографа зупиниться.

3. За допомогою візирних ліній “1” і “2” виміряти амплітуди вихідного сигналу.

4. За допомогою візирних ліній “1” і “2” визначити такі часові параметри виходного сигналу: t_РОЗ , t_УСТ.

5. У масштабі перерисувати у звіт часові діаграми вхідного і вихідного імпульсів у відповідних масштабах .

6. Установити напругу U_ЗМ =6 В потенціометром R4 (що відповідає 50%). Повторити пп. 3-5.

7. Установити напругу U_ЗМ =12 В потенціометром R4 (що відповідає 100%). Повторити пп. 3-5.

8. Вимкнути осцилограф, функціональний генератор і перемикач моделювання установити в положення “0”.

9. Закрити програму моделювання “Electronics Workbench”.

Зміст звіту

Звіт, має бути оформлений на аркушах паперу в клітинку і містити:

1) мету роботи і номер варіанта;

2) принципові схеми віртуальних лабораторних установок;

3) зображення прямої та зворотної гілок вольт-амперної характеристики діода, побудованих на одному графіку. На осях напруги та струму обов’язково указати масштаби;

4) часові діаграми вхідної і вихідної напруги діода і часові параметри – t_ЗТ, t_НРдля трьох значень R4у відповідних масштабах;

5) висновки, що базуються на аналізі отриманих результатів.

Контрольні питання

1. Що таке напівпровідниковий діод?

2. Нарисуйте УГЗ напівпровідникового діода.

3. Нарисуйте пряму гілку ВАХ.

4. Нарисуйте зворотну гілку ВАХ.

5. Які основні параметрами діоду ви знаєте?

6. Що входить до динамічної моделі діода?

7. Нарисуйте осцилограми струмів і напруг діода при його роботі в режимі великих амплітуд в схемі з генератором струму.

8. Що таке зворотна напруга діода?

9. Що таке пряма напруга діода?

10. Чому збільшується опір діода при зворотній напрузі?

11. Від чого залежить висота потенціального бар’єру p-n-переходу?

12 3 4 5 6 7 Следующая ⇒