Полупроводниковые выпрямители Исследование полупроводниковых диодов, стабилизатора, биполярных транзисторов, Электронный усилитель на транзисторах Сглаживающие фильтры Исследование стабилитронов, варикапов

Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике

Методические указания к выполнению лабораторных работ по исследованию полупроводниковых диодов

Электроника – это область науки, техники и производства, охватывающая исследования и разработку электронных приборов и принципов их использования.

В основе развития электроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронной аппаратурой. В связи с этим, знание основных свойств полупроводниковых приборов, ознакомление с их конструкцией и элементами технологии изготовления, а также методикой измерения параметров, является основополагающим для грамотного проектирования радиоэлектронных схем.

Цель предлагаемого цикла лабораторных работ заключается в том, чтобы в сжатом виде предоставить информацию об основных свойствах полупроводников и электронно-дырочных переходов, вольт – амперных характеристиках диодов, а также другие сведения о полупроводниковых диодах, которые наиболее часто требуются разработчикам радиоэлектронной аппаратуры. Кратко описан принцип действия, конструкция и технология изготовления полупроводниковых диодов. Приводятся электрические параметры диодов, методика их измерения, а также сведения об эксплуатационных свойствах диодов.

В основу предлагаемого цикла лабораторных работ по курсу «Электроника» положен системный подход к освоению лекционного материала, создающий общий фундамент, на базе которого возможна дальнейшая специализация студента в области электроники. Кроме того, при исследовании характеристик полупроводниковых диодов в лабораторных условиях студенты существенным образом повышают навыки работы с современными цифровыми приборами, в частности, с Digital Multimeter MY64 и DC POWER SUPPLY HY3005D-2.

Перед выполнением лабораторной работы студент должен повторить или усвоить самостоятельно теоретический материал по теме работы, знать цель работы, основные свойства и характеристики исследуемых полупроводниковых приборов.

До начала работы в лаборатории каждый студент должен ознакомиться с инструкцией по технике безопасности, о чем делается отметка в специальном журнале.

Лабораторные работы выполняются бригадой из 2-3 студентов на универсальных измерительных стендах. Все стенды содержат аналоговые и цифровые источники питания и четыре многофункциональных цифровых измерительных прибора.

Монтаж электрической схемы измерений производится с помощью комплекта соединительных проводов в соответствии со схемой, приведенной в инструкции к лабораторной работе. Собранную схему необходимо предъявить для проверки преподавателю или лаборанту и только с их разрешения включить питание стенда.

Проведение исследований осуществляется в соответствии с заданием и в указанной последовательности. Результаты измерений заносятся в протокол испытаний, который по окончании исследований должен быть представлен для проверки преподавателю.

В процессе выполнения лабораторной работы возможно возникновение следующих опасных факторов: поражение электрическим током и возникновение пожара вследствие того, что электропитание лабораторных установок осуществляется от электросети напряжением 220В частотой 50 Гц.

С целью обеспечения безопасности при работе на лабораторных установках следует руководствоваться ГОСТ 12.3.019-80 «Испытания и измерения электрические. Общие требования безопасности». Конструкции лабораторных установок выполнены с учетом требований ОСТ 40.4-78 «Оборудование учебно-лабораторное. Общие технические требования». В лабораторных установках применены стандартные приборы, выпускаемые промышленностью с учетом требований безопасности. Помещение, в котором находятся лабораторные установки, удовлетворяет требованиям пожарной безопасности по ГОСТ 12.1.004-76 и санитарным нормам СН-245-71.

При выполнении лабораторной работы запрещается:

приступать к выполнению лабораторной работы без инструктажа по технике безопасности и разрешения преподавателя;

включать силовые рубильники в лаборатории;

самостоятельно ремонтировать лабораторный стенд и измерительные приборы;

оставлять без наблюдения включенную лабораторную установку;

изменять конфигурацию схемы при включенном питающем напряжении;

загромождать рабочее место портфелями и другими предметами.

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ

Цель работы: изучение свойств германиевого и кремниевого выпрямительных полупроводниковых диодов при изменении температуры окружающей среды, измерение их вольт - амперных  характеристик и определение основных параметров .

Методические указания по подготовке к работе

Выпрямительными диодами называют полупроводниковые приборы с одним p-n–переходом, имеющие два вывода и предназначенные для выпрямления переменного тока. Вторым элементом обозначения этих диодов является буква «Д» (КД202А). Условное графическое изображение выпрямительного диода показано на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Графическое изображение выпрямительного диода (Iпр – направление прямого тока)

Вольт - амперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода представляет собой зависимость  тока, протекающего во внешней цепи диода, от значения и полярности напряжения,  прикладываемого к нему. Эту зависимость можно получить экспериментально или рассчитать  с помощью уравнения вольт - амперной характеристики идеализированного p-n–перехода

   (1.1)

где:  I0 – обратный ток насыщения;

φТ – температурный потенциал, равный (0,026 В) при комнатной температуре (Т = 300 К);

U – напряжение, прикладываемое к диоду.

В уравнение (1.1) напряжение U подставляется со знаком «плюс» при включении диода в прямом направлении и со знаком «минус» при включении диода в обратном направлении. Теоретический график ВАХ выпрямительного диода, рассчитанный с помощью выражения (1.1), представлен на рис. 1.2,а. При увеличении обратного  напряжения Uобр обратный ток Iобр, протекающий через p-n-переход диода, достигает  предельного значения I0 уже при Uобр = 0,1…0,2 В. Следует отметить, что чем больше ширина запрещенной зоны полупроводника и чем выше в нем концентрация примесей, тем меньше величина I0.

 

Рис. 1.2. Вольт – амперные характеристики выпрямительного диода:

 а – теоретическая; б – экспериментальная

При выводе уравнения (1.1) учитывались только диффузионные компоненты тока, протекающего через p-n-переход, и не учитывались такие явления, как термогенерация носителей зарядов в запирающем слое p-n-перехода, поверхностные утечки тока, падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей полупроводника, а также наличие пробоя при повышении обратного напряжения. Поэтому теоретический график ВАХ выпрямительного диода отличается от графика ВАХ, снятого экспериментально (рис. 1.2,б).

Отличие экспериментальной обратной ветви ВАХ диода от теоретической  обусловлено наличием в реальном диоде не только диффузионного тока экстракции, но и дрейфового тока термогенерации, а также возможностью пробоя p-n-перехода. Ток термогенерации протекает вследствие выброса полем p-n-перехода подвижных носителей заряда, появляющихся в p-n-переходе в результате термогенерации.

Схемы исследования прямой и обратной ветви вольт – амперной характеристики выпрямительного диода

Вольт – амперные характеристики исследуемых диодов следует строить как зависимость тока, протекающего через диод, от напряжения, приложенного к диоду. Прямую и обратную ветвь ВАХ следует строить на одном графике в I и III квадрантах соответственно, используя при этом разные масштабы.

Важнейшим фактором в развитии оптических систем и кабелей связи явилось появление оптического квантового генератора - лазера. Слово лазер составлено из первых букв фразы Light Amplification by Emission of Radiation - усиление света с помощью индуцированного излучения. Лазерные системы работают в оптическом диапазоне волн. Если при передачи по кабелям используются частоты - мегагерцы, а по волноводам - гигагерцы, то для лазерных систем используется видимый и инфракрасный спектр оптического диапазона волн (сотни гигагерц).
Исследование полупроводниковых выпрямителей