Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інструкція до лабораторної роботи № 3
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Управління інформацією
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2011
Тип роботи:
Інструкція до лабораторної роботи
Предмет:
Схемотехніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
ДОСЛІДЖЕННЯ ПРИЛАДІВ НА ОСНОВІ P-N ПЕРЕХОДІВ
Інструкція до лабораторної роботи № 3
з навчальної дисципліни: “Схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації”, ч.1
для студентів базових напрямків
6.170102 “Системи технічного захисту інформації”,
6.170103 “Управління інформаційною безпекою”
Затверджено
на засіданні кафедри
(Захист інформації(
Протокол № від 2011 р.
Львів – 2011
Дослідження приладів на основі p-n переходів: Інструкція до лабораторної роботи №3 з дисципліни: “Схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації”, ч.1/ Укл.: Кеньо Г.В. ( Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2011. ( 20 с.
Укладач Кеньо Г.В., к. т. н., доц.
Відповідальний за випуск Дудикевич В.Б., д.т. н., проф.
Рецензенти:
МЕТА РОБОТИ
Ознайомитися з основними параметрами і характеристиками напівпровідникових діодів і дослідити їх вольт-амперні характеристики.
ТЕОРЕТИЧНИЙ ВСТУП
Напівпровідниковим діодом називається напівпровідниковий прилад з n-р переходом, який має два виводи. Основною властивістю напівпровідникового діода є одностороння провідність, властива n-р переходу. Електронно-дірковий перехід (р-п-перехід) – це електричний перехід між двома ділянками напівпровідника, одна з яких має електропровідність n-типу, а друга – р-типу. Електронно-дірковий перехід має несиметричну провідність, тобто має нелінійний опір.
Уявимо собі два напівпровідники, один з яких має електронну, а другий діркову провідності (рис.1,а). Вважаємо, що такі напівпровідники є ділянками єдиного кристала (рис.1,б). Тоді за законом дифузії електрони з п-області будуть переходити в р-область, а дірки навпаки, тобто із місць, де носіїв певного знаку є більше у місця, де їх менше. Зустрічаючись на межі п- і р-ділянок, дірки і електрони рекомбінують. Отже, у цій примежовій ділянці оголюються нескомпенсовані заряди нерухомих іонів. Ця ділянка нескомпенсованих нерухомих зарядів і є ділянкою р-п-переходу, яку ще називають збідненим шаром або ділянкою об’ємного заряду. Питома електрична провідність р-п-переходу буде набагато меншою, ніж у п- і р-ділянках напівпровідника. У збідненому шарі майже немає вільних носіїв заряду, тому його ще називають запірним шаром.
а б
Рис.1. Напівпровідники п- і р-типів (а); утворення р-п-переходу (б).
На рис.2 подано утворення потенціального бар’єру при формуванні р-п-переходу. Якщо обидві ділянки напівпровідника перебувають у рівновазі, рівень Фермі повинен бути однаковим у межах всієї системи. Потенціальний бар’єр, що утворюється між ділянками напівпровідника з різним типом провідності, дорівнює початковій різниці між рівнями Фермі у розділених ділянках напівпровідника. Таким чином, між протилежними об’ємними зарядами, що утворилися, виникає контактна різниця потенціалів (к=() і електричне поле Ек.
Потенціальний бар’єр перешкоджає подальшому дифузійному переходу носіїв із ділянки в ділянку. Потрібно зазначити, що об’ємні заряди різних знаків виникають поблизу межі п- і р-ділянок, а додатний потенціал (n або від’ємний потенціал (p створюється однаковим по всій ділянці n або p. Якщо б у різних частинах ділянки n або p потенціал був би різним, тобто була б різниця потенціалів, то виник би струм, внаслідок якого все одно сталося б вирівнювання потенціалу у цих ділянках.
а) б)
Рис.2. Зонна діаграма розділених напівпровідників п- і р-типу (а);
і цих же напівпровідників, приведених в безпосередній контакт при формуванні р-п-переходу (б)
Електронно-діркові переходи широко використовуються як складові частини напівпровідникових приладів(в тому числі діодів), а тому визначають їх вхідні та вихідні параметри. Для оцінки р-n-переходу важливою характеристикою є залежність між напругою, що діє на електродах приладу, і струмом, що протікає через перехід, тобто вольт-амперна характеристика (ВАХ).
Рівняння ВАХ ідеалізованого р-n-переходу має вигляд:
, (1)
де І0 – струм насичення або тепловий струм,; (Т – тепловий потенціал.
Тепловий струм залежить від типу матеріалу, з якого виготовлений p-n-перехід, ступеня легування матеріалу домішками і температури. Тепловий струм p-n-переходу, який виготовлений на основі кремнію, на п’ять-шість порядків менший від теплового струму переходу, який виготовлений на основі германію.
Вольт-амперна характеристика ідеалізованого p-n-переходу у відносних одиницях наведена на рис.3.
Рис.3. Вольт-амперна характеристика ідеалізованого p-n-переходу
Усі напівпровідникові діоди поділяють на дві групи: випрямляючі і спеціальні. Умовне позначення деяких типів напівпровідникових діодів подано на рис.4.
Рис.4. Умовні позначення діодів: випрямний (високочастотний, імпульсний) (а); стабілітрон (б); варикап (в); тунельний (г); обернений (д).
Випрямляючі діоди призначені для випрямлення змінного струму. У залежності від частоти і форми змінної напруги вони поділяються на високочастотні, низькочастотні та імпульсні. Спеціальні напівпровідникові діоди використовують різноманітні властивості n-р переходів: явище пробою, бар’єрну ємність, наявність ділянки з від’ємним опором та інш. Конструктивно випрямляючі діоди поділяються на площинні і точкові, а за технологією виготовлення на сплавні, дифузійні та епітаксіальні. Точкові діоди мають малу площу n-р переходу і, відповідно, малу його ємність (переважно менше 1 пФ) і застосовуються для випрямлення малих струмів, як низьких так і високих частот. Принцип побудови точкового діода пояснюється за допомогою рис.5. Тонкий загострений провідник, на кінчик якого нанесені домішки, приварюється за допомогою імпульсу струму до пластини напівпровідника з певним типом електропровідності. При цьому з провідника в основний напівпровідник дифундують домішки створюючи область з іншим типом електропровідності. Таким чином біля провідника утворюється n-р перехід дуже малої площі. Точкові діоди переважно виготовляють з напівпровідника n-типу з порівняно великим питомим опором. Застосування герметичної оболонки (скляної, керамічної або металевої) забезпечує стабільність і довговічність точкових напівпровідникових діодів. Германієві і кремнієві точкові діоди випускаються з граничними зворотними напругами до 150 В і максимальним випрямленим струмом до 100 мА. Крім детектування радіосигналів на частотах до декількох сотень мегагерц, точкові напівпровідникові діоди використовуються для перетворення частоти, а також успішно працюють на низьких частотах у вимірювальній радіоапаратурі, в пристроях автоматики, а також широко застосовуються для інших цілей.
Найширшу групу напівпровідникових діодів складають площинні діоди, в яких n-р перехід формується методом вплавлювання або шляхом дифузії домішкових речовин в об'єм пластини напівпровідника (рис.6).
Сплавний площинний перехід формується в результаті вплавлення в напівпровідникову монокристалічну пластину електрода, який містить донорні або акцепторні домішки. Наприклад, у пластину германія n-типу вплавляють каплю індію, яка, сплавлюючись з германієм, створює шар германію р-типу. Область з електропровідністю р-типу має більш високу концентрацію домішок, ніж основна пластина германію, і тому є емітером. Сплавним методом формують так звані різкі, або сходинчаті переходи.
Площинні діоди мають n-р переходи великої площі, тому можуть використовуються для випрямлення великих струмів. Матеріалом для таких діодів переважно служить германій, кремній або арсенід галію. Бар'єрна ємність у площинних діодів зазвичай є більшою, ніж у точкових, тому їх застосування обмежується більш низькими частотами. У залежності від площі n-р переходу і опору напівпровідника площинні напівпровідникові діоди можуть працювати як випрямлячі різних струмів і напруг, починаючи від детектування слабких радіосигналів, закінчуючи випрямленням змінного струму промислової частоти при напрузі в сотні і тисячі вольт і струмах у десятки і сотні ампер.
Низькочастотні площинні випрямляючі діоди, призначені для випрямлення змінного струму з частотою до 50 кГц. Ці діоди застосовуються у випрямляючих пристроях для живлення різноманітної апаратури. Іноді їх називають силовими діодами. Випрямляючі діоди поділяються на діоди малої, середньої і великої потужності, що відповідає граничним значенням випрямленого струму до 300 мА, від 300 мА до 10 А і вище 10 А. Всі параметри діодів переважно нормуються при температурі оточуючого середовища 20(5 оС.
Випрямляючі діоди характеризуються такими основними параметрами:
максимальне середнє значення випрямленого струму Іпр.ср.;
спад напруги на діоді при певному значенні прямого струму Uпр ;
максимальна зворотна напруга Uзв ;
максимальний зворотний струм при певному значенні зворотної напруги Ізв. ;
гранична частота fмакс.;
ємність діода Сд .
Явище електричного пробою, що описувалось для звичайних діодів корисно використовується у кремнієвих площинних діодах, які отримали назву кремнієвих стабілітронів, або опорних діодів.
Нормальним режимом роботи стабілітронів є робота за зворотної напруги, що відповідає зворотному електричному пробою р-n-переходу. Ефект Зенера і лавинний механізм електричного пробою р-n-переходу спостерігаються як у кремнієвих, так і у германієвих діодів.
Найважливішою характеристикою стабілітрона є його вольт-амперна характеристика (рис.7). У прямому напрямку ВАХ стабілітрона практично не відрізняється від прямої вітки будь-якого кремнієвого діода. Зворотна її вітка має вигляд практично прямої вертикальної лінії, яка проходить майже паралельно осі струмів. Тому при зміні в широких межах струму спад напруги на приладі практично не змінюється. Ця властивість кремнієвих стабілітронів дозволяє використовувати їх у стабілізаторах напруги.
Рис.7. ВАХ кремнієвого стабілітрона.
Оскільки електричний пробій наступає за порівняно низької зворотної напруги, потужність, що виділяється в р-n-переході навіть за значних зворотних струмів, буде невеликою, що запобігає виникненню теплового пробою. Перевищення гранично допустимого зворотного струму стабілітрона призводить, як і у звичайних діодах, до виходу приладу з ладу.
Основними параметрами кремнієвих стабілітронів є:
напруга стабілізації Uст;
мінімальний струм стабілізації Іст.;
максимальний струм стабілізації Іст.;
диференціальний опір rст ;
максимальна потужність розсіювання Рmax;
температурний коефіцієнт напруги стаблізації (ст .
Тиристор – це напівпровідниковий прилад з двома стійкими станами, який має три (або більше) випрямних переходи, і може перемикатись із закритого стану у відкритий і навпаки. Тиристор відноситься до класу чотиришарових напівпровідникових приладів, які складаються із чотирьох ділянок з провідністю n- і р-типу, що послідовно чергуються одна за одною. Умовне графічне позначення тиристорів подано на рис.8.
Тріодний тиристор (тріод-тиристор, триністор) – це напівпровідниковий прилад, що являє собою чотиришарову структуру типу n-р-n-р (або р-n-р-n), яка має виводи від двох крайніх ділянок і від однієї внутрішньої (базової ділянки). Такі прилади називають також керувальними перемикальними діодами (рис.8,б).
а) б) в) г)
Рис.8. Умовне графічне позначення тиристорів
Схематичні зображення чотиришарових структур подані на рис.9. У цих структурах крайні електронно-діркові переходи називаються емітерними, середній перехід – колекторним, внутрішні ділянки структури, що лежать між переходами, називаються базами, а зовнішні – емітерами. Електрод, що забезпечує електричний зв’язок із зовнішньою n-ділянкою, називається катодом, а із зовнішньою р-ділянкою – анодом. У тріод-тиристорі з внутрішньою р-ділянкою (р-базою) з’єднаний керувальний електрод.
а) б)
Рис.9. Чотиришарові структури діодного (а) та тріодного (б) тиристорів
Тиристор при подаванні на нього прямої напруги може перебувати у двох стійких станах – закритому та відкритому.
Закритий стан тиристора відповідає ділянці ВАХ між нульовою точкою і точкою перемикання . Точкою перемикання називають точку на ВАХ, у якій диференціальний опір дорівнює нулю, а напруга на тиристорі досягає максимального значення. У закритому стані до тиристора може бути прикладена велика напруга, а струм при цьому буде малим.
Відкритий стан тиристора відповідає низьковольтній та низькоомній ділянці прямої вітки ВАХ. Між першою та другою ділянками ВАХ існує перехідна ділянка, яка відповідає нестійкому стану тиристора. Особливо проявляється нестійкість за відносно малого опору в зовнішньому колі тиристора. Тоді перемикання тиристора із закритого стану у відкритий визначається зазвичай малим опором навантаження.
У відкритому стані тиристор буде перебувати доти, поки за рахунок струму, що протікає через структуру, буде підтримуватись надлишковий заряд у базах, необхідний для зміщення колекторного переходу в прямому напрямку. Таким чином, утримувальний струм тиристора – це мінімальний струм, який необхідний для підтримування тиристора у відкритому стані.
Різновидами тиристорних структур є тиристори, провідні у зворотному напрямку (рис.8,в) і симістори (рис.8,г).
Тиристор, провідний у зворотному напрямку, – це тиристор, який за від’ємної анодної напруги виявляється відкритим у зворотному напрямку.
Симетричні тиристори, або симістори – це тиристори, що мають структуру n-р-n-р-n або р-п-р-п-р, і які відкриваються за будь-якої полярності напруги, і проводять струм в обох напрямках.
Симетричний діодний тиристор (діак) – це діодний симістор, здатний перемикатись як у прямому, так і у зворотному напрямку.
Симетричний тріодний тиристор (тріак) – це тріодний симістор, який при подаванні сигналу на його керувальний електрод вмикається як у прямому, так і у зворотному напрямку.
ВАХ різновидів тиристорних структур подані на рис.10.
а) б) в)
Рис.10. ВАХ тиристора, провідного у зворотному напрямку (а);
діака (б); тріака (в)
Параметри чотиришарових приладів можуть сильно
Основні параметри тиристорів є такими.
Напруга вмикання.
Струм вмикання Івкл.
Струм вимикання (струм утримання) Івикл (Іутр ).
Струм управління (керування) Іупр .
Струм втрат І0 .
Залишкова напруга Uзал.
Максимально допустима пряма напруга Uпр mах.
Максимально допустима зворотна напруга Uзв mах.
Час вмикання.
Час вимикання.
ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ
Синтезувати схему, рис.11.а), за допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8(MC8). Використати джерело струму J1=1мА і джерело постійної напруги Е1=10В. Зняти вольт-амперну характеристику діода D1- 1N4001 .
Синтезувати схему, рис.11.б), за допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8(MC8). Використати джерело струму J1=1мА і джерело постійної напруги Е1=10В. Зняти вольт-амперну характеристику транзистора Q1 – BC107A в діодному включенні.
Синтезувати схему, рис.11.в), за допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8(MC8). Використати джерело струму J1=1мА. Зняти вольт-амперну характеристику стабіліторна D1 – 10BQ015_IR.
Синтезувати схему, рис.11.г), за допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8(MC8). Використати джерело сінусоїдальної напруги Е1 з частотою f=50Гц та амплітудою А=31.4 . Зняти часові характеристики діода D1 – 1N4009 : V(1)=f(T), V(2)=f(T), I(R1)=f(T). Використовуючи часові характеристики пояснити випрямляючі властивості діода.
Синтезувати схему, рис.11.д), за допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8(MC8). Використати джерело постійного струму J1(VALUE=PULSE 15000m -150m 0.7 1 2 3) . Зняти вольт-амперну характеристику тиристора VS1. За допомогою ВАХ визначити напругу включення та струм утримання тиристора.
Синтезувати схему, рис.11.е), за допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8(MC8). Використати джерело постійного струму J1(VALUE=PULSE 15000m -150m 0.7 1 2 3), а також J2=250мА . Зняти часові характеристики тиристора: V(1)=f(T), V(2)=f(T). Зняти вольт-амперну характеристику тиристора VS1. За допомогою ВАХ визначити напругу включення та струм утримання тиристора.
Використовуючи файл diac1.cir з системи Micro-Cap8(MC8), рис.11.є), отримати схему включення симістра. Зняти вольт-амперну характеристику симістора.
а) б)
в) г)
д) е)
є)
Рис.11. Схеми дослідження різних видів приладів, які побудовані на основі р-n переходів:а) діод, б) транзистор в діодному включенні, в) стабілітрон, г)випрямляючих властивостей діода, д)тиростор в діодному включені, е)тиростор керований катодом, є)симістор.
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
Елементи в схему можна вибирати двома способами:
за допомогою панелі інструментів , щоб вибрати елемент, наприклад діод, необхідно навести курсор на піктограму і лівою кнопкою миші клацнути по ній, після чого можна розміщати резистор у будь-якому місці робочого вікна;
вибрати у рядку інструментів Компоненты рис.12., відриється вікно у якому вибирають елементи, наприклад p-n-p транзистор, і розміщають у будь-якому місці робочого вікна.
Рис.12. Вікно вибору Компоненты .
Стабілітрон вибираємо в розділі Компоненты рис.13. Один із способів вибору різного роду тиристорів показаний на рис.14. В даному випадку параметри тиристора задамо у вигляді моделі VALUE=SCR(400m, 50m, 0.8u, 1, 15, 100MEG, 11u, 6,8).
Рис.13. Вибір стабілітрона.
Рис.14. Визначення різних тиристорів.
Вибрати джерело живлення можна, наприклад, таким шляхом – зайти в Компоненты і вибрати Analog Primitives. Після того як відкриється вікно вибрати джерела живлення різного призначення, наприклад Waveform Sources. В цьому розділі вибираємо джерело живлення необхідне для реалізації схеми, наприклад для 11а), 11б) і 11в) використовуємо джерела типу ISource і Voltage Source див рис.15,16.
Рис.15. Вибір параметрів джерела струму.
Рис.16. Вибір параметрів джерела постійної напруги.
Для дослідження випрямляючих властивостей діодів необхідно задіяти джерело напруги синусоїдальної форми. Для цього відкриємо вікно Waveform Sources і виберемо Sine Source і задаємо тип моделі SIN, а також частоту F=50 і амплітуду А=34.1 сигналу рис.17.
Рис.17. Вибір параметрів джерела напруги.
Оскільки тиристор в основному використовується як електронний перемикач, то для дослідження характеристик у схемах 11д) та 11е) використовуємо імпульсне джерело живлення. Для цього заходимо в розділ Waveform Sources і вибираємо Current Source, де можна задати параметри імпульсу, наприклад, див рис. 18. Джерело J2 в схемі 11е) вибираємо типу ISource і задаємо струм – 250мА.
Для побудови ВАХ вибираємо в основному меню Аналіз/Передаточные характ. по постоянному току і встановлює опції і параметри рис.19.
Рис.18. Вибір параметрів імпульсного джерела струму.
Рис.19. Вікно аналіз/передаточные характ. по постоянному току.
Якщо необхідно провести аналіз вхідних та вихідних характеристик, наприклад для схеми 11д), для цього виберемо з меню команд Анализ/Переходные процессы. Задамо параметри аналізу рис.20, де діапазон часу – 0.1с, по осі Х(XExpression) задаємо час Т, по осі Y(YExpression) задаємо номери вузлів у яких ми хочемо отримати значення величини сигналу в вольтах(наприклад v(1) і v(2)).Мінімальні та максимальні значення величин по осях X таY(XRange та YRange) при першому запуску рекомендується встановити Auto, оскільки нам невідомо верхня межа значень напруги у заданих вузлах.
Рис.20. Вікно аналіз перехідних процесів.
Після натискання кнопки Запуск ми отримаємо на екрані віртуальні залежності напруги від часу в заданих вузлах схеми. Використавши з панелі інструментів отримаємо значення напруги у будь-якій точці графіка , в даному випадку напруга = 1.4В.
Дослідження характеристик тиристорів схеми 11д) і 11е) використовуємо параметри подані на рис.21 для реєстрації ВАХ тиристора та рис.22 для того щоб отримати часові залежності V(1)=f(T), V(2)=f(T) і ВАХ тиристора керованого катодом.
Рис.21. Вікно аналіз ВАХ тиристора.
Рис.22. Вікно аналіз перехідних процесів тиристора керованого катодом.
Контрольні запитання та завдання
Розкажіть про конструкцію, маркування та умовне позначення напівпровідникових діодів.
Поясніть вентильну дію п-р переходу.
Які особливості точкових і площинних напівпровідникових діодів?
Побудуйте і поясніть вольт-амперну характеристику напівпровідникового діода.
Якими параметрами характеризуються випрямляючі напівпровідникові діоди?
Як впливає температура навколишнього середовища на характеристики і параметри напівпровідникових діодів?
Що таке ємність п-р переходу і як вона залежить від значення прикладеної напруги?
Як вмикаються напівпровідникові діоди, якщо робоча напруга перевищує допустиму зворотну напругу одного діода?
Як вмикаються напівпровідникові діоди, якщо робочий струм перевищує допустимий струм одного діода?
Назвіть переваги і недоліки напівпровідникових діодів у порівнянні з вакуумними.
Розкажіть про застосування напівпровідникових діодів у випрямляючих схемах.
РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА
Разевиг В.Г. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap 6.- М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 344 с., ил.
Кардашов Г.А. Виртуальная електроника. Компьютерное моделирование аналогових устройств.- М.: Горячая линия – Телеком, 2006. – 260 с., ил.
Бойко В.И. и др.. Схемотехника электронных систем. Аналоговые ы импульсные устройства.- СПб.: БХВ-Петербург, 2004.-496 с., ил.
Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемотехніка: Підручник / За ред. А.Г. Соскова - К.: Каравела, 2006. - 384 с.
Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум: Навч. посіб. / За ред. А.Г. Соскова. 2-е вид. - К.: Каравела, 2004. - 432 с.
21.03.2013 18:03-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора