Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Методичні вказівки до лабораторної роботи № 4
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Управління інформацією
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2013
Тип роботи:
Методичні вказівки до лабораторної роботи
Предмет:
Компонентна база засобів технічного захисту інформації
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
МОДЕЛЮВАННЯ ХАРАКТЕРИСТИК НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ
Методичні вказівки до лабораторної роботи № 4
з навчальної дисципліни:
“Компонентна база засобів технічного захисту інформації”,
для студентів базових напрямків
6.170102 “Системи технічного захисту інформації”
6.170103 “Управління інформаційною безпекою”
Затверджено
на засіданні кафедри
(Захист інформації(
Протокол № 8
від 12 грудня 2013 р.
Львів – 2013
Моделювання характеристик напівпровідникових діодів: Методичні вказівки до лабораторної роботи №4 з навчальної дисципліни: “Компонентна база засобів технічного захисту інформації” /Укл.: Кеньо Г.В. ( Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2013. ( 16 с.
Рецензент: проф., д.т.н. Хома В.В.
Відповідальний за випуск:
проф., д.т.н. Дудикевич В.Б.
1. Мета роботи
Ознайомитися з основними параметрами і характеристиками напівпровідникових діодів, дослідити їх вольт-амперні характеристики. Ознайомитись з випрямними властивостями діода.
2. Завдання
За допомогою графічного редактора системи схемотехнічного моделювання MicroCap 8 ознайомитись з моделями діода та стабілітрона. Отримати та дослідити вольт-амперні характеристики діода та стабілітрона. Дослідити роботу діода у схемі однопівперіодного випрямляча.
3. Теоретичні відомості
Напівпровідниковим діодом називається напівпровідниковий прилад з р-n 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 напі-впровідників, приведених в безпосередній контакт при формуванні р-п-переходу (б)
Якщо джерело зовнішньої напруги під’єднане додатним полюсом до напівпровідника р-типу, а від’ємним до напівпровідника п-типу (рис. 3,а), то така напруга, у якої полярність збігається з полярністю основних носіїв, називається прямою.
Електричне поле Епр, що створюється у р-n–переході прямою напругою, діє назустріч полю Ек контактної різниці потенціалів. Результуюче поле стає слабшим, і різниця потенціалів у переході зменшується, тобто висота потенціального бар’єра знижується, зростає дифузійний струм, оскільки більша кількість носіїв може подолати знижений бар’єр. Струм дрейфу при цьому майже не змінюється. За прямого зміщення Iдиф>Iдр, і тому повний струм через перехід, тобто прямий струм, вже не дорівнює нулю:
Iпр=Iдиф –Iдр >0.
а) б)
Рис. 3. Електронно-дірковий перехід за прямого (а) та зворотного (б) зміщення
Якщо бар’єр значно знижений, то Iдиф>>Iдр, і можна вважати, що Iпр=Iдиф тобто прямий струм в переході є чисто дифузійним.
Введення носіїв заряду через знижений під дією прямої напруги потенціальний бар’єр в область, де ці носії є неосновними, називається інжекцією носіїв заряду. Ділянка напівпровідникового приладу, з якої інжектуються носії, називається емітерною областю, або емітером. А область, в яку інжектуються неосновні для цієї області носії заряду, називається базовою областю або базою. Отже, якщо розглядати інжекцію електронів, то n-область є емітером, а р-область – базою. Для інжекції дірок, навпаки, емітером слугує р-область, а базою – n-область.
За прямої напруги не тільки знижується потенціальний бар’єр, а й зменшується товщина збідненого шару (dпр < d), і його опір в прямому напрямку стає малим (одиниці ( десятки) Ом.
Оскільки висота бар’єра (к за відсутності зовнішньої напруги становить декілька десятих часток вольта, то для значного пониження бар’єра та істотного зменшення опору збідненого шару досить підвести до р-n–переходу таку саму пряму напругу (десяті частки вольта). Тому великий прямий струм можна отримати за дуже невеликого значення прямої напруги.
Очевидно, що за деякої прямої напруги можна взагалі усунути потенціальний бар’єр в р-n–переході. Тоді опір переходу, тобто збідненого шару, стане близьким до нуля, і ним можна буде нехтувати. Прямий струм у такому разі зросте і буде залежати тільки від опору n- і р-областей. Тепер вже цими опорами нехтувати не можна, оскільки саме вони залишаються в колі і визначають значення прямого струму.
Якщо джерело зовнішньої напруги під’єднане додатним полюсом до області n, а від’ємним до області р (рис. 3, б), то під дією такої зворотної напруги Uзв через перехід протікає дуже невеликий зворотний струм Iзв. Поле, що створюється зворотною напругою, додається до поля контактної різниці потенціалів, результуюче поле посилюється, і висота потенціального бар’єра тепер дорівнює (к + Uзв.
Вже за невеликого підвищення бар’єра дифузійне переміщення основних носіїв через перехід припиняється, тобто Iдиф=0, оскільки власні швидкості носіїв недостатні для подолання бар’єра. А струм провідності залишається майже незмінним, оскільки він визначається переважно кількістю неосновних носіїв, що надходять на р-n–перехід з n- і р-областей. Виведення неосновних носіїв через n-р–перехід прискорюючим електричним полем, яке створене зворотною напругою, називають екстракцією носіїв.
Отже, зворотний струм Ізв є струмом провідності, який викликаний переміщенням неосновних носіїв заряду. Зворотний струм є дуже незначним, оскільки неосновних носіїв мало і, крім того, опір збідненого шару за зворотної напруги дуже великий. У разі підвищення зворотної напруги поле в місці переходу стає сильнішим і під дією цього поля більше основних носіїв “виштовхується” з примежових шарів у глибину n- і р-областей. Тому зі зростанням зворотної напруги збільшується не тільки висота потенціального бар’єра, але і товщина збідненого шару (dзв>d). Цей шар ще сильніше збіднюється носіями і його опір значно зростає, тобто Rзв>>Rпр. Оскільки несиметричний р-n-перехід майже повністю розміщений у високоомній базі, то і розширюється він у бік бази.
Вже за порівняно невеликого значення зворотної напруги зворотний струм стає практично незмінним. Це пояснюється тим, що кількість неосновних носіїв обмежена. З підвищенням температури концентрація їх зростає і зворотний струм збільшується, а зворотний опір зменшується.
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.
В напівпровідникових діодах на основі p-n-переходу ділянці з низькою концентрацією домішкових атомів властива зазвичай електронна провідність; її називають базою, а вивід від неї – катодом. Товщина бази значно більша від товщини високолегованої ділянки з дірковою провідністю; її називають емітером, а вивід від неї – анодом. Для вмикання діода у пропускному напрямі на анод подається позитивна напруга. Анод позначають на корпусі діода.
За призначенням напівпровідникові діоди поділяються на випрямні, високочастотні, імпульсні, тунельні, стабілітрони, варикапи, діоди Шоткі та ін. 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)
Основною характеристикою напівпровідникових діодів є вольт-амперна характеристика. Для порівняння на рис.5 подані типові ВАХ германієвого та кремнієвого діодів.
Напівпровідникові діоди є нелінійним приладами; в них опір залежить від напруги або струму, внаслідок чого їх ВАХ не є прямою лінією. Вираз, що описує ВАХ діода з урахуванням впливу опору базової області rб, має вигляд
. (2)
Рис.5. Вольт-амперні характеристики германієвого (1) та кремнієвого (2) діодів
Диференціальний опір у будь-якій точці прямої вітки ВАХ
. (3)
Оскільки тепловий потенціал (Т малий, то вже за невеликого прямого струму виконується нерівність , і опір діода визначається лінійним опором бази rБ. За цих умов експоненціальна залежність прямого струму переходить у лінійну. Такою є основна робоча ділянка характеристики.
Прямий струм дорівнюватиме нулю доти, поки напруга не досягне відповідного значення, за якого струм почне швидко збільшуватись зі збільшенням прикладеної напруги. Напругу, за якої з’являється помітний струм, часто називають пороговою напругою діода. Типові значення цієї напруги для германієвих діодів дорівнюють 0,2(0,3 В, для кремнієвих – 0,6(0,7 В.
Кремнієві діоди мають у багато разів менші зворотні струми за однакової напруги, ніж германієві. Допустима зворотна напруга кремнієвих діодів може досягати 1000(1500 В, а у германієвих вона лежить в межах 100(400 В. Кремнієві діоди можуть працювати за температур –60…+150 (С, а германієві – –60…+85 (С. Разом з тим прямий спад напруги за однакового струму у навантаженні у кремнієвих діодів є більшим, ніж у германієвих. Потужність, що розсіюється всередині германієвого діода є меншою, тому у випрямних пристроях низьких напруг вигідніше застосовувати германієві діоди.
Випрямні 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 p-n-переходів: явище пробою, бар’єрну ємність, наявність ділянки з від’ємним опором та інш. Конструктивно випрямні діоди поділяються на площинні і точкові, а за технологією виготовлення на сплавні, дифузійні та епітаксіальні.
Випрямні 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 .
За високих зворотних напруг напівпровідниковим діодам властивий пробій р-n–переходу – явище різкого збільшення диференціальної провідності р-n–переходу у разі досягнення зворотною напругою (струмом) критичного для конкретного приладу значення. Існують три основні види пробою: тунельний, лавинний і тепловий. Тунельний та лавинний належать до електричних (зворотних) пробоїв, які спричиняються тунельним ефектом чи лавинним розмножуванням носіїв заряду під дією прикладеної напруги. Тепловий пробій (незворотний) пов’язаний зі збільшенням потужності, яка розсіюється на р-n–переході з підвищенням температури у ньому.
Явище електричного пробою 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.6). 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.
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.
Рис.6. ВАХ кремнієвого стабілітрона
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 .
4. Порядок виконання роботи
В системі схемотехнічного моделювання Micro-Cap8 (MC8) вибрати напівпровідниковий діод 1N4001 та ознайомитись з його параметрами.
За допомогою системи MC8 синтезувати схему для дослідження вольт-амперних характеристик напівпровідникового випрямного діода (рис.9,а). Використати джерело струму І1=1мА і джерело постійної напруги V1=10В.
а) б) в)
Рис.9. Схеми дослідження вольт-амперних характеристик діода (а), стабілітрона (б) та випрямних властивостей діода (в)
За допомогою аналізу передавальних характеристик за постійним струмом отримати вольт-амперну характеристику діода D1. З вольт-амперної характеристики визначити порогову напругу, напругу пробою та струм насичення діода.
В системі схемотехнічного моделювання Micro-Cap8 (MC8) вибрати кремнієвий стабілітрона 1N3830 та ознайомитись з його параметрами.
За допомогою системи MC8 синтезувати схему для дослідження вольт-амперних характеристик кремнієвого стабілітрона (рис.9,б). Використати джерело струму I1=1мА.
За допомогою аналізу передавальних характеристик за постійним струмом отримати вольт-амперну характеристику стабілітрона D1. З вольт-амперної характеристики визначити порогову напругу та напругу пробою стабілітрона.
За допомогою системи MC8 синтезувати схему для дослідження випрямних властивостей діода (рис.9.в). Використати джерело сінусоїдальної напруги V1 з частотою f=50Гц та амплітудою А=30 В.
Отримати часові характеристики напруги та струму джерела сигналу та в резисторі навантаження. Використовуючи часові характеристики пояснити випрямні властивості діода.
5. Методичні вказівки
5.1. Моделі діода та стабілітрона
Діоди с системі МС8 вибираються за допомогою таких шляхів в меню: Компоненты/ Analog Primitives/Passive Components/Diode або Компоненты/ Analog Library/Diode (далі в підменю вибрати потрібний тип діода). Стабілітрони – Компоненты/ Analog Primitives/Passive Components/Zener або Компоненты/ Analog PrimitivesLibrary/Diode/Zener.
В атрибуті Part задається ім’я діода у схемі, в атрибуті Model вказується ім’я моделі діода, яку можна вибрати з каталогу справа.
На рис.10 подано вікно задавання параметрів діода.
Рис.10. Вікно задавання параметрів діода
Математична модель діода задається параметрами, більшість з яких вказані у табл..1.
Таблиця 1
Позначення
Параметр
Значення за замовчуванням
Одиниця вимірювання
Level
Тип моделі
1
–
IS
Струм насичення за температури 27(С
10-14
А
RS
О’бємний опір
0
Ом
N
Коефіцієнт емісії (неідеальності)
1
–
ISR
Параметр струму рекомбінації
0
А
NR
Коефіцієнт емісії для струму ISR
2
IKF
Граничний струм за високого рівня інжекції
(
А
TT
Час перенесення заряду
0
с
CJO
Бар’єрна ємність
0
Ф
VJ
Контактна різниця потенціалів
1
В
M
Коефіцієнт плавності р-п-переходу
0,5
–
EG
Ширина забороненої зони
1,11
еВ
FC
Коефіцієнт не лінійності бар’єрної ємності прямо зміщеного переходу
0,5
–
BV
Зворотна напруга пробою (додатна величина)
(
В
IBV
Початковий струм пробою, що відповідає напрузі BV (додатна величина)
10-10
А
NBV
Коефіцієнт не ідеальності на ділянці пробою
1
–
IBVL
Початковий струм пробою низького рівня
0
А
NBVL
Коефіцієнт не ідеальності на ділянці пробою низького рівня
1
–
Стабілітрони мають таку ж модель, як і діоди. При виборі стабілітрона потрібно звертати увагу на параметр моделі BV – напругу зворотного пробою, яка і є фактично напругою стабілізації за зворотного увімкнення стабілітрона.
5.2. Передавальні характеристики за постійним струмом
Для побудови ВАХ діода вибираємо в меню Аналіз/Передаточные характ. по постоянному току і встановлюємо опції і параметри (рис.11,а). Вікно аналізу для дослідження ВАХ стабілітрона подано на рис.11,б.
а)
б)
Рис.11. Вікно аналізу передавальних характеристик за постійним струмом для дослідження ВАХ діода (а) та стабілітрона (б)
6. Вимоги до оформлення звіту
Звіт повинен містити:
1. Назву та мету роботи, постановку задачі дослідження.
2. Умовні графічні позначення діода та стабілітрона.
3. Створені схеми для дослідження ВАХ діода і стабілітрона та дослідження випрямних властивостей діода.
4. ВАХ діода та стабілітрона та визначені з ВАХ параметри (порогова напруга, напруга пробою, струм насичення).
5. Осцилограми напруги в джерелі сигналу та напруги та струму в резисторі навантаження.
6. Висновки про особливості ВАХ діодів та стабілітронів.
7. Висновки про випрямну дію діодів.
Контрольні запитання та завдання
Розкажіть про конструкцію, маркування та умовне позначення напівпровідникових діодів. Поясніть вентильну дію п-р переходу.
Побудуйте і поясніть вольт-амперну характеристику напівпровідникового діода. Якими параметрами характеризуються випрямні діоди?
Як впливає температура навколишнього середовища на характеристики і параметри напівпровідникових діодів?
Що таке ємність р-п 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?
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.
«Електроніка та мікросхемотехніка»: Навч. посібник. Ч.1. Електроніка. / В.Б. Дудикевич, Г.В. Кеньо, І.В. Петрович – Серія «Дистанційне навчання».
Амелина М.А. Конспект лекций по курсу «Компьютерный анализ и синтез электронных устройств» Пакет программ схемотехнического анализа MicroCap-8. Смоленск. – 2006. 135 с.
Укладач: доцент кафедри захисту інформації
к.т.н. Кеньо Галина Володимирівна
04.03.2016 01:03-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора