Теоретические сведения

Б1.О.22 ЭЛЕКТРОНИКА

Методические указания

к выполнению лабораторных работ по дисциплине

                                                                                                                                       

 

Направление подготовки

Агроинженерия

 

 

Профиль подготовки

Электрооборудование и электротехнологии

 

Квалификация выпускника

Бакалавр

 

Уфа 2019

УДК 621.3

ББК 31.2

 М 54

 

 

        

 

Рассмотрена и одобрена на заседании методической комиссии энергетического факультета «28» марта 2018 г. (протокол № 8/1).

 

Составитель: канд. техн. наук, доцент Ярмухаметов У.Р.

                           

 

Рецензент: доцент кафедры теплоэнергетики и физики

                канд. техн. наук, доцент Инсафуддинов С.З.

 

 

Ответственный за выпуск: и.о. зав. кафедрой электрических машин и

электрооборудования канд. техн. наук Акчурин С.В.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

Введение	4
1  Лабораторная работа № 1. Исследование полупроводниковых диодов и стабилитронов	5
2  Лабораторная работа № 2. Исследование одиночных усилительных каскадов на транзисторах	13
3 Лабораторная работа № 3. Исследование операционных усилителей	20
4  Лабораторная работа № 4. Исследование выпрямителей и сглаживающих фильтров	25
5  Лабораторная работа № 5. Исследование импульсных устройств	29
Библиографический список	46

ВВЕДЕНИЕ

 

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине Б.1.О.22 «Электроника» призваны способствовать освоению рабочей программы по указанной дисциплине.

Структура методических указаний включает пять разделов, каждый из который отражает содержание соответствующей лабораторной работы.

Тематика лабораторных занятий полностью соответствует содержанию рабочей программы дисциплины Б1.О.22 «Электроника» для подготовки бакалавров по направлению 35.03.06 Агроинженерия, профилю подготовки «Электрооборудование и электротехнологии».

Перед началом цикла лабораторных работ обучающиеся проходят первичный инструктаж по требованиям безопасности.

 

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ И СТАБИЛИТРОНОВ

 

1.1 Цель и программа работы

Целью работы является получение навыков снятия вольтамперных характеристик (ВАХ) диодов и стабилитронов.

Программа работы:

1) Изучение лабораторной установки и сборка схем для исследования диода и стабилитрона.

2) Снятие отсчетов для построения ВАХ диода и стабилитрона.

3) Обработка полученных результатов и построение ВАХ элементов.

4) Оформление отчета по работе и ответы на контрольные вопросы.

 

 

Теоретические сведения

1.2.1 Устройство и принцип действия полупроводникового диода

Полупроводниковый диод [от греческого di - двойной и (электр)од]- двухэлектродный электронный прибор, изготовленный на основе полупроводникового кристалла и имеющий одностороннюю проводимость [1]. Применяется в электрической и электронной аппаратуре для выпрямления переменного тока, детектирования, преобразования частоты, переключения цепей и др. Наиболее распространены полупроводниковые диоды на базе p-n перехода.

Основными исходными полупроводниковыми материалами из которых изготавливаются диоды (и иные полупроводниковые приборы) являются [1]:

Si – кремний и его соединения (для большей части п-п приборов);

Ge – германий и его соединения;

Ga – галлий и его соединения;

In – индий и его соединения.

Если к электродам диода приложить прямое напряжение (см. рисунок 1.1, а) - т.е подключить к аноду (электроду, соединенному с областью p-типа) "+", а к катоду (электроду, соединенному с областью n-типа)"–" источника напряжения, то через диод потечет большой прямой ток. Упрощенно, механизм данного явления заключается в том, что под воздействием приложенного электрического поля положительно заряженные основные носители p-области (дырки) будут двигаться в направлении от анода к катоду, а отрицательно заряженные основные носители n-области (электроны) наоборот – от катода к аноду. Таким образом, основные носители обеих областей будут концентрироваться вблизи p-n перехода. Если энергия этих носителей (определяемая напряженностью электрического поля в области p-n перехода) будет выше величины энергетического барьера p-n перехода, то начнется процесс встречной диффузии основных носителей: дырок – в n-область, электронов – в p-область. При этом в области p-n перехода будет происходить рекомбинация этих носителей, а через диод потечет прямой ток, ограниченный, практически, лишь омическим сопротивлением областей p- и n-типа.

Если к электродам диода приложить обратное напряжение (см. рисунок 1, б), т.е подключить к аноду "–", а к катоду  "+" источника напряжения, то под воздействием приложенного электрического положительно заряженные основные носители p-области (дырки) сконцентрируются вблизи анода, а отрицательно заряженные основные носители n-области (электроны) – вблизи катода. Таким образом, в области p-n перехода практически не будет основных носителей и ток через диод протекать не будет. Реально, через диод все же будет протекать небольшой ток, обусловленный наличием в материале полупроводника неосновных носителей (дырок в области n-типа и электронов в области p-типа). Более подробно особенности протекания тока через диод рассмотрены ниже.

 

а                                                             б

 

Рисунок 1.1 Схемы включения диода:

а - прямое включение; б - обратное включение

 

1.2.2 Вольтамперная характеристика полупроводникового диода

Вольтамперная характеристика (ВАХ) (в статическом режиме)— это зависимость тока I, протекающего через диод, от напряжения U, приложенного к диоду [2]. Вольтамперной характеристикой называют и график этой зависимости.

В первом приближении можно считать, что ВАХ диода определяется идеализированным описанием характеристики р-n-перехода [3]:

                                        _U

              I = I_s · ( e ^φ _T - 1),                                                 (1.1)

где I _S – тепловой ток (ток насыщения – saturation current (англ.)), обусловленный генерацией неосновных носителей в областях, прилегающих к области p-n-перехода;

φ _T = kT / q – потенциал Ферми (температурный потенциал)           (1.2)

k – постоянная Больцмана (k = 1,38·10^-23 Дж/К = 8,62·10^-5 эВ/К);

T – абсолютная температура, К;

q – элементарный заряд (q = 1,6·10^-19 Кл;

Для кремния, при температуре +27^оС (300 ^оК) – φ _T.≈ 0,026 В.

Однако часто это идеализированное описание дает неприемлемую погрешность. Особенно большая погрешность возникает при вычислении тока диода, включенного в обратном направлении ( U <0, / I <0 ). Вычисленный по рассматриваемому выражению ток (I = - Is, при | U | >> φ _T) для кремниевых диодов оказывается на несколько порядков меньше реального. Cледует отметить,  что в некоторых практических расчетах обратным током вообще можно пренебречь.

Прямая ветвь ВАХ реального диода (U > 0, I > 0) отличается от идеализированной из-за того, что на нее влияют: а)сопротивления слоев полупроводника; б)сопротивления контактов металл-полупроводник. Влияние указанных сопротивлении приводит к тому, что напряжение на реальном диоде при заданном токе несколько больше (обычно на доли вольта), чем это следует из формулы.

Обратная ветвь ВАХ реального диода (U < 0, I < 0). Основные причины того, что реально обратный ток обычно на несколько порядков больше тока Is, следующие: а) термогенерация носителей непосредственно в области p-n-перехода; б)поверхностные утечки.

Термогенерация в области p-n-перехода оказывает существенное влияние на ток потому, что область перехода обеднена подвижными носителями заряда, и процесс рекомбинации (обратный процессу генерации и в опреде­ленном смысле уравновешивающий его) здесь замедлен.

При комнатной температуре для кремниевых приборов ток термогенерации обычно существенно превышает тепловой ток Is.

Для ориентировочных расчетов можно считать, что с повышением температуры ток Is удваивается примерно на каждые 5°С, а ток термогенерации удваивается примерно на каждые 10°С. При температуре около 100°С ток Is сравнивается с током термогенерации.

Поверхностные утечки часто составляют подавляющую долю обратного тока. Их причинами являются: а)поверхностные энергетические уровни, обеспечивающие активные процессы генерации и рекомбинации; б)молекулярные и ионные пленки, шунтирующие p-n-переход.

При увеличении модуля обратного напряжения ток утечки вначале изменяется линейно, а затем более быстро. Ток утечки характеризуется так называемой «ползучестью» — изменением в течение времени от нескольких секунд до нескольких часов.

При практических ориентировочных расчетах иногда принимают, что общий обратный ток кремниевого диода увеличивается в 2 раза или в 2,5 раза на каждые 10°С.

Типовая вольт – амперная характеристика полупроводникового диода приведена на рисунке 1.2 [2].

Рисунок 1.2 Типовая ВАХ диода