Физика примеры решения задач Электротехника Задачи и лабораторные работы Математика примеры решения задач Вычислить интеграл Информатика Компьютерные сети Компьютерная математика
Исследование полевых транзисторов Исследование биполярных транзисторов Полупроводниковые выпрямители Электронный усилитель на транзисторах Лабораторная работа Исследование стабилитронов Исследование варикапов

Методические указания лабораторные работы по электронике

Зонная структура полупроводнков

Сближение атомов в твердом теле на расстояние порядка размеров самих атомов приводит к тому, что внешние (валентные) электроны теряют связь с определённым атомом — они движутся по всему объему кристалла, вследствие чего дискретные атомные уровни энергии расширяются в полосы (энергетические зоны). Зоны разрешенных энергий могут быть отделены друг от друга зонами запрещенных энергий, но могут и перекрываться. Глубинные атомные уровни расширяются незначительно, уровни, соответствующие внешним оболочкам атома, расширяются настолько, что соответствующие энергетические зоны обычно перекрываются. Индивидуальность зон, однако, сохраняется: состояния электронов с одной и той же энергией, но принадлежащие разным зонам, различны.

Рис.1. Расщепление энергетических уровней в кремнии

В соответствии с принципом Паули в каждом энергетическом состоянии может находиться не более двух электронов. Поэтому в каждой энергетической зоне кристалла может поместиться не более 2N электронов, где N — число уровней в зоне, равное числу элементарных ячеек кристалла. При Т = 0 К все электроны занимают наиболее низкие энергетические состояния.

Существование с различными электрическими свойствами связано с характером заполнения электронами энергетических зон. Если все зоны либо полностью заполнены электронами, либо пусты, то такие вещества не проводят электрического тока, то есть являются диэлектриками (рис. 2, а). Тела, имеющие зоны, частично заполненные электронами, — проводники электрического тока — металлы (рис. 2, б).

Полупроводники представляют собой диэлектрики (нет частично заполненных зон при Т=0 К) со сравнительно малой шириной запрещенной зоны между последней заполненной (валентной) зоной и первой свободной — зоной проводимости, (рис. 2, в). Наличие дефектов и примесей в кристалле приводит к возникновению дополнительных (примесных) энергетических уровней, располагающихся в запрещенной зоне. У полупроводников эти уровни часто расположены очень близко либо от валентной зоны (рис. 2, д), либо от зоны проводимости (рис. 2, г).

Вещества с аномально малым перекрытием валентной зоны и зоны проводимости называется полуметаллами (например, у Bi ширина перекрытия ~ 10-5 ширины зоны).

Существуют бесщелевые полупроводники, у которых зона проводимости примыкает к валентной (например, сплавы Bi — Sb, Hg — Те с определённым соотношением компонент).

Рис.2. Зонные диаграммы

Возбуждение электронной системы кристалла заключается в приобретении электроном энергии, благодаря чему он оказывается в зоне проводимости, где в основном состоянии электрона не было. Одновременно возникает свободное место (дырка) в валентной зоне, занятой электронами в основном состоянии. Так как электрон и дырка движутся независимо, то их следует считать различными квазичастицами. Другими словами, возбуждение электронной системы заключается в рождении пары квазичастиц — электрона проводимости и дырки.

При Т > 0 К тепловое движение выбрасывает часть электронов из валентной зоны в зону проводимости (т. е. разрушает часть химических связей).

Носители тока в полупроводниках сосредоточены, как правило, в довольно узких областях энергий: электроны - вблизи нижнего края (дна) зоны проводимости Ec, на энергетических расстояниях ~kT от неё, дырки - в области такой же ширины вблизи верхнего края (потолка) валентной зоны Ev.

Стабилитрон

В основе работы стабилитрона лежит явление обратимого электрического пробоя, имеющего место на участке АВ обратной ветви ВАХ (рис. 4.2 а). Обозначение на схемах таких диодов приведено на рис. 4.2 б. Помимо указанных в лабораторной работе № 2, к основным параметрам стабилитрона относится также его дифференциальное сопротивление rдиф=dU/dI на участке АВ (рис.4.2 а). Номинальные значения напряжений и токов стабилизации современных стабилитронов Ucт ном и Icт ном лежат в пределах: Ucт ном=(1÷1000) B, Icт ном=(0,002÷2) A.

Стабилитроны чаще всего используются в схемах стабилизаторов напряжения, простейшая схема одного из которых представлена на рис. 4.2 в. В данной схеме нагрузка Rн подключена параллельно стабилитрону VD, а ограничительный резистор Rогр позволяет задать через него величину необходимого тока. Величина сопротивления Rогр определяется выражением


(4.6)

Варикап

<Варикапом называется полупроводниковый диод, применение которого основано на использовании зависимости его емкости от величины обратного напряжения. Такая зависимость называется вольт-фарадной характеристикой. Примерный вид такой характеристики и условное обозначение варикапа на принципиальных электрических схемах показаны на рис.4.3 а, б)

<

Расчетное задание

Рассчитать по (4.2) согласно заданному варианту ВАХ идеализированного p-n-перехода для значений g=1 и g=2. Величина обратного тока насыщения при комнатной температуре равна I0=10-15А, а температурный потенциал jT=25×10-3 В. Напряжение на переходе изменять в пределах от –100 В до +0,8 В.

 

Таблица 4.1

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

 

Диод

Д

226Б

Д

226В

Д

226Г

Д

226Д

Д

220

Д

220

Д

311

Д 7А

Д

 

Е, В

9

10

11

12

4,5

5

5.5

6

6,5

 

Rн, Ом

560

510

470

430

З60

430

470

160

180

 

По данным расчета при g=1 и g=2 для каждого случая построить графики I=j(U) (не менее 7 точек для прямой и обратной ветвей).

 

Таблица 4.2

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

 

 

Стаби-

литрон

КС

133А

КС

139А

КС

147А

КС

156А

Д

814В

Д

814В

Д

814В

Д

814А

Д

814Б

 

 

Uст. ном, В

3,3

3,9

4,7

5.6

9¸10,5

9¸10,5

9¸10,5

7¸8,5

8¸9,5

 

 

Е, В

5

5,5

6

6,5

12

13

13

10,5

11

 

 

Rн, Ом

100

160

230

110

120

180

390

430

470

 

 

Iст. ном, мА

10

10

10

10

5

5

5

5

5

 

 

Рмакс, мВт

300

300

300

300

340

340

340

340

340

 

Для схемы на рис. 4.1 а определить графоаналитически рабочий режим диода по постоянному току. Значения напряжения источника питания Е и сопротивления нагрузки Rн приведены в табл. 4.1 согласно вариантам.

Рассчитать по (4.6) величину ограничительного резистора Rогр для схемы стабилизатора напряжения, изображенного на рис. 4.2 в. Данные для расчета по вариантам приведены в табл. 4.2.

Схема включения транзистора типа p-n-p с ОЭ в активном режиме показана на рис. 2.11,б. Полярности напряжений приложенных между базой и эмиттером (UБЭ) и между коллектором и эмиттером (UКЭ) обеспечивают включение эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллекторного – в обратном направлении. При этом физические процессы, происходящие в транзисторе, аналогичны процессам в транзисторе, включенным по схеме с общей базой. Под действием напряжения UБЭ в цепи эмиттера проходит ток IЭ. В базе этот ток разветвляется. Основная его часть идет в коллектор, создавая управляемую составляющую тока коллектора, другая часть – в цепь базы, определяя ток базы рекомбинации. Навстречу току рекомбинации в базе проходит обратный ток коллектора IКБ0. Поэтому для схемы с ОЭ справедливо уравнение (2.3).

Поскольку в схеме с ОЭ входным является ток базы, уравнение (2.3) следует преобразовать так, чтобы установилась связь между током коллектора и током базы. Это достигается подстановкой в уравнение (2.3) равенства (2.6):

*

Отсюда

  (2.9)

Введя обозначение

   (2.10)

представим уравнение (2.9) в виде

  (2.11)

Из уравнений (2.9 – 2.11) следует, что ток коллектора состоит из управляемой составляющей h21ЭIБ, зависящей от входного тока, и неуправляемой (h21Э+1)IКБ0. Коэффициент пропорциональности h21Э устанавливает связь между управляемой составляющей тока коллектора и током базы. Его называют статическим коэффициентом передачи тока базы. Значения h21Э могут достигать сотен и тысяч.

Из выражения (2.11) видно, что в схеме с ОЭ неуправляемый ток коллектора в (h21Э + 1) раз больше, чем в схеме с ОБ. Это существенный недостаток схемы с ОЭ. Причина заключается в том, что ток IКБ0 является одной из составляющих базового (входного) тока, усиливаемого транзистором при его включении по схеме с ОЭ. Достоинство этой схемы – ее значительно большее входное сопротивление, чем у схемы с ОБ. Это обусловлено тем, что при одинаковых входных напряжениях (UБЭ = UЭБ) ток базы значительно меньше тока эмиттера, являющегося входным током схемы с общей базой.

Входные статические характеристики транзистора, включенного с ОЭ (рис. 2.12), отображают зависимость UБЭ = f (IБ) при UКЭ = const.

При UКЭ = 0 оба p-n-перехода транзистора включены в прямом направлении (рис. 2.11,б). Из эмиттера и коллектора осуществляется инжекция дырок в базу, где они частично рекомбинируют с электронами, и в цепи  базы проходит ток рекомбинации обоих переходов. Поэтому входная характеристика представляет собой вольт – амперную характеристику двух параллельно включенных p-n-переходов.

При UКЭ = -4В коллекторный переход включается в обратном направлении (рис. 2.11,б) и в цепи базы проходит ток

Если UБЭ = 0, то IЭ = 0 и в цепи базы проходит ток IБ = - IКБ0. Увеличение напряжения UБЭ сопровождается ростом рекомбинационной составляющей тока базы (1- h21Б)IЭ, и при некотором напряжении UБЭ ток базы становится равным нулю. Дальнейшее увеличение напряжения UБЭ сопровождается ростом тока базы. Поскольку рекомбинационная составляющая тока базы при UКЭ < 0 значительно меньше тока базы, проходящего при UКЭ = 0, входная характеристика смещается в область меньших токов (в сторону оси напряжений). При увеличении отрицательного напряжения коллектора наблюдается смещение входных характеристик в сторону оси токов (вниз, штриховая кривая на рис. 2.12). Это вызвано образованием напряжения обратной связи Uос на распределенном сопротивлении базы вследствие прохождения через него обратного тока коллектора IКБ0. Результирующее напряжение на эмиттерном переходе UБЭ увеличивается, что приводит к увеличению инжекции дырок из эмиттера в базу и росту рекомбинационного тока базы. Этому способствует также модуляция толщины базы.


Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике