Министерство Образования Украины
Донецкий национальный технический университет
Методические указания
к выполнению лабораторных работ
по курсу “Электроника”
(для студентов специальности 6.090902
“Научные, аналитические и экологические приборы и системы”)
Утверждено на заседании кафедры “Электронная техника”
Протокол № 3 от 20.11.2006
Донецк, ДонНТУ 2006.
УДК
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Электроника» для студентов специальности 6.090902 “Научные, аналитические и экологические приборы и системы” /Сост. А.Г. Лыков, В.П. Тарасюк, О.А. Довженко, - Донецк: ДоНТУ, 2006 – 32 с. – русский язык/
Приведены цели и задачи лабораторных работ, порядок их выполнения, требования к содержанию и оформлению отчетов, задания на лабораторные работы, методические указания к их выполнению, а также основные теоретические положения.
Составили: А.Г. Лыков, асистент
В.П. Тарасюк, канд. техн. наук, доцент
О.А. Довженко, студент
Ответственный за выпуск: А.А.Зори, д.т.н., профессор
Рецензент: В.В. Червинский, к.т.н., доцент
Содержание
Стр.
Введение 4
Лабораторная работа № 1. Исследование выпрямительных диодов 5
Лабораторная работа № 2. Исследование стабилитронов 10
Лабораторная работа №3. Исследование биполярного транзистора 13
Лабораторная работа № 4. Исследование полевого транзистора с
управляющим p-n переходом 19
Лабораторная работа № 5. Исследование полевых транзисторов с
изолированным затвором 23
Лабораторная работа № 6. Исследование тиристоров 28
Рекомендуемая литература 32
Введение
Настоящие методические указания предназначены для студентов специальности "Научные, аналитические и экологические приборы и системы" (6.090902) и являются руководством к выполнению лабораторных работ по курсу "Электроника". Цель этого курса – изучить физические принципы полупроводниковых приборов, их устройства, основные характеристики и параметры.
Лабораторные работы начинаются с краткого изучения теоретических основ работы устройства. Методики выполнения лабораторных работ и анализ полученных результатов, предусматривает решение студентом ряда задач, содержащих элементы НИРС.
Подготовка к лабораторным работам должна осуществляться по лекционному материалу и рекомендованной литературе. При подготовке к лабораторным занятиям студент должен твердо уяснить цель и порядок выполнения работы, теоретические основы изучаемого устройства, его назначение, характеристики и параметры.
Качество подготовки к лабораторным занятиям проверяется преподавателем путем опроса студентов перед лабораторными работами. В соответствии с приведенными в описании лабораторных работ требованиями каждый студент составляет отчеты по работам.
Лабораторная работа № 1
Исследование выпрямительных диодов
Цель работы: изучить конструкцию и принцип действия полупроводниковых диодов, снять вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов и экспериментально определить их параметры.
Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим р-n - переходом и двумя выводами.
По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные, универсальные, импульсные, детекторные, переключающие, стабилитроны (опорные), туннельные, фотодиоды и др. В частности, выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты в ток постоянного направления.
Выпрямительные диоды, как и большинство полупроводниковых диодов, выполняют на основе несимметричных р-n - переходов. Низкоомную область диодов называют эмиттером, а высокоомную - базой. Для создания переходов с вентильными свойствами используют р-n-, р-i-, n-i- переходы, а также переходы металл - полупроводник.
Идеализированная вольт-амперная характеристика диода при прямом включении описывается выражением:
где IТ - тепловой или обратный ток насыщения;
- ток диффузии основных носителей заряда. IT за счет снижения потенциального барьера увеличивается в 
раз и является функцией приложенного напряжения (рисунок 1.1).
При обратном включении диода потенциальный барьер р-n – перехода повышается. Тепловой ток, вызванный движением неосновных носителей заряда, остается неизменным, а ток, вызванный диффузией основных носителей заряда, уменьшается по экспоненциальному закону.
Результирующий ток р - n – перехода будет равен:
В реальных диодах прямая и обратная ветви вольт-амперной характеристики отличаются от идеализированной. Это обусловлено тем, что тепловой ток IТ при обратном включении составляет лишь часть обратного тока диода. При прямом включении существенное влияние на ход вольт-амперной характеристики оказывает падение напряжения на сопротивлении базы диода (рисунок 1.1).
С учетом падения напряжения на базе диода уравнение прямой ветви вольт-амперной характеристики будет иметь вид:
где rб - омическое сопротивление базы диода.
Рисунок 1.1 – Вольт-амперная характеристика идеального и реального диодов
Используя вольт-амперную характеристику диода можно построить его схему замещения. Для этого вольтамперную характеристику аппроксимируют отрезками прямых линий (количество отрезков желательно выбирать не более двух) и для каждого участка аппроксимации составляют линейную электрическую схему замещения. Для диода (рисунок 1.2) участки аппроксимации описываются уравнениями:
Участок 1: i = 0; U£ E0;
Участок 2: U = E0 + i∙Rд; U³ E0,
где Rд - дифференциальное сопротивление диода.
Соответственно, схемы замещения имеют вид, показанный на рисунке 1.3.
Рисунок 1.2 – Аппроксимация вольт-амперной характеристики диода
|
Рисунок 1.3 – Схема
замещения диода
|
При увеличении обратного напряжения может произойти пробой р - n - перехода диода. Под пробоем р-n - перехода понимают значительное уменьшение обратного сопротивления, при этом возрастает обратный ток при увеличении обратного напряжения.
Различают три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой.
В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. "просачивание" электронов через потенциальный барьер, высота которого больше, чем энергия носителей заряда.
Тепловой пробой возникает в результате разогрева р-n -перехода, когда количество теплоты выделяемой током в р-n - переходе, больше количества теплоты, отводимой от него.
Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией, которая происходит тогда, когда напряженность электрического поля, вызванная обратным напряжением, достаточно велика. При лавинном пробое напряжение на p-n -переходе остается постоянным.
Тепловой пробой p-n - перехода необратимый и приводит к разрушению перехода. Туннельный и лавинный пробои являются обратимыми.
а) прямое включение
| 
б) обратное включение
|
Рисунок 1.4 – Схемы для снятия вольт-амперной характеристики выпрямительных диодов
Рисунок 1.5 – Схема для исследования работы диода при действии на входе переменного синусоидального сигнала
Порядок выполнения работы
1. На лабораторном стенде собрать схему, представленную на рисунке 1.4а.
2. Изменяя напряжение Е от 0 до 5 В снять и построить вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого выпрямительных диодов, включенных в прямом направлении. Определение тока производится косвенным методом:
Величина сопротивления резистора R составляет 100 Ом.
Полученные результаты занести в таблицу 1.1.
3. На лабораторном стенде собрать схему, представленную на рисунке 1.4б.
4. Снять и построить вольт-амперную характеристику германиевого и кремниевого выпрямительных диодов, включенных в обратном направлении.
Таблица 1.1 – Данные для построения вольт-амперной характеристики выпрямительного диода
| U10 | ||||||
| U20 | ||||||
| I |
5. Исследовать работу выпрямительного диода при действии на входе переменного синусоидального сигнала. Для этого собрать схему, представленную на рисунке 1.5.
6. Установить заданную амплитуду выходного напряжения генератора Em. Снять осциллограммы напряжений на резисторе R и диоде. Измерить среднее и действующее значения напряжений на резисторе R и диоде.
Содержание отчета
1. Схемы для снятия вольт-амперных характеристик, данные эксперимента, построенные вольт-амперные характеристики диодов.
2. Определенные по данным эксперимента параметры эквивалентных схем замещения выпрямительных диодов. Схемы замещения.
3. Осциллограммы напряжения и тока диода при действии на входе схемы переменного синусоидального сигнала, экспериментальные и теоретические значения напряжения и тока диода.
4. Выводы
Контрольные вопросы
1. Как изменяются характеристики диодов при изменении температуры?
2. В чем отличие вольт-амперных характеристик диодов на основе кремния и германия?
Лабораторная работа № 2
