Лабораторная работа №1
1. Основные свойства p - n переходов.
Полупроводниковый диод представляет собой прибор, основанный на свойствах p - n перехода.
В чистом полупроводнике свободные электроны и дырки образуются попарно и число электронов равно числу дырок.
При введении в полупроводник донорных примесей, электрон атомов примеси, не участвующий в межатомных связях, легко переходит в зону проводимости полупроводникового материала. При этом в кристаллической решетке остается неподвижный положительно заряженный ион примеси, а электрон добавляется к свободным электронам собственной проводимости. В этом случае концентрация свободных электронов в полупроводнике превышает концентрацию дырок и полупроводник называют полупроводником n – типа.
При введении в полупроводник акцепторных примесей атомы примеси при формировании межатомных связей отбирают электрон у одного из атомов полупроводникового материала, становясь неподвижными отрицательными ионами. В этом случае концентрация дырок в полупроводнике превышает концентрацию свободных электронов и полупроводник называют полупроводником p – типа.
На границе полупроводников n – типа и p – типа за счет диффузии часть электронов из n – слоя переходит в p – слой и рекомбинирует с дырками, и наоборот. При этом в пограничном n – слое остается нескомпесированным положительный заряд примесных ионов, а в p – слое - нескомпесированным отрицательный заряд примесных ионов. Возникает контактная разность потенциалов, препятствующая переходу дырок в n – область и электронов в p – область.
Если к p – n переходу приложено внешнее напряжение в прямом направлении («плюс» к слою p и «минус» к слою n), то это напряжение, скомпенсировав контактную разность потенциалов, создает прямой ток через переход.
Когда напряжение приложено в обратном направлении, оно увеличивает потенциальный барьер и проводимость перехода остается весьма малой.
На рис. 1.1 представлено схематическое изображение структуры p – n перехода (а), вольтамперная характеристика p – n перехода (б), где 1 – прямая и 2 - обратная ветви вольтамперной характеристики.
Обратный ток перехода I 0 для кремниевых p – n переходов составляет обычно доли или единицы мА, для германиевых - мкА.
Выражение для прямого тока I через переход представляют в виде
I = I 0 ехр (V / φ0),
где V - прямое напряжение на переходе, φ0 - температурный потенциал, равный примерно 25 мВ при 20о С.
а) б)
Рис. 1.1
Если обратное напряжение, приложенное к p – n переходу, превосходит некоторое предельное значение, то возникает пробой перехода.
2. Построение и анализ прямой ветви вольтамперных характеристик диодов.
Построение прямой ветви вольт-амперных характеристик диодов (в дальнейшем ВАХ) проводится при использовании схемы, представленной на рис. 1.2.
Диоды D 1 (кремниевый), D 2 (германиевый) и D 3 (диод Шоттки) через токоограничивающие резисторы R 1, R 2, R 3 подключены к источнику напряжения V 1 в прямом направлении (p - слой к «плюсу», n - слой к «минусу» источника). При напряжении на диоде, компенсирующем контактную разность потенциалов, через p - n переход проходит прямой ток.
Рис. 1.2
Перед проведением моделирования необходимо построить чертеж схемы.
a. Создание чертежа схемы
Графическое изображение новой схемы создается по команде File > New или при нажатии на клавишу 
(режим Schematic). Чертеж заносится с расширением *. CIR. В результате выполнения команды File > New открывается пустое окно, в котором создается схема.
Для упрощения построения схемы можно запустить координатную сетку путем нажатия на соответствующую клавишу 
на панели инструментов или выбором команды Options > View > Grid.
Внесение компонентов в схему производится при выделении пиктограммы 
(Component mode) в строке наиболее употребительных команд окна редактора схем.
Источник постоянного напряжения выбирается нажатием на клавишу 
(Battery) из набора элементов, размещенных на специальной рабочей панели. Выбранный элемент приводится курсором в нужное место экрана и фиксируется нажатием левой клавиши мыши.
Изменение ориентации элемента на схеме производится при нажатой левой клавише мыши щелчком правой клавиши мыши. При каждом щелчке правой клавиши компонент поворачивается на 90о. Отпускание левой клавиши фиксирует компонент.
После фиксации источника постоянного напряжения в открывшемся диалоговом окне для ввода и редактирования атрибутов указываются позиционное обозначение PART (V 1) и номинальное значение VALUE (20 V). Ввод заканчивается нажатием кнопки ОК.
Диод выбирается из наиболее часто используемых на практике элементов, размещенных на панели инструментов. После его фиксации в открывшемся диалоговом окне указывается его модель MODEL (задается преподавателем). Чтобы имя модели диода отразилось на схеме, в окне его атрибутов необходимо включить флажки Show и Pin Markers строки Display.
Резистор перед выведением на чертеж выбирается в меню Component > Analog Primitives > Passive Components или из набора наиболее часто используемых элементов, размещенных на панели инструментов. После фиксации резистора в открывшемся диалоговом окне указываются его позиционное обозначение PART и номинальное значение параметра VALUE.
Для удобства задания значений параметров в системе МС -8 используются сокращенные обозначения численных коэффициентов, которые приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1
| Коэффициент | 10 -12 | 10 - 9 | 10 - 6 | 10 - 3 | 103 | 106 | 109 |
| Обозначение | p(P) | n(N) | u(U) | m(M) | k(K) | meg (Meg) | g(G) |
| Наименование | пико | нано | микро | милли | кило | мега | гига |
Обозначения вводятся на латинском шрифте после численного значения без пробела.
Ввод проводников осуществляется при выделении соответствующей пиктограммы 
или выбором команды Options > Mode > Wire. Начало проводника отмечается нажатием левой клавиши мыши на выводе компонента. Прокладывая проводник при нажатой клавише, удобно рисовать отдельно его горизонтальные и вертикальные линии, при каждой смене направления отпуская и снова нажимая клавишу. Отпускание клавиши фиксирует окончание линии.
Символ “Земля” для схемы выбирается из набора элементов, размещенных на панели инструментов 
.
Для получения информации об элементе и возможности редактирования его атрибутов необходимо два раза щелкнуть левой клавишей мыши по элементу.
Построение принципиальной схемы заканчивается нумерацией узлов выбором пиктограммы 
или командой Options > View > Node Numbers.
Рисунок принципиальной схемы может сопровождаться текстовой надписью с названием схемы. Для вывода текста выбирается пиктограмма 
.
Курсор помещается на свободное место экрана и при нажатии левой клавиши мыши открывается окно, в котором печатается нужный текст. При завершении текста нажимается кнопка ОК. и на экране остается выделенный текст без рамки.
Для перемещения текста активизируется пиктограмма 
выбора объектов (Select mode). Маркер подводится к тексту и при нажатой левой клавише мыши выбранный текст буксируется в нужное место экрана. Отпускание клавиши мыши фиксирует текст.
Режим выбора объектов Select mode используется также для выполнения операции очистки. Пиктограмма 
активизируется, стрелка маркера устанавливается на удаляемом объекте схемы. Объект выделяется нажатием левой клавиши мыши, после чего удаляется нажатием клавиши DEL.
По завершению создания принципиальной схемы ее следует сохранить командой Files > Save As.
b. Построение прямой ветви вольт-амперных характеристик диодов.
ВАХ диодов строятся в режиме анализа схемы по постоянному току. Переход в этот режим производится по команде Analysis > DC.
В открывшемся диалоговом окне задания на расчет (рис. 1.3) в строке Variable в ячейке Name указывается имя варьируемого параметра (V 1), а в ячейке Range его максимальное, минимальное значение и шаг.
Рис. 1.3
В нижней части диалогового окна приведена таблица с параметрами, используемыми при выводе результатов моделирования:
P - номер рисунка, на котором строится график заданной функции;
X Expression - имя переменной, откладываемой по оси X.
Y Expression - имя функции, откладываемой по оси Y.
X Range - верхняя и нижняя границы исследуемого диапазона изменения переменной.
Y Range - максимальная и минимальная границы отображения функции.
Моделирование начинается при нажатии кнопки Run или клавиши F 2. Окно задания на расчет DC Analysis Limits сворачивается, и его вкладка остается в нижней части экрана. На экране открывается окно графиков прямой ветви ВАХ диодов ID = f (VD) (рис. 1.4).
При необходимости изменения параметров, используемых для построения графиков, следует выбрать окно задания на расчет нажатием на вкладку DC Analysis.
Для считывания координат одной из двух точек на графике выбирается режим электронного курсора нажатием клавиши F 8 или выбором пиктограммы 
.
Рис. 1.4
Для выбора нужного графика из всех (в данном случае трех) графиков, имеющихся на экране, следует подчеркнуть исследуемую функцию нажатием на нее левой клавишей мыши.
Расположение двух точек на графике подчеркнутой функции, например I (D1), изменяется буксировкой левой (для одной точки) или правой (для другой точки) клавишами мыши. При отпускании клавиши значения координат точки фиксируются на экране.
По координатам двух точек, левой (Left) и правой (Right), следует ориентировочно оценить диапазон изменения сопротивления каждого из диодов D 1, D 2, D 3в заданном интервале изменения тока через диод (диапазон изменения тока задается преподавателем) от r 1 = V 1 / I 1 до r 2 = V 2 / I 2, а также величину прямого напряжения на диоде V пр = (V 1 + V 2) / 2.
Результаты расчетов заносятся в таблицу 1.2.
Таблица 1.2
| Диод | Left | Right | V пр | ||||
| I 1 | V 1, В | r 1, Ом | I 2 | V 2, В | r 2, Ом | ||
| D1 | 1 мA | 10 мA | |||||
| D2 | |||||||
| D3 |
Из полученных ВАХ следует, что в области токов 1 ÷ 10 мA прямое напряжение для кремниевого диода составляет около 0,6 В, для германиевого около 0,3 В, для диода Шоттки ≈ 0,2 В. Прямое направление зависит от контактной разности потенциалов на p – n переходе. Из трех типов рассмотренных диодов кремниевые имеют максимальную величину контактной разности потенциалов, диоды Шоттки – минимальную величину, а германиевые занимают промежуточное значение.
3. Задание.
В схеме рис. 1.2 определить необходимую величину источника напряжения V 1 (1) для обеспечения в цепи R 1, D 1 тока, заданного преподавателем, используя совместные ВАХ диода и резистора.
На характеристике диода отмечается точка 1 с заданным током I 1 и определяется соответствующее падение напряжения на диоде V 1(D) (рис. 1.5). Рассчитывается падение напряжения на резисторе V 1(R) при заданном токе I 1 (V 1(R) = I 1· R 1) и откладывается по оси напряжений от точки V 1(D). Полученная сумма V 1(1) = V 1(D) + V 1(R) определяет величину напряжения, создающего заданный ток в цепи.
Рис. 1.5
Наклонная прямая с началом в точке V 1(1) на оси Х, проходящая через точку 1, является ВАХ резистора, направленной встречно ВАХ диода.
С ростом заданного тока рабочая точка диода перемещается вверх по его характеристике. Прямая ВАХ резистора с углом наклона α переносится в новую рабочую точку. Ее пересечение с осью Х дает новое значение источника напряжения V 2(1).
Лабораторная работа № 2