Шевцов А.В практика грыц

Формат документа: doc
Размер документа: 0.26 Мб




Прямая ссылка будет доступна
примерно через: 45 сек.



  • Сообщить о нарушении / Abuse
    Все документы на сайте взяты из открытых источников, которые размещаются пользователями. Приносим свои глубочайшие извинения, если Ваш документ был опубликован без Вашего на то согласия.


Харківський національний університет радіоелектроніки

Кафедра мікроелектроніки, електронних приладів та пристроїв




ЗВІТ

з дисципліни
НАУКОВО-ПЕДАГОГІЧНА ПРАКТИКА

____________________________________________________________

____________________________________________________________
(тема)


Студента групи____ЕППм-18-1__
спеціальності 171 "Електроніка

____________________________________
(прізвище та ініціали)
Керівник професор кафедри МЕЕПП, професор, докт.. физ.-мат. наук Грицунов О.В.
(посада, вчене звання, науковий ступінь, прізвище та ініціали)

Національна шкала __________________

Кількість балів ____ Оцінка ECTS _____


Члени комісії ______________ _____________________
(підпис) (прізвище та ініціали)

______________ _____________________
(підпис) (прізвище та ініціали)

______________ _____________________
(підпис) (прізвище та ініціали)




Харків – 2019

ВСТУП


Сучасна електроніка охоплює практично всі сфери побутової і професійної діяльності людини. Вивчення її основ передбачено більшістю освітніх програм у сфері вищої, середньої та початкової професійної освіти. Базовими компонентами сучасної електроніки є напівпровідникові прилади і створювані на їх основі напівпровідникові інтегральні мікросхеми. Теоретичне і практичне вивчення напівпровідникових приладів здійснюється в рамках навчальних дисциплін Твердотельная електроніка, Вступ до спеціальності, Напівпровідникові прилади, Введення в мікропроцесори і цифрові схеми, Системи автоматичного управління та обробки даних та ін. Лабораторні практикуми цих дисциплін включають дослідження найбільш широко застосовуваних (базових) видів напівпровідникових приладів: випрямних діодів,
Виконання лабораторних досліджень в системі АЛП УД, здійснюється за допомогою мережевих телекомунікаційних технологій з персонального комп'ютера, віддаленого на будь-яку відстань від місця розміщення дистанційно керованого досліджуваного об'єкта (лабораторного макета, що входить до складу АПК), і пов'язаних з ним комп'ютерних засобів вимірювання і управління.
У порівнянні з використанням традиційного лабораторного практикуму застосування дистанційних комп'ютерних технологій вимірювання та управління істотно скорочує необхідний обсяг обладнання, розширює вимірювальні і дослідницькі можливості практикуму, підвищує його продуктивність. Система АЛП УД на базі АПК УД Електроніка дозволяє проводити лабораторні дослідження в розрахованому на багато користувачів режимі (режим клієнт-сервер) як з навчальною групою в спеціалізованої комп'ютерної лабораторії або класі, так і індивідуально з будь-якого клієнтського персонального комп'ютера шляхом підключення до сервера системи АЛП УД з допомогою мереж Internet / Intranet.Матеріал можна використовувати в навчальному процесі!

1 МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ДОСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ЕЛЕМЕНТІВ


1.1 Приладові методи вимірювання характеристик і параметрів напівпровідникових елементів

Зміна ЕРС або струму керованих генераторів і зчитування виміряних значень струмів і напруг при вимірюванні ВАХ можуть здійснюватися ручним способом або автоматично. Вимірювання ВАХ поділяються на статичні, динамічні і квазістатичні в залежності від швидкості і характеру зміни задаються ЕРС або струму (безперервного або східчасто-безперервного) і інерційності (часу вимірювання) вимірювальних засобів.
При статичних вимірах значення вимірюваної величини протягом часу вимірювання вимірювального засобу є незмінним. Статичними є ручні вимірювання, а також автоматичні вимірювання при дуже низькій швидкості безперервної зміни задаються значень ЕРС (струму) або при великій тривалості сходинок в разі їх поступово-безперервного зміни.
Статичні вимірювання забезпечують високу точність через відсутність складової похибки, обумовленої зміною вимірюваної величини під час вимірювання (динамічної похибки), але вимагають досить великого часу на вимір ВАХ.
Однак при виборі способу вимірювання необхідно враховувати особливість напівпровідникового приладу як об'єкта вимірювання. Вона полягає в тому, що навіть при незмінних значеннях доданих до неї ЕРС або струму його вимірювані струми і напруги змінюються в часі за рахунок зміни температури кристала, яка залежить від розсіюється кристалом потужності і часу додатки заданого впливу. При великому часу вимірювання, властивому статичним вимірам, зміна температури кристала є значним і призводить до великих спотворень виміряної ВАХ.
Зменшення температурної складової похибки вимірювання досягається при динамічному вимірі ВАХ шляхом збільшення швидкості безперервного періодичного зміни (свіпірованія) ЕРС (струму) керованих генераторів і підвищення швидкодії вимірювальних засобів, т. Е. Зменшення їх часу вимірювання або інерційності. При цьому за рахунок теплової інерційності напівпровідникового приладу температура кристала не встигає істотно змінитися за час одного виміру, а після декількох періодів зміни задаються впливів (після прогріву напівпровідникового приладу) в кристалі встановлюється деяка середня практично постійна температура. Зменшення похибки вимірювання, пов'язаної з необхідним при динамічних вимірюваннях малим часом вимірювання струмів і напруг напівпровідникового приладу,
Переваги динамічного режиму вимірювання практично зберігаються і при квазістатичному вимірі ВАХ. У цьому режимі використовується східчасто-безперервна зміна задаються значень ЕРС або струму з мінімальною тривалістю сходинки, яка визначається часом вимірювання вимірювального засобу і затримкою вимірювання на час встановлення перехідних процесів в схемі вимірювання.
Можливо також вимір ВАХ в імпульсному квазістатичному режимі, коли в паузах між вимірами значення ЕРС або струму керованих генераторів приймають нульові значення, як і вимірювані значення струму і напруги. Такий режим вимірювання використовується для вимірювання ВАХ і параметрів потужних напівпровідникових приладів.

1.2 Засоби, які використовуються для вимірювання ВАХ і параметрів напівпровідникових приладів

Основними засобами вимірювання ВАХ і параметрів напівпровідникових приладів є:
– набір стандартних вимірювальних приладів для ручного вимірювання ВАХ і параметрів напівпровідникових приладів;
– спеціалізовані вимірювальні прилади для вимірювання параметрів напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем;
– спеціалізовані прилади - характеріограф для автоматичного вимірювання ВАХ;
– автоматичні вимірювачі ВАХ і параметрів напівпровідникових приладів на базі персональних комп'ютерів (ПК).
Метод вольтметра-амперметра безпосередньо реалізується при ручних вимірах ВАХ за допомогою стандартних вимірювальних приладів:
– керованих джерел харчування і вимірників напруги і струму різного типу: електромеханічних, електротеплових або електронних (аналогових і цифрових), а також багатофункціональних вимірників струму і напруги - мультиметров.
Спеціалізовані промислові вимірювальні засоби забезпечують вимір як низькочастотних параметрів напівпровідникових приладів, які визначаються їх вольт-амперної характеристикою, так і великого числа інших - високочастотних, температурних і т. Д. Параметрів. Прикладами їх є мікропроцесорні вимірювачі параметрів діодів і біполярних транзисторів типу Л2-76, Л2-77 і мікропроцесорні вимірювачі параметрівпольових транзисторів типу Л2-78, Л2-80. Такі спеціалізовані вимірювальні прилади вивчаються в курсі Метрологія та радіовимірювань.
Автоматичне вимірювання ВАХ з відображенням їх на екрані дисплея:
– електронно-променевої трубки або монітора ПК - забезпечують спеціалізовані вимірювальні прилади - характеріограф. Вимірювачі ВАХ на основі електронно-променевої трубки (ЕПТ) випускаються як самостійні вимірювальні прилади або у вигляді приставки до електронно-променевий осцилограф - аналоговим і цифровим. Осцилографічні кошти внаслідок високого їх швидкодії забезпечують практично безінерційною вимір струмів і напруг. Ними найбільш повно реалізуються переваги динамічного режиму вимірювання ВАХ з безперервним автоматичним зміною ЕРС або струму керованого генератора, званого в даному випадку генератором розгортки.
Структурна схема вимірювача ВАХ на основі ЕПТ (Рис. 1.1) Містить генератор розгортки, генератор ступінчастої функції, механізм їх синхронізації, контрольований (досліджуваний) об'єкт і дисплей на ЕЛТ.



Рисунок 1.1 – Структурна схема вимірювача ВАХ на основі ЕПТ

Генератор розгортки використовується при вимірюванні ВАХ як двоелектродної, так і трьох електродних напівпровідникових приладів, генератор же ступінчастої функції - тільки при вимірюванні ВАХ трьохелектродних приладів, при цьому один з генераторів підключається до вхідного ланцюга напівпровідникового приладу, а інший - до вихідний в залежності від виду приладу і вимірюваної ВАХ. Напруга або струм генератора ступінчастої функції змінюються дискретно з заданим кроком через кожен цикл генератора розгортки. Напруга між електродами напівпровідникового приладу, що є аргументом вимірюваної ВАХ, прикладається до горизонтальних відхиляють пластин ЕПТ або до входу зовнішньої розгортки осцилографа (входу Х), а напруга між іншими електродами або струм електрода, також перетворений з допомогою датчика струму в пропорційне напруга, прикладаються до вертикальних відхиляючі пластини ЕПТ або до входу Y осцилографа. В результаті на екрані ЕПТ динамічно відтворюється сімейство вимірюваних ВАХ, відповідних дискретним значенням струму електрода або напруги між електродами, що задається генератором ступінчастої функції.
При використанні цифрового осцилографа знімаються з електродів напівпровідникового приладу безперервні сигнали напруги та струму дікретізіруются в часі з частотою дискретизації fда аналого-цифрового перетворювача і оцифровуються. В результаті виходять пари відліків напруг або пари відліків напруги і струму або пари відліків струмів електродів, що визначають координати дискретних точок вимірюваної ВАХ, які динамічно виводяться на екран цифрового осцилографа. Такий вимірювач забезпечує високу швидкість вимірювання ВАХ, але йому властива динамічна похибка вимірювання напруг і струмів внаслідок їх безперервного зміни. Ця похибка додатково зростає при використанні одного АЦП для почергового вимірювання двох напруг або струмів за рахунок обумовленої цим неодночасності їх вимірювання.

1.3 Вимірювання ВАХ напівпровідникових приладів методом вольтметра-амперметра

Під статичними ВАХ напівпровідникових приладів розуміються залежності між струмами і напругами включеного в електричний ланцюг напівпровідникового приладу. Для двоелектродної приладів (діодів, стабілітронів) це залежність струму діода I д від напруги на діоді Uд: I д = f (Uд), що є функцією одного аргументу, для трьохелектродних (транзисторів) - це функції двох аргументів, що утворюють сімейства ВАХ. Наприклад, залежно Ік = f (Uке) | Іб = const струму колектора Ік від напруги колектор-емітер Uке при фіксованих значеннях струму бази Іб представляють вихідні ВАХ біполярного транзистора в схемі із загальним емітером.
Визначенню ВАХ напівпровідникових приладів відповідає базовий метод їх вимірювання - метод вольтметра-амперметра. Відповідно до цього методу до електродів напівпровідникового приладу підключаються керовані джерела (генератори) ЕРС або струму і за допомогою вимірювальних приладів вольтметрів і амперметрів (міліамперметрів) вимірюються напруги і струми в ланцюгах напівпровідникового приладу при різних значеннях ЕРС або струму джерел.
Загальні базові схеми вимірювання ВАХ методом вольтметра- амперметра для дво- і трёхелектродних напівпровідникових приладів з використанням керованих генераторів ЕРС наведені на рис.1.2, а, б.



Рисунок 1.2 – Загальні схеми вимірювання ВАХ методом вольтметра-амперметра для дво- (а) і трёхелектродних (б) об'єктів дослідження

Крім керованих генераторів ЕРС Е1 і Е2 вони містять міліамперметри mA і вольтметри V, що вимірюють струм I1 і напруга U1 двоелектродного приладу і вхідні (I1, U1) і вихідні (I2, U2) струми і напруги трьохелектродної приладу.
Загальним схемами вимірювання, представленим на рис.1.2, а, б, відповідають наведені на Рис. 1.3, а, б, в базові схеми вимірювання ВАХ напівпровідникового діода, біполярного та польового транзисторів.
ВАХ діода виходить шляхом зміни ЕРС джерела Е і вимірювання струму діода I д і напруги на діоді Uд.


Рисунок 1.3 – Базові схеми вимірювання ВАХ методом вольтметра-амперметра для діода (а), біполярного транзистора (б) і польового транзистора (в)

На відміну від загальної схеми вимірювання ВАХ трьохелектродних напівпровідникових приладів, представлених на рис.1.2, б, У вхідному ланцюзі біполярного транзистора n-p-n-типу (рис.1.3, б), Включеного за схемою з загальним емітером, використаний керований генератор струму I1. Струмами і напругами вхідний (I1, U1) і вихідний (I2, U2) ланцюгів транзистора є в даній схемі струм бази Іб, напруга база-емітер Uбе, струм колектора Ік і напруга колектор-емітер Uке. Шляхом зміни ЕРС джерела Е2 і вимірювання напруги Uке і струму Ік при фіксованих значеннях струму бази Іб, що задаються генератором струму Iг1, отримують вихідні ВАХ біполярного транзистора Iк = f(Uкэ)|Iб = const. Змінюючи струм генератора Iг1 і вимірюючи струм бази Іб і напруга Uбе при фіксованих напругах Uке, що задаються генератором Е2, отримують сімейство вхідних ВАХ біполярного транзистора Iб = f(Uбэ)|Uэк = const.
У схемі вимірювання ВАХ польового транзистора (рис.1.3, в) З керуючим р-n-переходом і р-каналом, включеного по схемі із загальним витоком, вимірюються вхідна напруга затвор-витік Uзи (U1), вихідний струм стоку Iс (I2) і вихідна напруга стік-витік Uси (U2). Схема не передбачає вимірювання вхідного струму затвора Iз зважаючи на його малість. Для польового транзистора вимірюються сімейство вихідних характеристик Iс = f (Uси) | Uзи = const шляхом зміни ЕРС джерела Е2 при фіксованих значеннях напруги затвор-витік Uзи = Е1 і сімейство передавальних (або прохідних) ВАХ Iс = f (Uзи) | Uси = const , що отримується шляхом зміни ЕРС джерела Е1 при фіксованих напругах стік-витік Uси.
Опір Rз на схемі, представленої на рис.1.3, в, Використовується в якості опору витоку.
Схеми вимірювання для біполярних транзисторів p-n-p-типу і польових транзисторів інших типів (з n-каналом, з ізольованим затвором) відрізняються від розглянутих тільки полярностями прикладаються до їх електродів напруг керованих джерел.
ВАХ для інших схем включення біполярних і польових транзисторів (наприклад, із загальною базою або c загальним затвором) можуть бути отримані шляхом перерахунку виміряних ВАХ для схем включення з загальним емітером, загальним витоком. Для біполярного транзистора перерахункові співвідношення мають вигляд

Iэ = Iб + Iк; Uкб = Uкэ – Uбэ. (1.1)

1.4 Визначення параметрів напівпровідникових приладів методом вольтметра-амперметра

Методом вольтметра-амперметра вимірюються не тільки ВАХ, а й обумовлені ними низькочастотні параметри напівпровідникових приладів - статичні і динамічні. Вони можуть бути знайдені для будь-якої робочої точки ВАХ, заданої значеннями відповідних їй струмів і напруг.
До статичних параметрів належать параметри, які визначаються відношенням постійних напруг і струмів напівпровідникового приладу в заданій робочій точці ВАХ. Вони знаходяться по виміряним значенням його вхідних і вихідних постійних напруг і струмів: U1/I1 – вхідний статичний опір транзистора або статичний опір діода Ri д=Uд/Iд; U2/I2 – вихідна статичний опір транзистора; I2/I1 – статичний коефіцієнт передачі по току транзистора.
Динамічні (або диференціальні) параметри, звані також малосигнальних параметрами напівпровідникового приладу, відповідають значенням похідною його ВАХ в заданій робочій точці. Для діода таким параметром є диференціальне опір ri д = dUд/dIд|Iд = Iд0, де Iд0 – значення струму діода в робочій точці. Практично диференціальне опір знаходиться за кінцевими вимірюваним приращениям напруги і струму щодо їх значень в робочій точці: ri д =Uд/ Iд | I д = Iд0. Виконавши такі вимірювання і розрахунки в різних точках ВАХ, можна побудувати залежності статичного і динамічного опорів діода від струму діода I д.
За виміряним значенням струмів і напруг біполярного транзистора і їх кінцевим приращениям можуть бути обчислені значення низькочастотних параметрів лінійної фізичної моделі транзистора або низькочастотних характеристичних параметрів еквівалентного йому лінійного активного чотириполюсника в заданій робочій точці , наприклад, значення низькочастотних h -параметрів:

h11 =ΔUбе/ ΔIб |Uке = const;h21 =ΔIдо/ ΔIб |Uке = const;
h12 =ΔUбе/ ΔUке | Iб = const;h22 =ΔIдо/ ΔUке | Iб = const.

За виміряним значенням струмів і напруг польового транзистора (або по виміряним ВАХ) можуть бути обчислені його низькочастотні y-параметри - крутизна і вихідна провідність:
y21 = S21 =ΔIc/ ΔUзи |Uсі = const; y22 = ΔIc/ ΔUСі | Uзи = const. (1.2)

1.5 Схеми вимірювання ВАХ і параметрів напівпровідникових приладів, засновані на вимірі напруг

Використання методу вольтметра-амперметра для вимірювання ВАХ пов'язане з вимірюванням струму в електричному ланцюзі, що представляє певні труднощі. При електронних вимірах воно здійснюється, як правило, непрямим методом шляхом вимірювання падіння напруги на зразковому (струмовимірювальні) резистори Rт, що є датчиком вимірюваного струму: :. Часто цей резистор одночасно виконує і токоограничивающие функції. Тому в практичних схемах вимірювання ВАХ і параметрів напівпровідникових приладів зводиться до вимірювання напруг.
на Рис. 1.4приведена схема вимірювання ВАХ напівпровідникового діода з застосуванням резистивного датчика струму. Вимірювання напруги на зразковому резисторі виконується за допомогою вольтметра V1. Його свідчення можуть бути безпосередньо відградуйовані в одиницях вимірюваного струму, який визначається як = ,
де  - масштабний розмірний множник.
Якщо джерело E1 видає калібровані (точно відомі) значення ЕРС, то вольтметр V1 не потрібен. Значення струму в ланцюзі при цьому визначається як I д = (E1 - Uд) / Rт, де Uд - напруга на діоді, що вимірюється вольтметром V2.





Рисунок 1.4 – Схема вимірювання ВАХ напівпровідникового діода з струмовимірювальні резистори

В іншому випадку напруга джерела E1 можна вимірювати паралельно підключеним до нього вольтметром V1. Відповідна цьому схема вимірювання для напівпровідникового стабілітрона приведена на Рис. 1.5. До стабілітрону підключено навантажувальний опір R н, задає струм навантаження Iн. Значення струму навантаження Iн і стабілітрона Iст знаходяться по виміряним за допомогою вольтметрів V1, V2 ЕРС E1 і напруги на стабілітроні Uст: Iн = Uст / Rн; Iст = (E1-Uст) / Rт - Iн.
Резистор Rт поєднує функції Струмовимірювальні і баластного опору.


Рисунок 1.5 – Схема вимірювання ВАХ стабілітрона на основі вимірювання напруги

На Рис. 1.6 приведена схема вимірювання ВАХ для біполярного транзистора n-p-n-типу з струмовимірювальні резистори Rб, Rк в ланцюгах бази і колектора транзистора.


Рисунок 1.6 – Схема вимірювання ВАХ для біполярного транзистора на основі вимірювання напруги

Керуючі напруги в ланцюгах бази і колектора задаються генераторами ЕРС Eб і Eк. Використання генератора ЕРС Eб в ланцюзі бази обгрунтовано в ряді випадків більш простий його реалізацією в порівнянні з генератором струму бази в схемі Рис. 1.3, б. Вольтметрами V1, V4 вимірюються напруги керованих генераторів Eб, Eк, вольтметрами V2, V3 - напруги Uбе, Uке, а значення струмів I б і Ік обчислюються як

Iб = (Eб - Uбе) / Rб; Iдо = (Eдо - Uке) / Rдо. (1.3)




































R








X