Учебное пособие по курсу " Электроника и микроэлектроника" для студентов, обучающихся по направлению "Электроника и микроэлектроника"

Вид материала

Учебное пособие

Содержание 2.5.Задание на моделирование характеристик транзисторов Получить и построить на одном графике входные характеристики для заданного типа транзистора при включении по схеме с общим эмитт Eк=15 В. Указания Расчет. 3.Справочные данные 1.4. Задание на моделирование и расчет характеристик диодов 13 Полупроводниковые активные элементы Электроника и микроэлектроника”

Подобный материал:

• Программа вступительного экзамена в магистратуру по направлению 210100. 68 Электроника, 78.21kb.
• Рабочая учебная программа факультет №1 Неорганической химии и технологии Кафедра неорганической, 94.02kb.
• Рабочая программа учебной дисциплины материалы и элементы электронной техники ооп 210100, 296.57kb.
• Программа государственного экзамена по направлению подготовки дипломированных специалистов, 83.37kb.
• Рабочая учебная программа по дисциплине: электротехника и электроника (Теоретические, 407.78kb.
• Курсовая работа по курсу: "Микроэлектроника и функциональная электроника" Допущено, 311.14kb.
• Рабочая программа учебной дисциплины ф эфф 1-21/01 Государственное образовательное, 130.14kb.
• 210100. 62  – Электроника и микроэлектроника, 24.24kb.
• Рабочая программа учебной дисциплины ф тпу 1- 21/01 федеральное агентство по образованию, 202.38kb.
• Программа вступительных испытаний в магистратуру кафедры «Проектирование и конструирование, 138.26kb.

2.4.Вопросы

1. 
   Начертить структуру биполярного транзистора p-n-p при включении с общей базой и показать, как перемещаются носители заряда при напряжениях на электродах, обеспечивающих активный режим работы, и как направлены постоянные токи во внешних цепях.
   
2. Начертить структуру биполярного транзистора n-p-n при включении с общей базой и показать, как перемещаются носители заряда при напряжениях на электродах, обеспечивающих активный режим работы, и как направлены постоянные токи во внешних цепях.
   
3. Начертить структуру биполярного транзистора n-p-n при включении с общим эмиттером и показать, как перемещаются носители заряда при напряжениях на электродах, обеспечивающих активный режим работы, и как направлены постоянные токи во внешних цепях.
   
4. Объяснить, как обеспечивается усиление электрических сигналов по току, напряжению и мощности при помощи биполярного транзистора.
   
5. Начертить семейство выходных характеристик биполярного транзистора при включении с общей базой, объяснить их вид и отметить области, соответствующие активному режиму, режиму отсечки и насыщения.
   
6. Начертить семейство выходных характеристик биполярного транзистора при включении с общим эмиттером, объяснить их вид и отметить области, соответствующие активному режиму, режиму отсечки и насыщения.
   
7. Пояснить, что называется рабочей точкой транзистора. Перечислить, обосновать и показать на графиках основные ограничения, принимаемые во внимание при выборе рабочей точки транзистора.
   
8. Показать на графиках и объяснить, как изменяются выходные характеристики биполярного транзистора при включениях с общей базой и с общим эмиттером с увеличением температуры.
   
9. Показать на графиках и объяснить, как изменяются входные характеристики биполярного транзистора при включениях с общей базой и с общим эмиттером с увеличением температуры.
   
10. Начертить семейство выходных характеристик биполярного транзистора при включении с общим эмиттером, выбрать рабочую точку, соответствующую активному режиму и указать, какие из Н-параметров и каким образом можно найти в этой точке.
    
11. Начертить семейство входных характеристик биполярного транзистора при включении с общим эмиттером, выбрать рабочую точку, соответствующую активному режиму и указать, какие из Н-параметров и каким образом можно найти в этой точке.
    
12. Начертить семейство характеристик прямой передачи тока биполярного транзистора при включении с общим эмиттером, выбрать рабочую точку, соответствующую активному режиму и указать, какие из Н-параметров и каким образом можно найти в этой точке.
    
13. Начертить структуру полевого транзистора с управляющим p-n переходом и n-каналом, показать способ подачи и полярность напряжений на электродах и пояснить принцип работы транзистора.
    
14. Начертить семейство выходных характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом и n-каналом, отметить участки характеристик, соответствующие различным режимам работы и назвать эти режимы.
    
15. Начертить семейство выходных характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом и p-каналом, отметить участки характеристик, соответствующие различным режимам работы и назвать эти режимы.
    
16. Начертить структуру полевого МДП транзистора с индуцированным n-каналом, показать способ подачи напряжений на электроды и объяснить принцип работы транзистора.
    
17. Начертить семейство характеристик управления для полевых МДП транзисторов с индуцированным n-каналом и p-каналом и объяснить ход характеристик для транзисторов с различными типами канала.
    
18. Начертить семейство выходных характеристик полевого МДП транзистора с индуцированным каналом, выбрать рабочую точку, соответствующую режиму насыщения, и показать, какие из дифференциальных параметров транзистора и каким образом могут быть определены в этой точке.
    
19. Начертить семейство характеристик управления полевого транзистора с управляющим p-n переходом и n-каналом, выбрать рабочую точку, соответствующую режиму насыщения, и показать, какие из дифференциальных параметров транзистора и каким образом могут быть определены в этой точке.
    
20. Начертить семейство выходных характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом и n-каналом, показать и объяснить, какие ограничения накладываются при выборе рабочей точки на этих характеристиках.
    

2.5.Задание на моделирование характеристик транзисторов

2.5.1. Характеристики биполярных транзисторов.

1. 
   Получить и построить на отдельных графиках семейство входных характеристик транзистора заданного типа при включении с общим эмиттером U_бэ=U_бэ(I_б)|U_кэ=const.
   

Условия

I_б=0 – 150 мкА; U_кэ=0, 5, 10 В.

Указания

Для моделирования рекомендуется использовать схему на рис. 2.6. Направление источника тока во входной цепи и полярность источника напряжения в выходной устанавливаются в соответствии со структурой транзистора (n-p-n или p-n-p). В выходную цепь включается источник тока, управляемый напряжением (преобразователь тока в напряжение). Использование схемы позволяет получить не только входные, но и другие семейства статических характеристик.

Значения источников тока и напряжения не имеют существенного значения при использовании в дальнейшем режима DC Sweep, однако при отсутствии его эти значения не должны выходить за пределы, указанные в условиях на моделирование.

После составления схемы и определения значений и типов всех ее элементов обозначаются узлы, и после перехода в направлении Analysis – DC Sweep (для EWB 5.12) в открывающемся окне производятся необходимые установки: источник 1 - источник тока базы, начальное и конечное значения тока (при заданных условиях соответственно 0 и 150 мкА), шаг изменения тока при свипировании (слишком малый шаг увеличивает время получения характеристики, а слишком большой приводит к снижению числа точек на характеристике и представлению ее в виде ограниченного числа отрезков прямых линий). Далее отмечается использование источника 2, в качестве которого выступает источник напряжения U_кэ. В соответствии с заданными условиями отмечаются начальное и конечное значения U_кэ , а также шаг изменения (0, 10, 5 В). В разделе Output Node устанавливается номер узла, напряжение в котором является выходной величиной для снимаемых характеристик (U_бэ, узел 4). После завершения установок производится переход к моделированию (кнопка Simulate). Изменения направления вертикальной шкалы графика, получающегося после завершения моделирования, можно добиться путем изменения точки заземления (например, переносом ее на базу транзистора) и повторного моделирования.

Если при моделировании используется EWB 5.0a или 5.0с, то получение семейства характеристик на одном графике невозможно, однако каждую характеристику в отдельности можно получить при переходе в режим Parameter Sweep (см. 1.4). В этом случае роль изменяющегося параметра играет аргумент в функциональной зависимости, обозначающей характеристику (для входной характеристики – I_б). Значение величины, которую необходимо поддерживать постоянной при получении данной характеристики (например, U_кэ для входной характеристики), следует установить непосредственно на схеме.

2. Получить и построить на одном графике семейство выходных характеристик транзистора заданного типа при включении с общим эмиттером I_к=I_к(U_кэ)|I_б=const.
   

Условия

U_кэ=0 - 10 В; I_б=0, 50, 100, 150 мкА.

Указания

Рекомендуется использовать схему на рис.2.6. В режиме DC Sweep в качестве источника 1 использовать U_кэ, в качестве источника 2 – I_б.

3. Получить и построить на одном графике семейство характеристик прямой передачи тока транзистора заданного типа при включении с общим эмиттером I_к=I_к(I_б)|U_кэ=const.
   

Условия

I_б=0 – 150 мкА; U_кэ=0, 5, 10 В.

Указания

Рекомендуется использовать схему на рис.2.6. В режиме DC Sweep в качестве источника 1 использовать I_б, в качестве источника 2 – U_кэ.

4. Получить и построить на одном графике семейство характеристик обратной связи по напряжению транзистора заданного типа при включении с общим эмиттером U_бэ=U_бэ(U_кэ)|I_б=const.
   

Условия

U_кэ=0 – 10 В; I_б=0, 50, 100, 150 мкА.

Указания

Рекомендуется использовать схему на рис.2.6. В режиме DC Sweep в качестве источника 1 использовать U_кэ, в качестве источника 2 – I_б.

5. Получить и построить на отдельных графиках для транзистора заданного типа семейства характериcтик: входных, выходных, прямой передачи тока и обратной связи по напряжению при включении с общей базой.
   

Условия

I_э=0 – 10 мА; U_кб=0, 5, 10 В (для входных характеристик), U_кб=0 – 10 В; I_э=0, 5, 10 мА (для выходных характеристик), I_э=0 – 10 мА; U_кб=0, 5, 10 В (для характеристик прямой передачи тока), U_кб=0 – 10 В; I_э= 0, 5, 10 мА (для характеристик обратной связи по напряжению).

Указания

Рекомендуется использовать схему, подобную приведенной на рис.2.6, с изменениями, учитывающими переход к другой схеме включения транзистора.

6. Получить и построить на одном графике входные характеристики для заданного типа транзистора при включении по схеме с общим эмиттером при различных температурах.
   

Условия

I_б=0 – 150 мкА; U_кэ=10 В. Использовать значения температуры 27⁰С и 50⁰C.

Указания

См. указания к п.1 раздела 1.4.

7. Получить и построить на одном графике выходные характеристики для заданного типа транзистора при включении по схеме с общим эмиттером при различных температурах.
   

Условия

U_кэ=0 – 10 В; I_б=0, 50, 100, 150 мкА. Использовать значения температуры 27⁰С и 50⁰C.

Указания

См. указания к п.1 раздела 1.4.

8. Определить H-параметры для заданного типа биполярного транзистора.
   

Условия

Заданная рабочая точка.

Указания

Для определения параметров можно воспользоваться схемой на рис.2.6 или подобной ей, включив в нее необходимые измерительные приборы (вольтметр во входную и амперметр в выходную цепи). Значения параметров находятся по результатам малых приращений токов и напряжений в цепях транзистора согласно их определениям.

Более точное и быстрое нахождение параметров возможно с помощью команды Transfer Function в разделе Analysis. Предварительно в схеме следует определить значения источников в соответствии с заданной рабочей точкой. Далее, в окне Transfer Function Analysis производятся необходимые установки. Так, например, если установить режим Voltage и отметить в строчке Output Node номер узла (4), напряжение в котором является функцией тока, отмечаемого в строчке Input Source (источник тока в цепи базы), то результатом моделирования будет определение дифференциальной передаточной функции между напряжением и током (дифференциального входного сопротивления). Значение дифференциального входного сопротивления (h₁₁, Ом) отсчитывается в строке Transfer Function открывающегося после завершения моделирования окна. Если установить номер узла выходного напряжения 5, то в результате определится параметр h₂₁. Параметры h₂₂ и h₁₂ будут найдены, если в строчке Input Source отметить источник напряжения в коллекторной цепи, а в строчке Output Node – номера узлов соответственно 2 и 4.

9. Для схем на рис.2.3 и 2.4 , содержащих транзистор заданного типа, выбрать значения элементов R_б, R_б1, R_б2, R_э, обеспечивающих работу в заданном режиме (рабочей точке). Проверить правильность выбора при помощи моделирования.
   

Условия

Заданная рабочая точка. Напряжение питания коллекторной цепи принять равным E_к=15 В.

Указания

Расчет. Для расчетов значений элементов необходимо воспользоваться полученными предварительно результатами выполнения пп.1 и 2 для транзистора заданного типа.

Моделирование. Проверка режима работы транзистора при составлении схем с выбранными значениями резисторов (рис.2.3 и 2.4) выполняется путем включения необходимых измерительных приборов в цепях и проведения моделирования.

2.5.2. Характеристики полевых транзисторов.

1. 
   Получить и построить на одном графике семейство выходных характеристик для полевого транзистора заданного типа I_с=I_с(U_с)|U_з=const.
   

Условия

U_c=0 – 15 В; U_з ≈0 – U_{з отс} (в указанном интервале U_з должно заключаться 3 – 4 значения, выбранных через равные интервалы).

Указания

Моделирование. Рекомендуется использовать схему на рис. 2.7 с двумя источниками напряжения. Для получения характеристик необходимо действовать в той же последовательности, как и при выполнения задания по п.1 и 2 в разделе 2.5.1. После выделения и нумерации узлов на схеме в режиме DC Sweep устанавливаются пределы и шаг изменения напряжения источника 1 (U_c), а установки на источнике 2 соответствуют указанным выше условиям для U_з. В строчке Output Node устанавливается номер узла, напряжение в котором пропорционально току в цепи стока с учетом коэффициента преобразования использованного источника тока, управляемого напряжением. При отсутствии в используемой версии EWB режима DC Sweep можно воспользоваться режимом

Parameter Sweep, либо, включив в схему необходимые измерительные приборы, измерить характеристики по показаниям приборов при вариациях напряжений источников.

2. Получить и построить на одном графике семейство характеристик управления для полевого транзистора заданного типа I_с=I_с(U_з)|U_с=const.
   

Условия

U_з=0 – U_{з отс}; U_c=5, 10, 15 В.

Указания

Для моделирования можно воспользоваться схемой на рис. 2.7.

3. Получить и построить на одном графике выходные характеристики для полевого транзистора заданного типа при различных температурах.
   

Условия

U_c=0 – 15 В; U_з=0 В. Использовать значения температуры 27⁰С и 50⁰С.

Указания

См. указания к п.1 разд. 1.4.

4. Определить крутизну и выходное сопротивление для заданного типа поле вого транзистора.
   

Условия

Заданная рабочая точка.

Указания

См. указания к п. 8 разд. 2.5.1.

3.Справочные данные

Физические постоянные

Заряд электрона e=1,6·10^-19 Кл.

Масса покоя электрона m₀=9,11·10^-31 кг.

Скорость света в вакууме c=2,998·10⁸ м/с.

Постоянная Планка h=6,62·10^-34 Дж/с.

Постоянная Больцмана k=1,38·10^-23 Дж/К=8,62·10^-5 эВ/К.

Энергетическая постоянная ₀=8,85·10^-12 Ф/м.


Свойства Ge и Si при T=300 K

4.Свойства	5. Ge	Si
Диэлектрическая проницаемость	16	11,8
Эффективная плотность состояний в зоне проводимости Nc, см-3	1,04·1019	2,8·1019
Эффективная плотность состояний в валентной зоне Nv, см-3	6,1·1018	1,02·1019
Ширина запрещенной зоны, эВ	0,66	1,11
Подвижность электронов n, см2/В·с	3900	1500
Подвижность дырок p, см2/В·с	1900	600
Концентрация собственных носителей заряда ni, см-3	2,5·1013	1,5·1010

ЛИТЕРАТУРА

1. Электронные приборы /В.Н.Дулин, Н.А.Аваев, В.П.Демин и др. М.: Энергоатомиздат, 1989.
   
2. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. М.: Энергоатомиздат, 1990.
   
3. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1987.
   
4. Батушев В.А. Электронные приборы. М.: Высшая школа, 1980.
   
5. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. М.: Советское радио, 1980.
   

6. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. М.: Солон-Р, 1999.

7. Панфилов Д.И., Иванов В.С., Чепурин И.Н. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. Т1,2. М.: Додэка, 1999.
   

ОГЛАВЛЕНИЕ

Учебное издание


Воробьев Михаил Дмитриевич


ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ АКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

С б о р н и к з а д а ч, в о п р о с о в

и з а д а н и й н а м о д е л и р о в а н и е


Учебное пособие

по курсу

“ Электроника и микроэлектроника”

для студентов, обучающихся по направлению

“Электроника и микроэлектроника”

Технический редактор Н.Л.Черныш

ЛР №020528 от 05.06.97

______________________________________________________________

Темплан издания МЭИ 2000 г. (1), метод.

Подписано к печати 5.12.2000

Формат бумаги 60х84/16

Печ.л. 2,25

Тираж 200 Изд.№ 51 Заказ

______________________________________________________________

Издательство МЭИ, 111250, Москва, Красноказарменная, д.14

Отпечатано в типографии ЦНИИ “Электроника”, 117415, Москва, просп.

Вернадского, д.39.


ISBN-7046-0622-9 © Московский энергетический институт 2000