Электроника
Методические указания по выполнению
Скачать 0,79 Mb.
|
Praktikum 1 Foe
- Навигация по данной странице:
- 4. Содержание отчета
- 5. Контрольные вопросы
- Исходные данные
- Результаты при Т=300 К
- ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ И ИХ КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ Цель работы
- Краткие теоретические сведения
| 3. Методические указания по выполнению
3.1. Вызвать программу лабораторной работы, для чего кликнуть мышью на ярлыке ЛАБ2 на рабочем столе. 3.2. Ввести исходные данные согласно заданному преподавателем номеру варианта и данным таблицы 1. При вводе чисел пользоваться экспоненциальной формой записи, например, число 31015 вводится как 3Е15, а число 10-4 как 1Е-4. Результаты расчета занести в табл. 2. 3.3. Изменить исходные данные так, чтобы сопротивление омического контакта уменьшилось. Измененные исходные данные и результаты занести в табл. 2. 3.4. Изменить исходные данные так, чтобы толщина перехода увеличилась (что увеличивает напряжение пробоя). Измененные исходные данные и результаты занести в табл. 2. 3.5. Изменить исходные данные так, чтобы уменьшилась барьерная емкость перехода. Измененные исходные данные и результаты занести в табл. 2. 4. Содержание отчета Отчет должен содержать: – название и цель работы; – рисунки обоих вариантов перехода (с экрана); – заполненную табл. 2. 5. Контрольные вопросы 1. Какой характер и почему имеют металло-полупроводниковые переходы при ? 2. Какой характер и почему имеют металло-полупроводниковые переходы при ? 3. Как на свойствах металло-полупроводниковых переходов отражается состояние поверхности полупроводника? 4. От чего зависит сопротивление омического контакта? 5. Какой вид имеет ВАХ контакта Шотки? От чего зависит тепловой ток? 6. От чего зависит напряжение пробоя контакта Шотки? Как его можно увеличить? 7. От чего зависит барьерная ёмкость контакта Шотки? Какова её роль? Как её можно уменьшить? 8. В чём и почему диоды Шотки превосходят р-n диоды? В чём им уступают? Таблица 1. Данные исходных вариантов
Таблица 2. Результаты исследования
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ И ИХ КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ Цель работы Изучение особенностей полупроводниковых диодов различных типов и их компьютерных моделей различной степени сложности и точности. Краткие теоретические сведения Полупроводниковые диоды являются одними из наиболее распространённых электронных элементов. Ещё чаще их основа - p-n переход или другие виды контактов полупроводник-полупроводник или полупроводник-металл используются как составные части транзисторов и интегральных схем. Простейшей компьютерной моделью полупроводникового диода является электронный ключ, обладающий нулевым сопротивлением при прямом напряжении и бесконечным – при обратном. Такая модель отражает главное свойство диода – одностороннюю проводимость. Однако при этом не учитывается наличие прямого и обратного сопротивлений, их нелинейность и другие важные свойства реальных диодов. Более совершенной является модель, основывающаяся на формуле Шокли (так называемая «теоретическая» или «идеализированная» вольт-амперная характеристика (ВАХ): I = I0(exp(V/VT) – 1) (1) Диод при этом моделируется, как зависимый источник, зависимость тока I которого от приложенного напряжения V описывается выражением (1). Здесь I0 – ток насыщения – главный параметр диода, определяющийся размерами, особенностями конструкции, типом полупроводника; VT – термический потенциал kT/q. График такой ВАХ представлен на рис. 1, кривая 1. Но и такая модель не отражает важнейших свойств реального диода: возникновение пробоя при обратном напряжении, наличие наклона начальной части обратной ветви ВАХ, вырождение экспоненты в линейную зависимость тока от напряжения в области больших прямых токов (рис. 1, кривая 2). Кроме того, такая модель не учитывает инерционные свойства диода: согласно (1), поведение диода не зависит от частоты и времени, т.е. частотные и импульсные свойства полагаются идеальными. Поэтому при моделировании электронных схем используются более совершенные модели. Главными требованиями при этом являются обеспечение достаточной точности и в тоже время достаточной простоты в математическом смысле. В противном случае при разработке сложных электронных устройств, например интегральных схем для компьютеров, включающих сегодня миллиарды р-n и подобных переходов, разработчикам не хватает ресурсов даже суперкомпьютеров. Iпр 1 2 Iпр IC V обр Vпр Vобр BV Vпр 1 VC 2
Рис. 1. Идеализированная (1) и Рис. 2. ВАХ усложнённой реальная (2) ВАХ диода компьютерной модели На рис. 2 приведена ВАХ более сложной и точной модели. Диод также представляется зависимым источником тока, однако эта зависимость описывается не одним, а тремя уравнениями. Это позволяет отобразить два близких к прямой участка ВАХ простейшими уравнениями первой степени. Уравнение (2) описывает участок пробоя, уравнение (4) – линейную часть ВАХ при прямом напряжении. Уравнение (3) – уравнение Шокли, которое хорошо описывает среднюю часть ВАХ диода. Частотные и импульсные свойства диода учитываются введением в эквивалентную схему емкости диода С, а наклон допробойной части ВАХ достигается введением в схему сопротивления утечки RL. I (V – BV)/RZ при V < BV (2) C I = I0(exp(V/VT) – 1) при BV V VC (3) RL IC + (V – VC)/RS при V > VC (4) Максимальное совпадение ВАХ модели с ВАХ реального диода или перехода достигается нахождением точных значений параметров модели. Например, параметр BV определяет напряжение пробоя, а параметры RZ и RS – наклон участков пробоя и линейной зависимости тока от прямого напряжения соответственно. Существуют многочисленные библиотеки параметров моделей выпускаемых промышленностью диодов и других элементов, без которых моделирование и разработка электронных устройств невозможна. В данной модели сильная и сложная зависимость тока насыщения I0 от температуры T учитывается соотношением: I0 = IS(T/Tкомн )3exp(-EG(1/T – 1/Tкомн)/k), (5) где IS – ток насыщения при комнатной температуре Tкомн, EG – ширина запрещенной зоны, k – постоянная Больцмана. Примерной границей, где экспоненциальная ВАХ переходит в линейную, является точка с координатами VC, IC, которые также являются параметрами модели. Свойства диода при переменном токе учтены введением в эквивалентную схему полной емкости C: C = CJ + CD, (6) где CJ и CD - барьерная и диффузионная емкость диода соответственно. Эти емкости определяются обычными формулами: CJ = CJ0/(1 – V/VJ)M, CD = TTI/VT, (7), (8) где CJ0 – барьерная емкость при нулевом напряжении, VJ – контактная разность потенциалов, М – коэффициент, учитывающий степень влияния обратного напряжения на величину барьерной емкости, TT – среднее время жизни (пролёта) неосновных носителей в базе, I – прямой ток. Таким образом, данная модель включает следующие параметры: IS – saturation current – ток насыщения (тепловой ток) при Ткомн; BV – reverse breakdown “knee” voltage – напряжение пробоя; RS – series resistance – минимальное сопротивление открытого состояния (сопротивление базы); CJ0 – zero-bias junction capacitance (depletion capacitance) – барьерная емкость при нулевом напряжении; RL – junction leakage resistance – сопротивление утечки; EG – energy gap – ширина запрещенной зоны; M – junction grading coefficient – показатель степени в выражении для барьерной емкости; VJ – junction potential – контактная разность потенциалов; TT – transit time – среднее время жизни (время пролета) неосновных носителей в области базы; RZ – Zener resistance – дифференциальное сопротивление на участке пробоя; VC, IC – примерные координаты точки на прямой ветви, где экспоненциальная зависимость переходит в линейную. Не следует путать параметры модели с независимыми переменными I, V, T. Описанная модель стала основой для моделей большей точности и сложности профессиональных программ PSPICE и подобных. Большинство перечисленных параметров – основные и в этих, более сложных моделях. Число параметров в более точных и сложных моделях диодов может превышать 30, главным образом, за счёт многочисленных температурных коэффициентов, учитывающих температурную зависимость основных параметров. Скачать 0,79 Mb. Поделитесь с Вашими друзьями:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||