Исследование полупроводниковых приборов

Учебное пособие содержит лабораторные работы, выполняемые студентами при изучении курсов "Физические основы электроники", "Промышленная электроника", "Преобразовательная техника" и других курсов с близкими названиями. Оно предназначено для студентов всех электротехнических специальностей энергетического факультета.

Основная задача данного цикла лабораторных работ – научить студентов работать с электронными приборами и интегральными схемами и закрепить изученный материал. Все работы разбиты на 2 цикла: осциллограф и полупроводниковые приборы и микроэлектроника.

Для более глубокого изучения материала студенты дома до выполнения лабораторной работы производят предварительные расчеты и построения. Каждый студент получает индивидуальное задание. Лабораторная работа в значительной степени является проверкой предварительно выполненного задания. При отсутствии домашнего задания выполнение лабораторной работы нецелесообразно.

Для проверки знаний студентов перед лабораторной работой проводится коллоквиум на основе контрольных вопросов, помещенных в пособии.

Особое внимание при выполнении лабораторных работ уделяется развитию навыков работы с электронным осциллографом.

После выполнения лабораторной работы студенты составляют индивидуальные отчеты. Отчеты содержат как результаты проверки индивидуальных заданий, так и результаты общих экспериментальных исследований.

Общие рекомендации к выполнению лабораторных работ

Порядок выполнения работ

Перед выполнением работ все студенты должны изучить правила техники безопасности применительно к лаборатории промышленной электроники, для чего преподавателем проводится инструктаж. Краткий инструктаж проводится также на каждом занятии.

При подготовке к лабораторной работе необходимо:

1) ознакомиться с ее содержанием и, пользуясь рекомендованной литературой и конспектом лекций, изучить теоретические положения, на которых базируется работа;

2) выполнить предварительные расчеты и построения, указанные в задании для своего варианта;

3) изучить схему лабораторной установки и продумать методику выполнения лабораторной работы;

4) ответить на контрольные вопросы.

Перед выполнением каждой лабораторной работы необходимо сдать коллоквиум и представить отчет по предыдущей работе. Вопросы коллоквиума составлены на основе контрольных вопросов пособия

При выполнении лабораторной работы необходимо:

1) ознакомиться с рабочим местом, проверить наличие необходимых приборов и соединительных проводов;

2) проверить положение стрелок электроизмерительных приборов и если требуется, установить на нуль; приборы с несколькими пределами измерения включить на наибольший предел;

3) произвести сборку схемы;

4) после разрешения преподавателя включить питание и приступить к выполнению работы;

5) в начале каждого опыта, изменяя напряжения и токи в допустимых пределах, качественно оценить характер зависимости, а затем произвести требуемые измерения. При снятии характеристик надо обязательно снять крайние точки. Наибольшее число измерений следует производить на участках резкого изменения наклона характеристик, а на линейных участках независимо от их протяженности достаточно снимать по три точки. Характеристики строятся непосредственно во время проведения эксперимента;

6) в ходе работы и по ее окончанию полученные данные представлять на проверку преподавателю;

7) схему разбирать только после проверки преподавателем результатов опыта (перед разборкой не забудьте выключить источник питания);

8) по окончании работы привести в порядок рабочее место.

Оформление отчетов по лабораторным работам

В отчете должна быть сформулирована цель проведенной работы и представлены следующие материалы:

1) схемы экспериментов;

2) расчет заданного варианта;

3) рассчитанные характеристики и подтверждающие их экспериментальные характеристики, построенные в одних осях координат;

4) сравнительные таблицы экспериментальных и расчетных данных;

5) все остальные экспериментальные характеристики;

6) обработанные осциллограммы;

7) выводы (анализ экспериментальных данных, вида кривых, причин погрешностей и т.д.).

Отчет оформляется чернилами или шариковой ручкой. Схемы вычерчиваются карандашом. Графики строятся на листах миллиметровой бумаги карандашом и вклеиваются в отчет. Отчет может быть напечатан на принтере.

Опытные точки могут иметь разброс. Экспериментальные кривые проводят плавно, максимально приближая к экспериментальным точкам. На графиках приводят название, обозначают, к какому опыту они относятся, и указывают постоянные величины, определяющие условия опыта. На осях координат надо обязательно указать, какая величина по ним отложена, в каких единицах она измеряется, и нанести деления. Цена деления должна быть удобной для работы.

Работа №1

Изучение электронного осциллографа

Цель работы

Освоение измерений напряжения, тока электронным осциллографом; определение масштабов напряжения, тока, времени.

Теоретическая часть

Электронный осциллограф предназначен для записи или наблюдения на экране электронно-лучевой трубки изменений электрических сигналов во времени, а также для измерения различных электрических величин. Структурная схема осциллографа приведена на рис.1.

Рис.1. Структурная схема осциллографа

Основным блоком осциллографа является электронная лучевая трубка (ЭЛТ). Катод К в трубке служит источником электронов. Электроны собираются в узкий луч при помощи электрического или магнитного поля специальных электродов или катушек с током. Электронный луч фокусируется на экране, который образуется внутренней стороной стеклянного баллона трубки, покрытой люминофором. Схематическое устройство ЭЛТ с электростатическим управлением приведено на рис.2.

Металлический катод К, подогреваемый током металлической нитиН,имеет форму стакана. Катод охвачен полым цилиндрическим модулятором М с отверстием на оси. Модулятор имеет отрицательный потенциал относительно катода, который регулируется потенциометром R₁. Чем меньше напряжение модулятора, тем меньше плотность электронного потока, проходящего через модулятор и, следовательно, тем меньше яркость изображения на экране.

Электроны, прошедшие через модулятор, попадают в электрическое поле первого А₁ и второго А₂ анодов, имеющих вид полых металлических цилиндров. Анодам сообщаются высокие положительные потенциалы от источника питания через делитель R₁–R₂–R₃. Регулировкой потенциала первого анода с помощью потенциометра R₂ добиваются точной фокусировки пучка электроновнаповерхности экрана.

Для управления положением светящегося пятна на экране применяются отклоняющие пластины X и Y, которые расположены взаимно перпендикулярно. При изменении разности потенциалов между Y₁ и Y₂, а также X₁ и Х₂ изменяется положение электронного лучана экране благодаря воздействию электростатических полей отклоняющих пластин на электроны. Разность потенциалов между пластинами Х определяет положение луча по горизонтали, а разность потенциалов между пластинами Y – положение луча по вертикали.

Канал вертикального отклонения луча содержит входное устройство и широкополосный усилитель (усилитель Y). Входное устройство содержит делитель напряжения, который позволяет регулировать чувствительность канала Y, кроме того, в него входит устройство задержки сигнала. Задержка сигнала вводится для того, чтобы напряжение развертки луча поступило на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ с опережением относительно сигнала, что позволяет наблюдать на экране начало процесса.

На выходе усилителя Y создается напряжение, пропорциональное входному сигналу и вызывающее вертикальное отклонение луча. Усилитель обеспечивает чувствительность канала Y в пределах до 2500 мм/В при сравнительно низкой чувствительности ЭЛТ в пределах 0,1…0,4мм/В.

Канал горизонтального отклонения луча состоит из входного устройства, усилителя канала синхронизации, генератора развертки и усилителя горизонтального отклонения (усилитель X). Входное устройство канала Х не имеет устройства задержки сигнала. Генератор развертки создает линейно изменяющееся напряжение, которое через усилитель Х поступает на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ.

Рис.2. Схематическое изображение электронно-лучевой трубки

Сигналы от входного устройства Y или Х поступают на генератор развертки через усилитель синхронизации. С помощью переключателя П₂ генератор развертки может быть исключен из канала X. Тогда на горизонтально отклоняющие пластины подается напряжение, пропорциональное сигналу на входе X.

Пусть осциллограф работает в режиме развертки, для которого на схеме показано положение переключателей П₁–П₃. Если на входе Y сигнал отсутствует, то линейно изменяющееся напряжение генератора развертки смещает электронный луч по экрану ЭЛТ слева направо с постоянной скоростью. При этом на экране получатся прямая. По окончании действия напряжения, генератора развертки луч возвращается в исходное положение в левой части экрана. После этого процесс повторяется. Смещение X луча по горизонтали пропорционально времени t.

Пусть на входе Y появляется напряжение u(t). Благодаря напряжению генератора развертки на экране будет наблюдаться развертка исследуемого напряжения во времени. Для получения устойчивого изображения необходимо синхронизировать напряжение генератора развертки с исследуемым сигналом. Допустим, что напряжение сигнала u(t) изменяется во времени по синусоидальному закону, период Т_С которого отличается от периода напряжения развертки Т_Р(рис.3). В этом случае по окончании периода развертки луч не вернется в исходное положение, т.к. u(t₁) не вернулось в нулевое значение. Второму периоду развертки будет соответствовать кривая 2, смещенная на экране относительно кривой 1 на величину ∆T = Т_С – Т_Р, и т.д. На экране наблюдается «бегущая синусоида».

Для получения устойчивого изображения необходимо выполнить соотношение Т_Р = nТ_С, где n – целое число.Если n = 1, то на экране наблюдается один период исследуемого сигнала; при n = 2, 3,... на экране наблюдается два, три, и т.д. периодов сигнала.

Существует три вида синхронизации: от сети; внутренняя; внешняя. Синхронизация от сети применяется в том случае, если исследуются сигналы токов и напряжений, равные или кратные частоте сети 50 Гц. Такие сигналы действуют в выпрямителях, инверторах, ведомых сетью, непосредственных преобразователях частоты и др.

При внутренней синхронизации входное устройство входа Y запускает усилитель канала синхронизации, который вырабатывает короткие импульсы с частотой исследуемого сигнала. Полученные импульсы поступают на генератор развертки, который генерирует импульсы с частотой, равной или кратной частоте сигнала. При внешней синхронизации переключатель П₅ находится в положении 2, и запуск генератора развертки производится внешним сигналом.

С помощью переключателя П₁ генератор развертки может быть исключен из канала X. Тогда на горизонтально отклоняющие пластины можно подать напряжение, пропорциональное сигналу на входе X. На входе Х отсутствует делитель напряжения, поэтому чувствительность канала не регулируется и масштаб напряжения определяется по эталонному сигналу. Например, эталонный сигнал с амплитудой 1 В отклоняется по оси х на расстояние 1,5 см, масштаб напряжения определяется отношением 1 В/1,5 см = 0,66 В/см.

Экспериментальная часть

1. Проведение измерения напряжений при помощи вертикального входа Y.

Установить род работы «», замерить напряжение источника питания: +15 В, +27 В, +6,3 В, –6,3 В, +9 В, –9 В. При этом пользоваться разными положениями делителя напряжения на вертикальном входе. Тумблер «Усилитель Y» поставить в положение «х10». Прямая измеряемого напряжения не должна выходить за пределы экрана. Результаты измерения занести в таблицу, например, при измерении напряжения +15 В. Зарисовать осциллограммы напряжений.

Таблица 1 – Варианты измерения постоянных напряжений