Материалы электронной техники

МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Методические указания к лабораторным работам по курсу

«Материалы электронной техники и основы микроэлектроники»

 

Великий Новгород

 

 

 

УДК 621.382

Материалы электронной техники: Метод. указания. /Сост. Г.М. Емельянова/

НовГУ, Великий Новгород, 2004. – 46 с.

 

 

В методических указаниях дано краткое описание лабораторных работ по исследованию удельного сопротивления металлических проводников, измерению параметров диэлектрических материалов разных классов, исследование основных характеристик металлических ферромагнетиков, нелинейных свойств сегнетокерамики.

Методические указания предназначены для студентов ФТФ всех специальностей.

Ил. 6, табл. 22, библиогр. 7 назв.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1. Электрические свойства проводниковых материалов 1

2. Диэлектрические потери и диэлектрическая проницаемость

электроизоляционных материалов 11

3. Зависимость диэлектрической проницаемости диэлектриков

от температуры 17

4. Исследование сегнетоэлектриков 25

5. Исследование свойств металлических ферромагнетиков 32

 

Библиографический список 40

6. Выпрямительный диод 41

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Описание каждой работы содержит небольшое теоретическое введение, позволяющее студентам быстро понять смысл измеряемых физических величин и параметров. Материал дан в очень сжатой форме, и поэтому для углублённого его усвоения необходимо использовать рекомендованную литературу.

После выполнения лабораторной работы каждый студент оформляет отчёт, который должен содержать:

1)принципиальную схему испытательной установки;

2)краткое изложение сущности применённого метода исследования материалов;

3)описание материалов (тип, состав, строение, свойства, основные области применения, с которыми студенты ознакомились в данной работе);

4)основные формулы, по которым производились расчёты, и примеры вычислений;

5)результаты наблюдений и вычислений, оформленные в виде таблиц, графиков и отдельных записей;

6)критическую оценку полученных результатов и сопоставление их с лекционным материалом и справочными данными.

- 1 -

Определение удельного электрического сопротивления различных проводников при комнатной температуре.

Включить измерительный прибор в сеть и прогреть его в течение 5 мин. Тумблер «нагрев» не включать. Переключатель рода работ установить в положение “R”, а переключатель пределов измерений – в положение “200 Ом”. Последовательно измерить сопротивление плёночных (поз. 1…5) и проволочных (поз. 6…10) резисторов, производя переключения на более грубый предел измерений при перегрузке прибора. Результаты измерений и геометрические размеры плёночных резисторов записать в табл.1.1, а проволочных – в табл.1.1*

 

Таблица 1.1

 

Металл или сплав	R,Ом	l, мм	b, мм	RS, Ом/□

 

 

Таблица 1.1*

Металл или сплав	R, Ом	l, мм	D, мм	S, мм^2	ρ, мкОм·м

 

 

- 4 -

Определение температурных зависимостей сопротивления проводников и термо – ЭДС.

Измерить значения сопротивлений R1, R2, R3 при комнатной температуре. Включить нагреватель и установить регулятор температуры в первое положение. После стабилизации температуры в термостате повторить измерение сопротивлений R1, R2,R3. Далее переключатель рода работ поставить в положение “U” и определить значения термо-ЭДС термопар при установившейся температуре. Аналогично провести измерения при других температурах (до160ºС включительно) При каждом цикле измерений регистрировать температуру холодного спая термопары. Результаты измерения сопротивлений записать в табл.1.2, а значения термо-ЭДС занести в табл.1.3.

Таблица 1.2

 

Медь	Никель	Константан
t, ºC	Rt, Ом	αρ, K^­–1	t, ºC	Rt, Ом	αρ, K^­–1	t, ºC	Rt, Ом	αρ, K^­–1

 

Таблица 1.3

 

tгор, ºС	tхол, ºС	ΔT, K	ΔUAB, мВ
Медь- манганин	Медь-никелин	Медь-константан

 

По данным табл.1.2 и 1.3 с учётом погрешности измерений строят усреднённые графики R(t) и ΔU_AB = f(T).

 

1.4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

 

1.4.1. Вычисление удельного сопротивления проводников производят по формуле:

,

где R – сопротивление проводника; S – площадь поперечного сечения; l - длина проводника. Результаты заносят в табл.1.1*.

Физические свойства сплавов

Сплав	Плотность, d, г / см	Удельное объёмное сопр., ρ, мкОм см	Температ. коэфф. удельного сопр., αρ, 10 / К	Температ. коэфф. линейного расшир., αl, 10 / К	Термо – ЭДС относительно меди, αT, мкВ / К
Константан МНМц 40 – 1,5	8,9	42 – 52	(-2) – (+6)	17,0	40,0 – 50,0
Манганин МНМц 3 – 12	8,4	46 – 49	(-5) – (+4)	18,0	1,0 – 2,0
Никелин МНЖМц 30 – 08 – 1	8,7			16,0	20,0
Нихром Х20Н80	8,4	103 – 116		16,3	20,9

СПЛАВЫ МЛТ – многокомпонентные хромосилицидные сплавы (т.е. сплавы кремния и хрома), легированные одновременно двумя и более элементами из ряда: никель, железо, алюминий, вольфрам. Для изготовления тонкоплёночных резисторов микросхем используется сплав МЛТ – 3М.

 

 

- 10 -

 

КЕРМЕТЫ – металлокерамические композиции, например, на основе хрома (металл) и моноокиси кремния (диэлектрик). Удельным поверхностным сопротивлением керметных плёнок можно управлять в самых широких пределах.

НИХРОМЫ – сплавы никеля и хрома, используемые для получения тонких резистивных плёнок со сравнительно небольшими значениями поверхностного сопротивления.

Таблица П.3

Подготовка к испытанию

Поставить переключатель рода работ на лицевой панели прибора в положение «УСТ. НУЛЯ», а потенциометр «УРОВЕНЬ» - в крайнее левое положение. Включить тумблер «СЕТЬ», разомкнуть контакт S в цепи образца. С помощью переключателя «ДИАПАЗОНЫ» и верньерного устройства «ЧАСТОТА» установить частоту, указанную преподавателем. После прогревания ламп в течение 3-5 минут переключатель «ШКАЛЫ Q» поставить в положение «200», ручками «НУЛЬ Q» и «НУЛЬ УРОВНЯ» установить нули ламповых вольтметров. В ходе дальнейших измерений производить периодическую проверку положения нуля.

Переключатель рода работ поставить в положение «ИЗМЕРЕНИЕ». Ручкой «УРОВЕНЬ» поставить стрелку вольтметра уровня PV 1 на красную риску и поддерживать в этом положении во время измерений.

 

 

2.3.2. Определение диэлектрической проницаемости и tg δ твёрдых диэлектриков

Плавно вращая ручку измерительного конденсатора «ЁМКОСТЬ, pF», и совмещённую с ней ручку подстроечного конденсатора «Δc, pF» настроить контур в резонанс по максимальному отклонению стрелки вольтметра PV 2. Отсчитать значение добротности контура Q₁ и резонансной ёмкости. Резонансная ёмкость с₁ представляет собой сумму ёмкостей основного с₀ и добавочного с_{0 доб} конденсаторов.

С помощью съёмной ручки подключить к измерительному контуру испытуемый образец. Уменьшая ёмкость конденсатора с₀, вновь добиться резонанса в контуре. Зафиксировать резонансные параметры Q₂ и с₂.

Аналогичным образом произвести измерения других образцов. Результаты измерений, а также геометрические размеры диэлектриков записать в табл. 2.1.

 

- 14 -

 

Таблица 2.1

Результаты определения диэлектрической проницаемости и tg δ твёрдых диэлектриков

Материал	С1, Ф	Q1	С2, Ф	Q2	h, мм	D, мм	CХ, Ф	CКР, Ф	СД , Ф	ε	tg δ

 

 

2.3.3. Определение температурной зависимости tg δ для масляно – канифольного компаунда

Подключить к измерительному контуру электродную систему с исследуемым компаундом. Измерить tg δ при комнатной температуре, добиваясь резонанса в колебательном контуре. Включить нагрев сосуда – электрода и поднять температуру компаунда до 120ºС. Отключить питание нагревателя и снять зависимость tg δ (t) при охлаждении компаунда, производя настройку контура через каждые 20ºС. Результаты наблюдений записать в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Тангенс угла диэлектрических потерь масляно – канифольного компаунда при различных температурах

 

t, ºC	С1, пФ	Q1	С2, пФ	Q2	tg δ

 

После окончания работы выключить питание измерительной установки. 

 

 

2.4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

 

2.4.1. Вычисление диэлектрической проницаемости испытуемых диэлектриков производится по измеренной ёмкости и геометрическим размерам образца с учётом его формы. Для ёмкости плоского конденсатора справедливо выражение:

(2.1)

 

где ε₀ = 8,85·10^-12 Ф/м – электрическая постоянная; ε – относительная диэлектрическая проницаемость; S – площадь электродов; h – толщина диэлектрика.

Следует учитывать, что у краёв электродов поле искажается, поэтому расчёт по формуле (2.1) может давать заметную погрешность. Измеренная ёмкость с_x складывается из двух составляющих:

 

- 15 -

 

где с_д – ёмкость, соответствующая потоку электрической индукции в диэлектрике (по значению этой ёмкости вычисляют диэлектрическую проницаемость); с_кр – краевая ёмкость, обусловленная потоком индукции в воздухе между электродами. Краевая ёмкость может быть определена из рис. 2.2, где её значение указано в процентах от ёмкости воздушного конденсатора с тем же расстоянием h между электродами, что и в случае испытуемого образца. Для расчёта с_в используется формула (2.1), в которой надо положить ε = 1.

С учётом краевой ёмкости диэлектрическая проницаемость изоляционного материала рассчитывается по формуле:

 

где

 

Рис.2.2. Зависимость краевой ёмкости от размеров конденсатора

 

2.4.2. Вычисление тангенса угла потерь испытуемых диэлектриков производится по формуле:

(2.2)

где с₁ – ёмкость контура в момент резонанса без образца, равная сумме ёмкостей настроечных конденсаторов с₀ и c_{0 доб}; c_x – ёмкость подключённого образца; Q₁ и Q₂ – добротность измерительного контура при отключённом и включённом образце, соответственно.

Результаты расчётов ε и tg δ занести в табл.2.1.

 

- 16-

 

Подготовка к испытанию

Переключатель образцов на пульте установить в положение «С ». Включить прибор для измерения ёмкости и подготовить его к работе в соответствии с инструкцией по эксплуатации. Отметить частоту, на которой производится измерение ёмкости.

Пользуясь прибором в соответствии с инструкцией по эксплуатации, измерить ёмкость проводников, соединяющих образцы в термостате с прибором «С ».

3.3.2. Измерение ёмкости и tg δ образцов при комнатной температуре

Включить на пульте тумблер «Сеть» и отметить значение комнатной температуры.

Переключатель образцов на пульте установить в положение, соответствующее определённому материалу, и провести измерение. Ёмкость образца будет равна разности показаний прибора и c₀. Измерить ёмкость всех образцов при комнатной температуре.

ВНИМАНИЕ! При использовании цифровых приборов следует выбирать такой предел измерений ёмкости, чтобы крайняя левая цифра индикатора была значащей.

 

-20-

 

В том случае, если прибор наряду с ёмкостью позволяет измерять и потери, произвести одновременно измерение tg δ для всех образцов. Результаты измерений занести в табл.3.1.

 

3.3.3. Снятие температурных зависимостей ёмкости и tg δ

Поставить переключатель «Установка температуры» в крайнее левое положение. Включить на пульте тумблер «Нагрев». После прекращения роста температуры (через 2 – 3 мин.) отметить значение установившейся температуры и произвести измерение ёмкости и tg δ всех образцов. Результаты измерений занести в табл. 3.1.

Поочерёдно, переводя переключатель «Установка температуры» в следующее положение (вплоть до крайнего правого), повторить измерения при других установившихся температурах.

После окончания измерений вернуть переключатель «Установка температуры» в крайнее левое положение, выключить измеритель ёмкости и тумблеры «Нагрев» и «Сеть».

 

Таблица 3.1

 

Ёмкости и tg δ образцов диэлектриков при разных температурах (f = 1000 Гц)

 

t,   ºC	Образцы
С1 пФ	tg δ1	С2 пФ	tg δ2	С3 пФ	tg δ3	С4 пФ	tg δ4	С5 пФ	tg δ5

 

 

3.4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

 

Подготовка к испытанию и градуировка осей осциллографа

Соедините выход генератора сигналов с гнездом G измерительного стенда, к гнезду PV подключите ламповый вольтметр, входы каналов осциллографа соедините с гнёздами X и Y измерительного стенда соответственно. Выведите на минимум против часовой стрелки регулятор выхода генератора сигналов. Переключатель S1 измерительного блока поставьте в положение «Калибровка». Включите приборы в сеть. С помощью ручек ↔ и ↕ добейтесь положения луча в центре экрана. Установите частоту сигнала 50 Гц. При помощи регулятора выхода генератора получите на экране осциллографа предельную ПГ. Напряжение U­_R, измеряемое ламповым вольтметром, должно равняться при этом приблизительно 1В.

-37-

Примечание: предел шкалы ослабления и величину выходного сопротивления генератора здесь и при выполнении других пунктов работы надо устанавливать в такие положения, чтобы сигнал нужной величины регулировался достаточно плавно.

Ручками усиления осциллографа произведите коррекцию ПГ так, чтобы координаты её вершин X₀ и Y₀ равнялись 5 делениям шкалы, считая от центра экрана. При дальнейшей работе ручки усиления не трогать! Измерьте и запишите напряжения U_X = U_R и U_Y = U_C, устанавливая в соответствующие положения переключатель S2.

 

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ ДИОД

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Выпрямительный диод - это электронный прибор с двумя внешними выводами, предназначенный для выпрямления переменного тока. В идеале он не должен вносить электрических потерь в схему выпрямителя. Это означает, что в прямом направлении падение напряжения на диоде должно быть как можно меньше. В обратном направлении выпрямительный диод должен иметь как можно меньшие обратные токи и выдерживать как можно большее напряжение.

Существуют две основные разновидности выпрямительных диодов – элек­тровакуумные и полупроводниковые. Последние, как обеспечивающие меньшие потери в выпрямительных схемах, почти полностью вытеснили первые.

Масса, габариты и стоимость выпрямительных устройств чаще всего определяются не диодами, а другими компонентами этих устройств. Поэтому выпрямительные диоды чаще всего выполняются в виде дискретных изделий - либо в виде одиночных диодов, либо в виде сборок из четырех диодов.

В лабораторной работе исследуются дискретные полупроводниковые диоды на основе германия и на основе кремния. В них использованы толстые, то есть невырожденные, электронно-дырочные (p-n) переходы.

 

1.1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Научиться определять статические и дифференциальные параметры выпрямительных диодов.

 

1.2 ЗАДАЧИ

 

Для достижения поставленной цели Вам необходимо выполнить следующие задачи:

- ознакомиться со справочными данными испытуемых диодов;

- провести измерения статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) диодов при прямом и обратном включении при комнатной и повышенной температурах;

- построить статические ВАХ испытуемых диодов при различных температурах;

- рассчитать статические и дифференциальные параметры диодов.

 

 

- 42 -

 

1.3 ПОРЯДОК И МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

 

1.3.1 Из справочника /1/ выпишите кратко основные электрические параметры испытуемых диодов, начертите условное графическое обозначение выпрямительного диода, дайте эскиз внешнего вида. Расшифруйте маркировку.

1.3.2 С помощью измерительного блока, передняя панель которого с элементами управления и контроля режимов диодов показана на рисунке 1, проведите измерение статических ВАХ диодов /2, раздел II-3; 3, раздел 3-1; 4, раздел 3, 19/.

Перед включением измерительного макета в сеть 220 В проверьте наличие заземления корпуса прибора.

Измерение статических ВАХ диодов с помощью лабораторного макета производится по точкам методом вольтметра - амперметра.

Принципиальная электрическая схема измерительного блока приведена на рисунке 1.2.

При измерении статических ВАХ диодов в прямом направлении необходимо задавать токи диодов и измерять соответствующие им напряжения на диодах.

При обратном включении задавайте напряжения на диодах и измеряйте соответствующие им значения токов.

Увеличение напряжения на диоде производите до достижения максимальных показаний вольтметра или амперметра на самом грубом пределе измерения.

Указанные измерения проводите при комнатной и повышенной (» 40°С) температурах. Термостат, в котором находятся испытуемые диоды, помещен внутрь измерительного блока. Включение и регулировка интенсивности нагрева термостата производится ключом, расположенным на передней панели измерительного блока. Измерение температуры в термостате производится автоматически с помощью электронного термометра, датчиком температуры которого служит биполярный транзистор (см. рисунок 1.1 и 1.2).

1.3.3 Используя результаты полученных измерений, постройте семейства статических ВАХ отдельно для германиевого и кремниевого диодов /2, раздел 11.3; 3, раздел 3.1/.

1.3.4 По статическим ВАХ диодов определите их статические параметры /2, раздел 11.4; 3, раздел 3.1/ и укажите их на рисунках:

 

 

- 43 -

 

 

 

 

- среднее прямое напряжение диода U_пр.ср. при I_пр. = 0,5 А;

- средний обратный ток диода I_обр.ср. при U_обр. = 50 В.

Рассчитайте:

- прямое сопротивление диода по постоянному току r_пр.д. при I_пр.ср. = 0,5 А;

- обратное сопротивление диода по постоянному току r_обр.д. при I_обр.ср.

 

- 44 -

 

1.3.5 Рассчитайте дифференциальные параметры диодов методом графического дифференцирования /2, раздел 11.4; 3, раздел 3.1/ при комнатной температуре:

- дифференциальное сопротивление диода в прямом направлении r_дф.пр. при U_пр.ср.;

- дифференциальное сопротивление диода в обратном направлении r_дф.обр. при I_обр.ср.;

- температурный коэффициент обратного тока ТКI при U_обр.=const;

- температурный коэффициент прямого напряжения ТКU при I_пр.=const.

1.3.6 Изобразите простейшую эквивалентную схему диода, укажите природу входящих в схему элементов и их влияние на работу диода.

Отчет о выполненной работе должен содержать результаты измерений и вычислений по всем пунктам задания.

Для успешной защиты вы должны уметь пояснить ход статических ВАХ диодов из кремния и германия, знать их статические и дифференциальные параметры, уметь их определять.

 

Библиографический список

 

1 Баюков А.В. и др. Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: Справочник. - М.: Энергоиздат, 1982. - 744 с.

2 Дулин В.Н. Электронные приборы: Учебник. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1977. - 424 с.

3 Батушев В.А. Электронные приборы: Учебник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1980. - 383 с.

4 Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы: Учебник. - 3-е изд., переработ. и доп. - М.: Высш. шк., 1981. - 431 с.

 

 

 

МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ