Прибор для снятия ВАХ полупроводниковых приборов

В данной работе использован прибор для снятия ВАХ полупроводниковых приборов, электрическая схема которого приведена на рис. 11. Прибор предназначен для работы в паре с осциллографом CI-65A, он вырабатывает напряжения, пропорциональные току и напряжению на исследуемом полупроводниковом приборе (транзисторе), подаваемые на входы "Y" и "X" осциллографа. Для установки необходимого режима работы транзистора используется блок калибратора осциллографа, вырабатывающий калибровочное напряжение.

Прибор из-за применения в его схеме опорного напряжения только положительной полярности позволяет снимать только переходные характеристики у ПТУП с каналом n – типа и только выходные характеристики у ПТУП с каналом p – типа (они расположены в третьем квадранте и имеют поэтому перевернутый вид по отношению к показанным на рис. 7, а). У МДП–транзисторов с индуцированным n – каналом прибор позволяет снимать и выходные, и переходные характеристики.

На рис. 11 изображен выведенный на лицевую панель разъем прибора, предназначенный для подключения в его измерительную схему выводов исследуемых транзисторов, показана также нумерация клемм разъема. Сток, исток и затвор транзистора подключаются к клеммам с обозначениями соответственно "С", "И" и "3".

Измерение переходных характеристик осуществляют при крайнем правом положении переключателя S4 (режим 1). При этом калибровочное напряжение от осциллографа прилагается между истоком и стоком транзистора, а изменяющееся напряжение подаётся между истоком и затвором. Ось "Y" осциллографа соответствует току стока, а ось "Х" - напряжению . Переключатель S2 позволяет проводить измерения при положительных и отрицательных напряжениях . В схеме возможно точное численное измерение только начального участка переходной ВАХ, т.к. при возрастании тока стока увеличивается падение напряжения на резисторе в истоке транзистора и происходит выпрямление характеристики.

При снятии выходных характеристик переключатель S4 переключен в режим 2. При этом калибровочное напряжение подается на затвор транзистора, а напряжение со входа "X" осциллографа – на сток транзистора. По оси "Y" осциллографа вырабатывается сигнал, пропорциональный току , а по оси "Х" – пропорциональный напряжению

.

 

Рис. 11. Электрическая принципиальная схема для измерения ВАХ униполярных транзисторов (а) и разъем для подключения транзисторов (б).

 

К данному прибору для исследования прилагаются:

– МДП–транзистор (n –канальный, со встроенным каналом) 2П-305A;

– полевой транзистор с управляющим р-п переходом: p – канальный транзистор КП-10ЗП;

– полевой транзистор с управляющим р-п переходом: n – канальный транзистор КП-303.

На выводы транзисторов для удобства их определения надеты трубочки из полимерного материала (кембрики) разного цвета: коричневые – на выводы стока, зеленые – на вывод затвора, белые – на вывод истока. Если прибор симметричен, то на выводы стока и истока надеты белые трубочки. Транзисторы смонтированы на платах с разъемами РГ-35И.

 

Лабораторное задание

1. Ознакомиться с устройством лабораторного макета, осциллографа и правилами работы с ними.

2. Получить на экране осциллографа и зарисовать на кальку или миллиметровую бумагу следующие статические BAХ:

а) переходную характеристику полевого транзистора КП-303;

б) выходную характеристику полевого транзистора КП-10ЗП;

в) переходную характеристику МДП–транзистора 2П-305А;

г) выходную характеристику МДП–транзистора 2П-305А.

3. Пользуясь зарисованными графиками ВАХ, вычислить следующие малосигнальные параметры изучаемых элементов: коэффициент усиления , крутизну и внутреннее сопротивление канала , выбрав самостоятельно рабочую точку на соответствующей характеристике для выполнения расчетов.

4. Рассмотреть под микроскопом образец и нарисовать эскиз топологии транзистора полупроводниковой микросхемы (ПМС).

 

 

Методика выполнения работы

 

Методические указания

1. Перед тем как приступить к выполнению лабораторной работы, необходимо внимательно ознакомиться с описанием настоящей лабораторной работы, а также с инструкциями по правилам работы с микроскопом и осциллографом.

2. Ручки осциллографа разрешается вращать и переключать только во время выполнения работы и только в соответствии с порядком, указанным в описании. Следить, чтобы при выполнении работы осциллограф был заземлен.

 

Порядок выполнения работы

1. С помощью набора кабелей соединить лабораторный макет с осциллографом следующим образом:

а) гнездо "У" макета с гнездом на блоке "Усилитель Y " осциллографа;

б) гнездо на блоке осциллографа с гнездами "X" и " " на макете;

в) гнездо на блоке калибратора гнездом " " на макете.

2. Установить ручки осциллографа в следующие положения:

а) ☼ – в крайнее левое;

б) – в среднее;

в) – в крайнее правое;

г) на блоке "Усилитель Y":

– ручку способа подачи входного сигнала - в положение " ",

– " Y/дел" – в положение 0,02, ручку "плавно" – в крайнее правое положение;

– ручку ↨ – в среднее положение;

д) на блоке развертки:

– ручку "Вид развертки" - в положение " X ";

– "Время/дел" - в крайнее левое положение,

– ручки , – в средние положения;

е) на блоке синхронизации:

– переключатель "Вид синхронизации" – в положение 1:1,

– переключатель "Вид сигналов" – в положение" ";

ж) на блоке "Калибратор":

– переключатель "Виды сигналов" – в положение" —";

– переключатель "Амплитуда напряжения" – в положение "500".

3. Установить ручки на лабораторном макете в следующие положения:

а) переключатель "Род работы" – в положение "ПТ вых. хар." (позиция 4);

б) переключатель "Масштаб" – в положение "XI";

в) ручку "Регулировка напряжения" – в крайнее левое положение;

г) переключатель "Полярность напряжения" – в положение "+".

4.Вставить плату с МДП – транзистором 2П-305А в гнездо разъема на передней панели макета.

5. Подключить лабораторный макет и осциллограф с помощью сетевых кабелей к розеткам с напряжением ~220 В на стенде, предварительно проверив наличие заземления осциллографа; клемма заземления осциллографа должна быть соединена с такой же клеммой на стенде.

6. Включить тумблер "Сеть" на панели осциллографа. После 15-минутного прогрева прибора ручку регулировки яркости "☼" вывести в среднее положение.

7. С помощью регулировочных ручек перемещения луча по вертикали и горизонтали "↨" и " " вывести луч сначала в центр экрана, а затем в левый нижний угол осциллографа.

8. Вращением ручки "Регулировка напряжения" на панели макета получить на экране осциллографа выходную ВАХ МДП –транзистора при напряжении на затворе (В), где рекомендуется = 0,5 В – положение ручки "Амплитуда напряжения" на блоке "Калибратора". Наблюдаемую на экране кривую зарисовать на кальке или миллиметровой бумаге.

9. Поочередно переключая ручку "Амплитуда напряжения" на блоке "Калибратора" в другие положения, например в положения 0,2 и 1 В, получить выходные ВАХ МДП–транзистора при разных напряжениях на затворе, соответствующих положениям ручки "Амплитуда напряжения".

10. Зарисовать полученное семейство выходных ВАХ МДП–транзистора на кальке или миллиметровой бумаге.

11. Вывести ручку "Регулировка напряжения" на макете в крайнее левое положение.

12. Установить на блоке синхронизации положение ручки "1:10", на лабораторном макете переключатель "Род работы" поставить в положение "ПТ. Пер. хар." (позиция 5).

13. С помощью регулировок "↨" и " " вывести светящуюся точку примерно в середину экрана осциллографа.

14. Вращением ручки "Регулировка напряжения" на макете получить на экране осциллографа, переходную характеристику МДП–транзистора при положительном напряжении – зависимость при постоянном напряжении [B], где – положение ручки "Амплитуда напряжения" на блоке калибратора. Рекомендуемое значение =10 В.

15. Установить переключатель "Полярность напряжения" на панели лабораторного макета в положение "— ".

16. Вращением ручки "Регулировка напряжения" на панели макета получить на экране осциллографа переходную характеристику МДП–транзистора при отрицательном напряжении .

17. Зарисовать на кальке или миллиметровой бумаге наблюдаемую на экране осциллографа переходную ВАХ МДП – транзистора при обеих полярностях напряжения .

18. Вывести ручку "Регулировка напряжения" на макете в крайнее левое положение.

19. Установить другое значение ручки "Амплитуда напряжения" на блоке калибратора, например 5 или 20.

20. Повторить п. 14–19 один или два раза и получить, таким образом, семейство переходных ВАХ МДП–транзистора.

21. Вынуть плату с МДП–транзистором 2П-305А из разъема на передней панели макета.

22. Вставить плату с полевым n–канальным транзистором KП-303 в гнездо разъема на передней панели макета.

23. Установить переключатель "V/дел" на блоке "Усилитель Y" осциллографа в положение "0,1".

24. Установить на блоке синхронизации осциллографа переключатель "Вид синхронизации" в положение "1:1".

25. Установить на панели макета:

а) переключатель "Род работы" в положение "ПТ. Пер. хар."(положение 5);

б) переключатель "Масштаб" в положение "40:1";

в) переключатель "Полярность напряжения" в положение "–".

26. Светящуюся точку на экране осциллографа вывести в середину верхней части экрана, затем вращением ручки "Регулировка напряжения" на макете получить на экране осциллографа переходную характеристику полевого транзистора при постоянном напряжении [B], где – положение ручки "Амплитуда напряжения" на блоке калибратора. Рекомендуемое положение = 5 В.

27. Изменить положение ручки "Амплитуда напряжения" на блоке калибратора и получить переходную ВАХ полевого транзистора при другом значении напряжения . Рекомендуемое значение = 10 В.

28. Повторить п.27 при другом значении , например = 2 В.

29. Зарисовать на кальке или миллиметровой бумаге три кривые зависимости при различных значениях напряжения .

30. Вывести ручку "Регулировка напряжения" на макете в крайнее левое положение.

31. Вынуть плату с полевым транзистором КП-303 из разъема на передней панели макета.

32. Вставить плату с полевым р – канальным транзистором КП-10ЗП в гнездо разъема на передней панели макета.

33. Установить переключатель "V/дел " на блоке "Усилитель Y" осциллографа в положение"0,1".

34. Установить на панели макета:

а) переключатель "Род работы" в положение "ПТ Вых. хар." (положение 4);

б) переключатель "Масштаб" в положение "40:1";

в) переключатель "Полярность напряжения" в положение " — ".

35. Установить ручку "Амплитуда напряжения" на блоке калибратора в одно из положений: 0,02; 0,2; 0,5; I В.

36. Вращением ручки "Регулировка напряжения" на макете получить на экране осциллографа выходную ВАХ полевого транзистора при постоянном напряжении , где – положение ручки "Амплитуда напряжения" на блоке калибратора.

Примечание: выходная ВАХ p – канального полевого транзистора лежит в третьем квадранте.

37. Изменить положение ручки "Амплитуда напряжения" на блоке калибратора и получить выходную ВАХ полевого транзистора при другом значении напряжения калибратора .

38. Повторить п.37.

39. Зарисовать на кальке или миллиметровой бумаге три кривые зависимости при различных значениях напряжения .

40. Вывести ручку "Регулировка напряжения" на макете влево до конца.

41. Вынуть плату с транзистором КП-10ЗП из разъема на передней панели макета.

42. Отключить лабораторный макет и осциллограф от сети.

43. Рассчитать масштабы полученных графиков – численные значения тока и напряжения на одно большое деление на экране осциллографа (оно приблизительно равняется 1 см). Отметить масштабы по осям графиков токов (ось Y) и напряжений ось (Х).

Масштаб тока в амперах на одно большое деление на экране осциллографа ( 1 см) определяется для всех графиков по формуле

,

где Y – положение ручки регулировки "V/дел" блока "Усилитель Y " на панели осциллографа.

Масштаб напряжения в вольтах на одно большое деление не экране осциллографа определяется по следующим формулам:

для МДП–транзистора:

– масштаб напряжения выходной ВАХ

;

– масштаб напряжения переходной ВАХ
;

для полевых транзисторов:

– масштаб напряжения выходной ВАХ
;

– масштаб напряжения переходной ВАХ
,

где – коэффициент, определяемый положением переключателя "Масштаб" на панели макета, в положении "X1" = 1, в положении "Х40" = 40; значение коэффициента определяется положением переключателя "Вид синхронизации" на блоке синхронизации осциллографа. При положении этого переключателя "1:1" = 1, а при положении "1:10" = 10.

44.Включить микроскоп, рассмотреть и зарисовать эскиз топологии транзистора ПМС (вид сверху и сечение). Обозначить выводы к истоку, затвору и стоку, тип электропроводности различных областей структуры.

45.Сделать расчеты согласно п. З лабораторного задания.

46.Оформить отчет о проделанной работе.

 

Требования к отчету

 

Отчет должен содержать:

1) титульный лист;

2) конспект с указанием цели работы и основными теоретическими сведениями (2-4 стр.);

3) графики полученных ВАХ с разметкой масштабов по осям, аккуратно вычерченные на кальке или миллиметровой бумаге;

4) результаты расчета по полученным ВАХ статистических параметров транзисторов , и ;

5) эскиз транзистора ПМС.

 

Контрольные вопросы

1. Каковы способы управления током в униполярных транзисторах?

2. Каковы отличия между МДП–транзисторами и полевыми транзисторами с управляющим переходом?

3. Каков принцип работы МДП–транзистора?

4. Какие разновидности МДП–транзисторов Вам известны?

5. Что такое "пороговое напряжение" МДП–транзистора и от чего оно зависит?

6. Нарисовать энергетическую диаграмму МДП–транзистора.

7. Какие режимы работы МДП–транзистора Вам известны? Нарисовать ВАХ и показать на ней области, соответствующие различным режимам.

8. Почему при превышении напряжением напряжения насыщения ток остается практически постоянным, а не увеличивается с ростом ?

9. Как определяется параметр "удельная крутизна" МДП –транзистора, что он характеризует и какие свойства транзистора определяет?

10. Напишите выражения для малосигнальных статических параметров МДП– и полевых транзисторов с управляющим переходом. Каким образом их можно подсчитать по ВАХ?

11. Каков принцип работы полевого транзистора с управляющим р-п переходом?

12. В чем состоят особенности полевых транзисторов, их отличия от МДП–транзисторов?

13. Каковы преимущества МДП–транзисторов по сравнению с полевыми транзисторами с управляющим р-п переходом?

14. Почему МДП– и полевые с управляющим р-п переходом транзисторы называются униполярными, а не биполярными?

 

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов.- М.: Лаборатория базовых знаний, 2001-2003 – 488 с.

2. Митрофанов О.В., Симонов Б.М, Коледов Л.А. Физические основы функционирования изделий микроэлектроники.- М.: Высшая школа, 1987 -167 с.

3. Лачин В.И., Савёлов Н.С. Электроника: Учебное пособие для вузов, 3-е изд.- Ростов н /Д: Феникс, 2002 – 572 с.

4. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов.- М.: Радио и связь, 1990, 264с.

5. Щука А.А. Электроника: Учебное пособие.-СПб.: БХВ-Петербург, 2005.-800с.

6. Штернов А.А. Физические основы конструирования, технологии РЭА и микроэлектроники.- М.: Радио и связь, 1981, 248 с.

7. Бурбаева Н.В., Днепровская Т.С. Сборник задач по полупроводниковой электронике.-М.: Физматгиз, 2004.-168с.

 

 

Лабораторная работа №9

Изучение конструкций и характеристик элементов полупроводниковых

микросхем

 

Цель работы: изучить конструкции полупроводниковых микросхем (ПМС), конструкции и характеристик пассивных и активных элементов ПМС.

Продолжительность работы - 4 ч.

Аппаратура

 

Для выполнения работы требуется следующая аппаратура:

1) лабораторный макет, состояний из кассеты с полупроводниковыми микросхемами;

2) микроскоп типа ММУ-3 или его аналог.

 

Теоретические сведения

Термины и определения.

Полупроводниковая интегральная схема - микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой пластины.

Аналоговая интегральная схема - микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции во времени.

Частным случаем аналоговой интегральной схемы является микросхема с линейной характеристикой (линейная микросхема).

Цифровая интегральная схема - микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции во времени.

Частным случаем цифровой микросхемы является логическая микросхема.

Полупроводниковая пластина – заготовка из полупроводникового материала, используемая для изготовления полупроводниковых интегральных схем.

Кристалл - часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы элементы полупроводниковой микросхемы, межэлементные соединения и контактные площадки.

Тип интегральной схемы – микросхема конкретного конструктивно-технологического исполнения, выполняющая определённые функции и имеющая собственное обозначение.

Серия интегральных схем – совокупность типов интегральных схем, обладающих конструктивной, электрической и, при необходимости, информационной и программной совместимостью, и предназначенных для совместного использования. Микросхемы одной серии выполняют различные, взаимодополняющие функции.

 

 

Рис.1. Иерархическая структура конструкции ПМС