Elektronikos pagrindų laboratoriniai darbai

VILNIAUS GEDIMINO TECHNIKOS UNIVERSITETAS

S. Štaras, A. Geižutis, Š. Paulikas

ELEKTRONIKOS PAGRINDAI

Laboratorinių darbų metodikos nurodymai

Vilnius “Technika” 2000

2

UDK 621.382(075.8) S.Štaras, A.Geižutis, Š.Paulikas. Elektronikos pagrindai. Laboratorinių darbų metodikos nurodymai. V.: Technika, 2000. 72 p. Leidinys skirtas Elektronikos fakulteto studentams, studijuojantiems elektronikos pagrindų kursą. Jame pateikiami Elektronikos pagrindų kurso (studijų moduliai Elektronikos pagrindai – 1 ir Elektronikos pagrindai – 2) laboratorinių darbų metodiniai nurodymai.

Leidinį rekomendavo VGTU Elektronikos fakulteto studijų komitetas.

Recenzavo habil. dr. prof. R.Kirvaitis ir doc. dr. V.Urbanavičius.

© S. Štaras, A. Geižutis, Š. Paulikas

3

Turinys Įvadas ......................................................................................... 4 Elektrosaugos patarimai ............................................................... 5 1. Procesų ir elektronikos įtaisų modeliavimas............................... 6 2. Mikrodalelės savybių analizė .................................................... 8 3. Pasiskirstymo funkcijų tyrimas ............................................... 12 4. Puslaidininkių krūvininkų koncentracijų analizė ...................... 15 5. pn sandūrų voltamperinių charakteristikų analizė ..................... 19 6. pn sandūrų voltamperinių charakteristikų tyrimas..................... 22 7. pn sandūrų talpų tyrimas......................................................... 27 8. MOP struktūrų tyrimas ........................................................... 33 9. Tunelinio diodo tyrimas.......................................................... 38 10. Dvikrūvio tranzistoriaus tyrimas............................................ 42 11. Lauko tranzistoriaus tyrimas ................................................. 46 12. Diodų ir tranzistorių modeliavimas........................................ 50 13. Tiristorinio optrono tyrimas .................................................. 54 14. Puslaidininkinių mikroschemų gamybos procesų modeliavimas58 15. Puslaidininkinių integrinių schemų elementų tyrimas ............. 62 16. Paviršinių akustinių bangų įtaisų modeliavimas...................... 65 Literatūra .................................................................................. 71 A priedas................................................................................... 71 B priedas................................................................................... 72

4

Įvadas

Elektronikos pagrindų laboratoriniai darbai turi padėti studentams įsisavinti paskaitų medžiagą, įgyti eksperimentinio darbo įgūdžių ir taikyti teoriją sprendžiant praktinius uždavinius. Konkretus kiekvieno laboratorinio darbo tikslas pateikiamas jo aprašyme.

Laboratorinis darbas susideda iš kelių etapų.

1. Ruošdamasis laboratoriniam darbui, studentas turi susipažinti su laboratorinio darbo tikslu ir atlikti užduotis, kurios numatytos darbo aprašymo atitinkamame skyriuje.

2. Laboratorijoje atliekami visi užduotyje nurodyti skaičiavimai ir matavimai. Pagal juos milimetriniame popieriuje arba kompiuteriu braižomos kreivės ar grafikai.

Darbo rezultatai parodomi dėstytojui. Skaičiavimai ir matavimai laikomi baigtais tada, kai dėstytojas patvirtina gautus rezultatus. Tik po to matavimo grandinė išardoma.

Laboratorinio darbo metu būtina laikytis darbo saugos ir laboratorijos vidaus tvarkos taisyklių. Laboratorinis darbas gali būti atliekamas tik leidus dėstytojui ir jam esant laboratorijoje.

3. Kiekvienas studentas rengia laboratorinio darbo ataskaitą. Ataskaitoje turi būti visi darbo aprašyme numatyti punktai. Nespėjęs užbaigti ataskaitos laboratorijoje, studentas privalo ją užbaigti iki kito užsiėmimo laboratorijoje.

Ataskaitos pradinės dalies pavyzdys pateiktas A priede. Laboratoriniai darbai atliekami pagal semestro pradžioje

paskelbtą tvarkaraštį. Studento darbas pagal laboratorinių darbų programą vertinamas

pažymiu, nuo kurio priklauso galutinis Elektronikos pagrindų egzamino pažymys.

5

Elektrosaugos patarimai

Dirbant su elektra, galima gauti elektros smūgį. Kad taip neatsitiktų, prieš pradedant darbą būtina apsvarstyti pavojaus laipsnį ir pasirinkti saugos priemones. Dirbant būtina laikytis elektrosaugos taisyklių, dirbti atsargiai, susikaupus, ugdyti saugaus darbo įgūdžius.

Keli svarbūs patarimai: 1. Nedirbkite vienas. Būkite pasirengęs gelbėti bendradarbį, jeigu

įvyktų nelaimė. 2. Naudokite tik techniškai tvarkingus prietaisus ir įrankius. 3. Prieš naudodami prietaisą, pagalvokite ir patikrinkite, ar jis

saugus. Naudokite trijų laidų maitinimo kabelius. Prietaisų su dvilaidžiais maitinimo kabeliais metaliniai korpusai turi būti įžeminti.

4. Dirbkite viena ranka. Kita ranka nelieskite metalinių paviršių. 5. Būkite atsargūs naudodami įrankius ir kitas priemones, kurios gali

sukelti trumpąjį jungimą. 6. Jeigu reikės atlikti litavimą arba laidų montavimą (kirpti laidus),

užsidėkite apsauginius akinius. 7. Jeigu jūsų bendradarbis atsidurtų pavojuje, nedelsdamas išjunkite

laboratorijos maitinimą. Gelbėdamas nukentėjusį, veikite ryžtin-gai, bet apgalvotai, kad nenukentėtumėte pats.

8. Niekada neišdykaukite, kai kitas žmogus dirba su elektra.

Gerbkite saugaus darbo taisykles. Tobulinkite elektrosaugos žinias ir įgūdžius.

Kai dirbate su elektra, klaida gali būti lemtinga – suklydęs Jūs galite nebeturėti galimybės ją ištaisyti!

6

1. Procesų ir elektronikos įtaisų modeliavimas

1.1. Darbo tikslas Susipažinti su elektronikos įtaisų, puslaidininkinių struktūrų ir

procesų modeliavimo principais taikant tipinius programų paketus. Išmokti naudotis programų paketu.

1.2. Modeliavimo principai. Programų paketai Taikant matematinius modelius galima pilniau ir giliau ištirti

procesų ir įvairių įtaisų savybes. Kai sudarytas matematinis modelis, skaičiavimams galima

panaudoti tipinius programų paketus (EXCEL, MATLAB, MATHCAD ir kt.).

Šio laboratorinio darbo tikslas yra susipažinti su tipinio programų paketo taikymu. Įgytomis žiniomis teks remtis atliekant kitus laboratorinius darbus.

1.3. Laboratorijoje:

1. Sekdami dėstytoju: a) Sudarykite funkcijos xbxaxy sin2 += skaičiavimo programą.

Čia x – argumentas, a ir b – parametrai. Paėmę pradinius duomenis iš 1.1 lentelės, atlikite skaičiavimus.

1.1 lentelė

b) Sudarykite kreivių )(1 xy ir )(2 xy grafiką. Įterpkite grafiko

vardą, ašių pavadinimus, žinias apie kreivių parametrus, parinkite linijų tipą, storį, raidžių dydžius ir t.t.

Variantas a b x 1 1 5 [1, 10], žingsnis: 1 2 0,5 1 [1, 10], žingsnis: 1

7

2. Sudarykite perdavimo funkcijos skaičiavimo programą pagal 1.2 lentelėje duotą matematinį modelį (variantą nurodys dėstytojas). Įvesdami nurodytas parametro c reikšmes, atlikite skaičiavimus.

1.2 lentelė

Matematinis modelis 1c 2c 3c x )exp()sin10( xcxcxy −+= 1 2 4 [0, 2],

žingsnis: 0,1 )exp()sin( 2 xcxcxy −+= 1 2 3 [0, 1],

žingsnis: 0,01 )exp()sin( 2 xcxcxy −+= 0,5 1 2 [0, 2],

žingsnis: 0,1 )exp()sin10( xcxcxxy −+=

1 1,5 2 [0, 1],

žingsnis: 0,01

)exp()sin2( 2 cxxcxy −+= 0,5 1 2 [0, 2], žingsnis: 0,05

3. Nubrėžkite funkcijų )(1 xy , )(2 xy , )(3 xy grafiką. 4. Išnagrinėkite rezultatus ir parenkite ataskaitą.

1.3. Ataskaitos turinys

1. Darbo tikslas. 2. Pradiniai duomenys. 3. Skaičiavimų rezultatai. 4. Grafikai. 5. Išvados (aptarkite parametro c įtaką perdavimo funkcijai )(xy ).

8

2. Mikrodalelės savybių analizė

2.1. Darbo tikslas Mikrodalelės savybių modeliavimas ir analizė.

2.2. Teorija ir pagrindinės formulės Mikrodalelės pasižymi banginėmis savybėmis. Mikrodalelę

atitinka de Broilio banga, kurios dažnis ν ir bangos ilgis λ išreiškiami formulėmis

ph=λ , (2.1) hW=ν . (2.2) Čia h – Planko konstanta; W – dalelės energija, p – jos impulsas. Laisvosios mikrodalelės spektras yra ištisinis. Jos kinetinė energija

22

2k

mWk

!= ; (2.3)

čia λπ= 2k yra bangos skaičius; π= 2/h! ; m – mikrodalelės masė. Mikrodalelė gali atsispindėti nuo žemo potencialinio barjero. Atspindžio nuo žemo ir be galo plataus potencialinio barjero (2.1 pav., a) koeficientas išreiškiamas formule:

2

21

21

+−=

kkkkR ; (2.4)

čia !11 2mWk = ir !22 2mWk = – bangos skaičiai, 1W – mikro-dalelės pradinė kinetinė energija (prieš susiduriant su barjeru),

bWWW −= 12 – mikrodalelės kinetinė energija barjero srityje, bW – barjero aukštis. Mikrodalelė, kaip de Broilio banga, atsispindi nuo žemo be galo plataus potencialinio barjero arba jį įveikia. Barjero skaidrumo koeficientas išreiškiamas formule RD −=1 . Jeigu žemas barjeras yra baigtinio pločio d (2.1 pav., b), jo skaidrumo koeficientas

9

( )1

11

222

4sin1

−

−

+=b

b

WWWdkWD . (2.5)

Mikrodalelė gali prasiskverbti per aukštą, bet ploną potencialinį barjerą. Tai – tunelinis reiškinys. Aukšto stačiakampio barjero (pav. 2.2, a) skaidrumo koeficientas ( )!WmdDD ∆−= 22exp0 . (2.6)

Čia 0D yra artimas vienetui proporcingumo koeficientas, .1WWW b −=∆

Jei barjeras trikampis (2 pav., b), skaidrumo koeficientas išreiš-kiamas formule ( )!324exp WmdD ∆−≅ . (2.7)

0

M

1 2

W

x

W1

W2

0

M

1 2

W

x

W1

W2

a b

d

2.1 pav. Žemas be galo platus (a) ir žemas baigtinio pločio d (b)

potencialiniai barjerai, su kuriais susiduria mikrodalelė M.

0 M

W

x

W1

Wb

a b

d

∆W

0 M

W

x d

∆W

2.2 pav. Stačiakampis (a) ir trikampis (b) aukšti barjerai

10

Aukštą trikampį barjerą gali sutikti elektronai pn sandūros srityje. Tokio barjero plotis d priklauso nuo pn sandūroje veikiančio elektrinio lauko: qEWd ∆≅ ; (2.8) čia q e= – elektrono krūvio absoliutinė vertė , E – elektrinio lauko stiprumas pn sandūros nuskurdintajame sluoksnyje. Potencialo duobėje esančios mikrodalelės energijos spektras yra diskretinis. Kai mikrodalelė yra vienmatėje be galo gilioje stačiakampėje duobėje, jos energijos leistinės reikšmės nW priklauso nuo bangos skaičiaus n :

22

2

8n

mahWn = ; (2.9)

čia a yra duobės plotis, m – mikrodalelės masė, n = 1; 2; 3;…

2.3. Pasirengimas darbui: • Naudodamiesi paskaitų konspektu ir literatūra [1, p. 7–25],

išnagrinėkite mikrodalelių ir atomų elektronų savybes. • Pasirenkite atsakyti į kontrolinius klausimus: 1. Nuo ko ir kaip priklauso mikrodalelę atitinkančios de Broilio

bangos ilgis? 2. Nuo ko ir kaip priklauso de Broilio bangos dažnis? 3. Paaiškinkite neapibrėžtumo sąryšių esmę. 4. Kokia mikrodalelės klasikinių parametrų neapibrėžtumo priežas-

tis? 5. Kokią informaciją apie mikrodalelę teikia banginės funkcijos

amplitudė? 6. Kas įvyksta mikrodalelei susidūrus su žemu potencialiniu barjeru? 7. Kas įvyksta, kai mikrodalelė sutinka aukštą potencialinį barjerą? 8. Kokiomis sąlygomis pasireiškia tunelinis efektas? 9. Kuo skiriasi laisvosios mikrodalelės ir mikrodalelės potenciali-

nėje duobėje energijos spektrai? 10. Kaip galima nusakyti elektrono būseną atome?

11

2.4. Užduotis laboratorijoje: 1. Atsakyti į kontrolinį klausimą. 2. Pagal nurodytus pradinius duomenis ištirti mikrodalelės savybes

vienu iš šių atvejų: a) kai mikrodalelė susiduria su žemu be galo plačiu poten-

cialiniu barjeru (rasti atspindžio koeficiento R priklausomybę nuo santykio bWW1 );

b) kai mikrodalelė susiduria su žemu baigtinio pločio potencia-liniu barjeru (rasti atspindžio koeficiento R priklausomybes nuo bWW1 , atitinkančias skirtingus barjero storius d );

c) kai mikrodalelė sutinka aukštą stačiakampį barjerą (rasti skaidrumo koeficiento D priklausomybę nuo barjero pločio d ir mikrodalelės masės m );

d) kai mikrodalelė sutinka aukštą trikampį barjerą (rasti skaidrumo koeficiento D priklausomybę nuo barjero storio d ir mikrodalelės masės m )

e) kai mikrodalelė yra vienmatėje be galo gilioje potencialo duobėje (rasti mikrodalelės leistinių energijos reikšmių priklausomybes nuo duobės pločio a).

3. Atlikus skaičiavimus, sudaryti grafikus, išnagrinėti ir paaiškinti gautus rezultatus.

4. Parengti ataskaitą.

2.5. Ataskaitos turinys 1. Darbo tikslas. 2. Pradiniai duomenys. 3. Skaičiavimų rezultatai. 4. Grafikai. 5. Išvados.

12

3. Pasiskirstymo funkcijų tyrimas

3.1. Darbo tikslas Metalų ir puslaidininkių laisvųjų elektronų savybių ir pasi-

skirstymo funkcijų analizė.

3.2. Teorija ir pagrindinės formulės Dalelių sistemų savybėms tirti taikomi statistikos metodai. Nagrinėjant metalo laisvųjų elektronų savybes taikoma kvantinė

Fermio ir Dirako statistika. Leistinių energijos lygmenų tankis išreiškiamas formule:

( ) ( ) 2/12/33

24cWWm

hVWg −π= ; (3.1)

čia W – energija, cW – energija, atitinkanti laidumo juostos dugną, h – Planko konstanta, V – turis, m – elektrono masė. Fermio ir Dirako pasiskirstymo funkcija, aprašanti tikimybę, kad kvantinė būsena W užpildyta elektronų, išreiškiama formule:

( )[ ] 1exp1

+−=

kTWWf

FF . (3.2)

Čia FW – Fermio energija; k – Bolcmano konstanta, T – absoliučioji temperatūra. Metalo laisvųjų elektronų pasiskirstymas pagal energijas aprašomas formule

( ) ( ) ( ) ( )( )[ ] 1exp

242 3

23

+−⋅π==

kTWWW

hmVWfWgWN

FF . (3.3)

Kai tenkinama sąlyga ( )[ ] 1exp >>− kTWW F , laisvųjų elektronų sistema yra neišsigimusi ir jai galioja klasikinė Maksvelo ir Bolcmano statistika. Įrodoma kad

e nhmkT

W W kTF c( ) //( )

− =3

3 22 2π. (3.4)

Čia n – laisvųjų elektronų koncentracija.

13

Įvertinant (3.4), neišsigimusio puslaidininkio laisvųjų elektronų pasiskirstymas aprašomas formule:

f W kT Wk kW kTk( ) ( ) e/ /= − −2 3 2

π. (3.5)

Čia W W Wk c= − – laisvųjų elektronų kinetinė energija. Integruojant pasiskirstymo funkciją, galima rasti skaičių dalelių, kurių kinetinė energija didesnė nei W ∗ :

∫∞

Σ

∗

∗

=W

kk WWfNN d)( ; (3.6)

čia NΣ – bendras dalelių skaičius sistemoje. Jeigu 0* =W , tai N N∗ =Σ 1 .

3.3. Pasirengimas darbui:

• Naudodamiesi paskaitų konspektu ir literatūra [1, p. 37–48], išnagrinėkite statistinės fizikos principus, pasiskirstymo funkcijas ir metalų bei puslaidininkių elektronų savybes.

• Pasirenkite atsakyti į kontrolinius klausimus: 1. Kokia statistika nagrinėja metalo laisvuosius elektronus? 2. Kokios statistikos dėsningumai galioja neišsigimusiai mikro-

dalelių sistemai? 3. Kokia statistika taikoma grynojo puslaidininkio elektronams? 4. Kokia sandaugos N(W)dW prasmė? Čia N(W) – dalelių pasiskirs-

tymo pagal energijas funkcija, dW – energijos intervalas nuo W iki W+dW.

5. Užrašykite Fermio ir Dirako pasiskirstymo išraišką ir nubrėžkite funkcijos grafiką.

6. Kokia Fermio ir Dirako pasiskirstymo funkcijos prasmė? 7. Paaiškinkite Fermio energijos prasmę. 8. Užrašykite ir paaiškinkite mikrodalelių sistemos neišsigimimo

sąlygą. 9. Kokiomis sąlygomis laisviesiems kietojo kūno elektronams

galioja klasikinės statistikos dėsningumai?

14

10. Kaip kinta neišsigimusios sistemos dalelės vidutinė energija, kylant temperatūrai?

3.4. Užduotis laboratorijoje:

1. Atsakyti į kontrolinį klausimą. 2. Pagal nurodytus pradinius duomenis atlikti vieną iš šių užduočių:

a) apskaičiuoti Fermio ir Dirako pasiskirstymo funkciją skirtingose temperatūrose;

b) apskaičiuoti metalo laisvųjų elektronų pasiskirstymus pagal energijos reikšmes skirtingose temperatūrose;

c) apskaičiuoti grynojo puslaidininkio laisvųjų elektronų pasiskirstymus pagal energijos reikšmes skirtingose tempe-ratūrose;

d) apskaičiuoti neišsigimusio priemaišinio puslaidininkio Fermio lygmens priklausomybę nuo temperatūros, kai laisvųjų elektronų koncentracija pastovi;

e) apskaičiuoti puslaidininkio elektronų, kurių kinetinė energija didesnė nei W ∗ , koncentracijos priklausomybes nuo W ∗ ir temperatūros T .

3. Atlikus reikalingus skaičiavimus, sudaryti grafikus, išnagrinėti ir paaiškinti gautus rezultatus.


3.5. Ataskaitos turinys 1. Darbo tikslas. 2. Pradiniai duomenys. 3. Skaičiavimų rezultatai. 4. Grafikai. 5. Išvados.

15

4. Puslaidininkių krūvininkų koncentracijų analizė

4.1. Darbo tikslas Fizikinių procesų, lemiančių krūvininkų koncentraciją puslai-

dininkiuose, analizė. Krūvininkų koncentracijų priklausomybių nuo priemaišų, temperatūros ir puslaidininkio parametrų tyrimai.

4.2. Teorija ir pagrindinės formulės 4.2.1. Grynajame puslaidininkyje laisvųjų elektronų

koncentracija ni lygi skylių koncentracijai pi : ( )kTWNNpn VCii 2/exp ∆−== . (4.1)

Čia ( ) 2/32/22 hkTmN nC π= , (4.2)

( ) 2/32/22 hkTmN pV π= , (4.3)

CN – efektinis laidumo juostos būsenų (energijos lygmenų) tankis, VN – efektinis valentinės juostos lygmenų tankis, W∆ – draustinės

energijos juostos plotis, k – Bolcmano konstanta, T – absoliučioji temperatūra, h – Planko konstanta, nm – efektinė elektrono masė,

pm – efektinė skylės masė. 4.2.2. Elektronų koncentracija donoriniame puslaidininkyje žemų

temperatūrų srityje (iki temperatūros TS) išreiškiama formule: ( )kTWNNn DCDn 2/exp ∆−= , (4.4)

čia DN – donorinių priemaišų koncentracija, DW∆ – priemaišinio atomo jonizacijos energija.

Vidutinių temperatūrų srityje laisvųjų elektronų koncentracija nn donoriniame puslaidininkyje lygi donorinių priemaišų koncentracijai:

Dn Nn = . (4.5)

16

Aukštų temperatūrų srityje (kai T> iT ) donorinį puslaidininkį galima laikyti grynuoju: jame savųjų krūvininkų koncentracija viršija priemaišinių elektronų koncentraciją nn .

Temperatūras TS ir Ti galima apskaičiuoti pagal formules:

)/ln( DC

DS NNk

WT ∆= ir )/ln( 2

DVCi NNNk

WT ∆= . (4.6)

4.2.3. Skylių koncentracija akceptoriniame puslaidininkyje skai-čiuojama pagal formules (4.1)–(4.6), tik vietoje NC reikia rašyti NV, vietoje ND – akceptorinių priemaišų koncentraciją NA. 4.2.4. Šalutinių krūvininkų koncentracija priemaišiniame puslai-dininkyje randama, remiantis veikiančiųjų masių dėsniu:

22ii pnnp == . (4.7)

4.2.5. n puslaidininkyje Fermio lygmuo vidutinių temperatūrų srityje esti virš draustinės juostos vidurio. Atstumas tarp laidumo juostos dugno ir Fermio lygmens išreiškiamas formule:

D

cFc N

NkTWW ln=− . (4.8)

4.2.6. p puslaidininkyje Fermio lygmuo vidutinių temperatūrų srityje esti žemiau draustinės juostos vidurio. Fermio lygmens nuotolis nuo valentinės juostos viršaus išreiškiamas formule:

A

vvF N

NkTWW ln=− . (4.9)

4.2.7 Atliekant skaičiavimus reikalingi puslaidininkinių medžiagų ir priemaišų parametrai pateikti 4.1 ir 4.2 lentelėse


• Naudodamiesi paskaitų konspektu ir literatūra [1, p. 48–64], išnagrinėkite fizikinius procesus, lemiančius krūvininkų koncentraciją puslaidininkiuose. Išnagrinėkite, kaip krūvininkų koncentracija priklauso nuo priemaišų, temperatūros ir puslaidininkių parametrų.

• Pasirenkite atsakyti į kontrolinius klausimus:

17

4.1 lentelė

Puslaidininkis Kristalo gardelė Draustinės juostos plotis eV

Ge Si

GaAs InP

Deimanto tipo Deimanto tipo Cinko blizgio Cinko blizgio

0,67 1,12 1,43 1,29

4.2 lentelė

Medžiaga Priemaiša Jonizacijos energija

germanyje eV Jonizacijos energija

silicyje eV AW∆ DW∆ AW∆ DW∆

B Al Ga In P

As Sb

A A A A D D D

0,0104 0,0102 0,0108 0,0112

– – –

– – – –

0,0120 0,0127 0,0096

0,045 0,057 0,065 0,072

– – –

– – – –

0,044 0,049 0,039

1. Kokie krūvininkai lemia grynojo puslaidininkio laidumą? 2. Kaip kinta krūvininkų koncentracija grynajame puslaidininkyje

kylant temperatūrai? 3. Kokie krūvininkai atsiranda yrant kovalentiniams ryšiams? 4. Kokie krūvininkai atsiranda vykstant donorinių priemaišų atomų

jonizacijai? 5. Ar normalioje temperatūroje donoriniai lygmenys užimti? 6. Aptarkite Fermio lygmens padėtį donoriniame puslaidininkyje

normalioje temperatūroje. 7. Ar normalioje temperatūroje akceptoriniai lygmenys užimti elekt-

ronų? 8. Kokią padėtį užima Fermio lygmuo akceptoriniame puslai-

dininkyje normalioje temperatūroje? 9. Kas lemia pagrindinių krūvininkų koncentraciją priemaišiniame

puslaidininkyje normalioje temperatūroje?

18

10. Nuo ko ir kaip priklauso šalutinių krūvininkų koncentracija normalioje temperatūroje? Kaip ji priklauso nuo temperatūros?


1. Atsakyti į kontrolinį klausimą. 2. Pagal nurodytus pradinius duomenis:

a) apskaičiuoti dviejų puslaidininkių, besiskiriančių draustinės juostos pločiu, savųjų krūvininkų koncentracijų priklau-somybes nuo temperatūros;

b) apskaičiuoti pagrindinių ir šalutinių krūvininkų koncentracijų priklausomybes nuo temperatūros, kai skirtingos puslai-dininkio priemaišų koncentracijos;

c) apskaičiuoti pagrindinių ir šalutinių krūvininkų koncentracijų priklausomybes nuo temperatūros puslaidininkiuose, legiruo-tuose skirtingomis to paties tipo priemaišomis, kai priemaišų koncentracijos vienodos;

d) apskaičiuoti n puslaidininkio Fermio lygmens priklausomy-bes nuo temperatūros, kai skirtingos priemaišų koncentra-cijos;

e) apskaičiuoti p puslaidininkio Fermio lygmens priklausomy-bes nuo temperatūros, kai skirtingos priemaišų koncentra-cijos.

3. Atlikus reikalingus skaičiavimus, sudaryti grafikus, išnagrinėti ir paaiškinti gautus rezultatus.


4.5. Ataskaitos turinys 1. Darbo tikslai. 2. Pradiniai duomenys. 3. Skaičiavimų rezultatai. 4. Grafikai. 5. Išvados.

19

5. pn sandūrų voltamperinių charakteristikų analizė

5.1. Darbo tikslas Išsiaiškinti procesus, vykstančius pn sandūroje, ištirti pn sandūros

voltamperinės charakteristikos (VACH) priklausomybę nuo temperatūros, sandūros ploto ir puslaidininkio medžiagos.

5.2. Teorija ir pagrindinės formulės 5.2.1. Idealios pn sandūros (idealaus diodo) VACH išreiškiama

formule: ( )1e / −= kTqU

sII (5.1) Čia I – srovė, Is – pn sandūros atbulinė soties srovė, U – prie

sandūros prijungta įtampa, q – elektrono krūvio absoliuti vertė, k – Bolcmano konstanta, T – absoliučioji temperatūra.

5.2.2. Realaus diodo VACH tiesioginė šaka aprašoma formule: ( )

−−= 1exp 1

kTIRUqII s . (5.2)

Čia R1 – p ir n sričių varža. 5.2.3. Realaus diodo VACH atbulinė šaka aprašoma formule:

21exp

RU

kTqUII s +

−= . (5.3)

Čia R2 – nuotėkio varža. 5.2.4. pn sandūros soties srovė išreiškiama formule:

+=

Ap

p

Dn

nis NL

DNL

DqSnI 2 , (5.4)

čia S – pn sandūros plotas, ni – savųjų krūvininkų koncentracija, Dn ir Dp – elektronų ir skylių difuzijos koeficientai, Ln ir Lp – elektronų ir skylių difuzijos nuotoliai, ND ir NA – donorinių ir akceptorinių priemaišų koncentracijos atitinkamai n ir p srityse. 5.2.5. Pagal (5.1)–(5.4) lygtis, pn sandūros VACH priklauso nuo puslaidininkio parametrų, legiravimo laipsnio, sandūros ploto bei temperatūros.

20


• Naudodamiesi paskaitų konspektu bei literatūra [1, p. 83–112], išsiaiškinkite, nuo ko, kaip ir kodėl priklauso pn sandūros VACH.

• Pasirenkite atsakyti į klausimus: 1. Kas sukelia krūvininkų difuziją? 2. Kokia krūvininkų dreifo priežastis? 3. Kokie krūvininkai (pagrindiniai ar šalutiniai) sukuria tiesioginę

pn sandūros srovę? 4. Kokie krūvininkai (pagrindiniai ar šalutiniai) sukuria atbulinę

srovę per idealią pn sandūrą? 5. Kaip pn sandūros vidinis elektrinis laukas veikia pagrindinius ir

šalutinius krūvininkus? 6. Nubraižykite pn sandūros energijos lygmenų diagramą pusiau-

svyros būsenoje. 7. Nubraižykite pn sandūros energijos lygmenų diagramą, kai pri-

jungta tiesioginė įtampa. 8. Kaip kinta sandūros potencialinio barjero aukštis, didėjant

atbulinei pn sandūros įtampai? 9. Nubraižykite pn sandūros energijos lygmenų diagramą, kai

prijungta atbulinė įtampa. 10. Nubraižykite realaus puslaidininkinio diodo ekvivalentinę

schemą nuolatinei srovei. 11. Paaiškinkite p ir n sričių varžos įtaką puslaidininkinio diodo

VACH. 12. Paaiškinkite nuotėkio varžos įtaką puslaidininkinio diodo VACH. 13. Išvardinkite realios pn sandūros atbulinės srovės dedamąsias.

Paaiškinkite jų prigimtį. 14. Kaip atbulinė pn sandūros srovė priklauso nuo atbulinės įtampos? 15. Kaip pn sandūros srovė priklauso nuo temperatūros? Kodėl?

5.4. Laboratorijoje: 1. Atsakyti į kontrolinį klausimą.

21

2. Pagal pateiktus pradinius duomenis modeliuoti pn sandūros VACH: a) apskaičiuoti pn sandūros VACH dviejose skirtingose

temperatūrose; b) apskaičiuoti dviejų skirtingo ploto pn sandūrų VACH; c) apskaičiuoti pn sandūros VACH, kai skirtingos priemaišų

koncentracijos; d) apskaičiuoti VACH pn sandūrų, pagamintų iš dviejų

skirtingų puslaidininkių; e) apskaičiuoti idealios pn sandūros VACH ir realios pn

sandūros VACH (įvertinant varžas R1 ir R2). 3. Atlikus reikalingus skaičiavimus, sudaryti grafikus, išnagrinėti ir

paaiškinti gautus rezultatus. 4. Parengti ataskaitą.


1. Darbo tikslas. 2. Pradiniai duomenys. 3. Skaičiavimų rezultatai. 4. Grafikai. 5. Išvados. Čia reikia paaiškinti tirtą faktorių įtaką pn sandūros

VACH.

22

6. pn sandūrų voltamperinių charakteristikų tyrimas

6.1. Darbo tikslas Išmokti matuoti puslaidininkinių diodų voltamperines charak-

teristikas (VACH). Išsiaiškinti, kaip pn sandūrų VACH priklauso nuo paskirties ir puslaidininkių parametrų.

6.2. Teorija Veikiant tiesioginei įtampai, pn sandūra praleidžia srovę. Veikiant

atbulinei įtampai, per sandūrą teka silpna atbulinė srovė. Atbulinė srovė staiga stiprėja, prasidėjus pn sandūros pramušimui.

pn sandūros atbulinė soties srovė priklauso nuo šalutinių krūvininkų koncentracijos. Įrodoma, kad

NkTWSIs

)/exp(~ ∆− .

Taigi soties srovė sI ir pn sandūros VACH priklauso nuo draustinės juostos pločio W∆ , sandūros temperatūros T, legiravimo laipsnio ( DN ir AN ) ir, be abejo, nuo sandūros ploto S .


išnagrinėkite vykstančius pn sandūroje procesus ir išsiaiškinkite, nuo ko, kaip ir kodėl priklauso pn sandūros VACH .

• Išnagrinėkite šio darbo punktą “6.4. Laboratorijoje”. • Pasirenkite atsakyti į kontrolinius klausimus: 1. Kokie yra staigiosios pn sandūros požymiai? Nubraižykite ir

paaiškinkite priemaišų ir krūvininkų pasiskirstymo staigiojoje simetrinėje pn sandūroje grafikus.

2. Paaiškinkite, kaip pn sandūroje atsiranda erdviniai krūviai ir susikuria vidinis elektrinis laukas. Nurodykite lauko kryptį.

3. Nubraižykite pn sandūros energijos lygmenų diagramą. Kaip ši diagrama priklauso nuo išorinės įtampos?

23

4. Išvardinkite sroves, tekančias per pn sandūrą pusiausvyros būsenoje. Paaiškinkite šių srovių prigimtį.

5. Išvardinkite puslaidininkinio diodo atbulinės srovės dedamąsias ir nurodykite jų prigimtį.

6. Paaiškinkite, kaip diodo VACH priklauso nuo puslaidininkio parametrų.

7. Paaiškinkite, kaip diodo VACH priklauso nuo temperatūros. 8. Išvardinkite pn sandūrų pramušimų tipus. Paaiškinkite (tunelinio,

griūtinio, šiluminio, paviršinio) pramušimo fizikinį mechanizmą. 9. Kokio pramušimo atveju pn sandūroje įvyksta negrįžtami

procesai? 10. Paaiškinkite, kaip ir kodėl (griūtinio, tunelinio) pramušimo įtampa

priklauso nuo temperatūros . 11. Kokių puslaidininkinių prietaisų veikimas pagrįstas tuneliniu

(griūtiniu) pramušimu? Kam šie prietaisai skirti? 12. Kodėl diodo VACH tiesioginei ir atbulinei šakoms matuoti

naudojamos skirtingos schemos (6.1 ir 6.2 pav.)? Kodėl, kai įjungtas mikroampermetras, neleistina jungiklį SW1 jungti į dešiniąją padėtį?


1. Atsakyti į kontrolinį klausimą. 2. Susipažinti su laboratoriniu maketu ir matavimo prietaisais.

Dėmesio! Prieš pradėdami bet kuriuos matavimus (prieš jungdami maitinimo įtampą) pasukite kintamųjų rezistorių R2 ir R3 valdymo rankenėles iki galo prieš laikrodžio rodyklę. Matavimų metu įtampos ir srovės neturi viršyti maksimalių leistinų verčių. Šio laboratorinio darbo atveju: diodų maksimali srovė maxI =5 mA, maksimali atbulinė įtampa maxU =30 V.

3. Išmatuoti diodų D312 ir D503A VACH tiesiogines šakas. Tam sujunkite 6.1 paveiksle atvaizduotą grandinę. Jungiklį SW1 perjunkite į dešiniąją padėtį, kintamųjų rezistorių R2 ir R3 valdymo rankenėles pasukite iki galo prieš laikrodžio rodyklę.

24

Maitinimo įtampą junkite prie maketo tik dėstytojui patikrinus matavimo grandinę. Po bet kokių pakeitimų matavimo grandinėje nejunkite maitinimo įtampos, kol dėstytojas nepatikrins matavimo grandinės! Didinkite srovę ir fiksuokite diodo tiesioginės srovės IF ir tiesioginės įtampos UF vertes. Matavimų rezultatus surašykite į lentelę.

6.1 lentelė. VACH tiesioginės šakos matavimo rezultatai

IF / mA UF / V

Diodas D312 Diodas D503A 0,5 1 2 3 4 5

4. Išmatuoti diodų D312 ir D503A VACH atbulines šakas.

Tam tikslui sujunkite 6.2 paveiksle atvaizduotą grandinę. Laboratorinio maketo perjungiklį SW1 perjunkite į kairiąją padėtį, nes kitaip bus sugadintas mikroampermetras. Kintamųjų

6.1 pav. VACH tiesioginės šakos matavimo grandinės schema

25

rezistorių R2 ir R3 valdymo rankenėles pasukite iki galo prieš laikrodžio rodyklę. Didinkite įtampą ir fiksuokite diodo atbulinės srovės IR ir atbulinės įtampos UR vertes. Matavimų rezultatus surašykite į lentelę.

6.2 lentelė. VACH atbulinės šakos matavimo rezultatai

UR / V IR / mA Diodas D312 Diodas D503A

1 2 3 5 10 20 30

5. Išmatuoti stabilitronų 2C133A, 2C156A ir D810 VACH.

Matavimams panaudokite 6.2 paveiksle atvaizduotą grandinę, tik vietoje mikroamperemetro įjunkite miliampermetrą. Prieš pradėdami matavimus, kintamųjų rezistorių R2 ir R3 valdymo rankenėles pasukite iki galo prieš laikrodžio rodyklę.

6.2 pav. VACH atbulinės šakos matavimo grandinės schema

26

Didindami srovę, fiksuokite stabilitrono srovės I ir įtampos U vertes. Matavimų rezultatus surašykite į lentelę.

6.3 lentelė. Stabilitronų VACH matavimo rezultatai

U / V I /mA Diodas 2C133A Diodas 2C156A Diodas 810

0,5 1 2 3 4 5

6. Sudaryti diodų ir stabilitronų VACH grafikus.

Tirtų diodų VACH vaizduokite viename grafike. Parinkite tinkamus tiesioginių ir atbulinių VACH šakų mastelius. Kitame grafike atvaizduokite stabilitronų charakteristikas. Apsvarstykite darbo rezultatus. Jeigu reikia, pakartokite matavimus.

7. Parengti ataskaitą. 6.5. Ataskaitos turinys

1. Darbo tikslas. 2. Matavimų rezultatai (1–3 lentelės). 3. VACH grafikai. 4. Išvados. Išvadose reikia paaiškinti VACH eigą, palyginti tirtų

įtaisų charakteristikas ir paaiškinti, kodėl jos skiriasi.

27

7. pn sandūrų talpų tyrimas

7.1. Darbo tikslas Išsiaiškinti pn sandūros barjerinės ir difuzinės talpų prigimtį,

išnagrinėti, nuo ko, kaip ir kodėl jos priklauso. Atlikti barjerinės talpos eksperimentinius tyrimus.

7.2. Teorija ir pagrindinės formulės Kai veikia atbulinė įtampa, pn sandūrą galima modeliuoti

plokščiuoju kondensatoriumi. Staigiosios pn sandūros nuskurdintojo sluoksnio storis (kondensatoriaus dielektriko storis) išreiškiamas formule:

( )

++ε=+=

AD

Rkpn NNq

UUddd 112 ; (7.1)

čia dn ir dp – sandūros nuskurdintojo sluoksnio storiai n ir p srityse, 0εε=ε r – puslaidininkio dielektrinė skvarba, q – skylės krūvis, Uk –

kontaktinis potencialų skirtumas tarp pn sandūros sričių, UR – atbulinė įtampa, ND ir NA – priemaišų koncentracijos n ir p srityse.

pn sandūros barjerinė talpa Cb išreiškiama formule:

( )( )ADRkb NNUU

qSdSC

/1/12 ++ε=ε= ; (7.2)

čia S – pn sandūros plotas. Taigi pn sandūros barjerinė talpa priklauso nuo sandūros ploto, atbulinės įtampos, puslaidininkio parametrų ir priemaišų koncent-racijų.

Veikiant tiesioginei įtampai, elektronai injektuojami į p sritį, skylės – į n sritį, todėl jose atsiranda nepusiausvirieji erdviniai krūviai. Šie krūviai priklauso nuo įtampos. Todėl pasireiškia pn sandūros difuzinė talpa.

Difuzinė talpa išreiškiama formule: ( ) τ= Dd IkTqC / ; (7.3)

28

čia k – Bolcmano konstanta, T – absoliučioji temperatūra, ID – difuzinė srovė, τ – krūvininkų gyvavimo trukmė. Taigi difuzinė talpa proporcinga sandūros tiesioginei srovei I ir krūvininkų gyvavimo trukmei τ . Visa pn sandūros talpa yra talpų bC ir dC suma: db CCC += (7.4) Kai veikia tiesioginė įtampa, barjerinė talpa esti daug mažesnė nei difuzinė talpa, todėl dCC ≅ . Kai veikia atbulinė įtampa, difuzinė srovė neteka. Todėl pn sandūros talpa bCC ≅ .


išnagrinėkite pn sandūros difuzinės ir barjerinės talpų priežastis. Išsiaiškinkite, nuo ko, kaip ir kodėl pn sandūros talpa priklauso.

• Išnagrinėkite šio darbo punktą “7.4. Laboratorijoje”. Išsiaiškinkite barjerinės talpos matavimo principą (7.6 p.).

• Pasirenkite atsakyti į kontrolinius klausimus: 1. Kaip pn sandūroje pusiausvyros būsenoje atsiranda erdviniai

krūviai? Nurodykite jų poliškumą. 2. Kaip pn sandūros erdvinio krūvio srities storis ir erdvinio krūvio

dydis priklauso nuo išorinės įtampos? Kodėl? 3. Kaip pn sandūros erdvinio krūvio srities storis priklauso nuo

priemaišų koncentracijos. 4. Kokia krūvių, kurie lemia pn sandūros barjerinę talpą, prigimtis?

Nurodykite šių krūvių poliškumą. 5. Nuo ko ir kaip priklauso pn sandūros barjerinė talpa? Kaip ją

galima sumažinti? 6. Paaiškinkite, kodėl pasireiškia pn sandūros difuzinė talpa. 7. Kokie krūviai sukuria pn sandūros difuzinę talpą? Nuo ko, kaip ir

kodėl jie priklauso? 8. Nuo ko ir kaip pn sandūros difuzinė talpa priklauso? Kodėl? 9. Kaip galima pn sandūros difuzinę talpą sumažinti?

29

10. Nurodykite pn sandūros talpos dedamąsias. Kokiomis sąlygomis jos pasireiškia?

11. Pateikite pn sandūros barjerinės talpos praktinio panaudojimo pavyzdžių.

12. Paaiškinkite šiame laboratoriniame darbe taikomą talpos matavi-mo metodiką ir matavimo grandinės elementų paskirtį.


1. Atsakyti į kontrolinį klausimą. 2. Susipažinti su laboratoriniu maketu ir matavimo prietaisais.

Dėmesio! Prieš pradedami bet kuriuos matavimus (prieš jungdami maitinimo įtampą) kintamojo rezistoriaus R1 valdymo rankenėlę pasukite iki galo prieš laikrodžio rodyklę. Matavimų metu įtampos ir srovės neturi viršyti maksimalių leistinų verčių. Šiame laboratoriniame darbe tiriamų diodų maksimali atbulinė įtampa maxU =10 V .

3. Sujungti 7.1 paveikslę atvaizduotą grandinę. Nuolatinės maitinimo įtampos šaltinio įtampa turi būti +20 V. Harmoninių virpesių generatoriaus išėjimo įtampos dažnis turi būti 100 kHz, amplitudė – 200 mV. Maitinimo įtampą junkite prie maketo tik dėstytojui patikrinus matavimo grandinę.

7.1 pav. Barjerinės talpos matavimo grandinės schema

30

Po bet kokių pakeitimų matavimo grandinėje nejunkite maitinimo įtampos, kol dėstytojas nepatikrins matavimo grandinės!

4. Išmatuoti gradavimo kreivę. Junkite žinomų talpų kondensatorius Cg prie laboratorinio maketo gnybtų Cx. Fiksuokite kintamosios išėjimo įtampos UIŠ vertes (kintamosios įtampos milivoltmetro rodmenis). Atlikdami matavimus, stebėkite, kad generatoriaus išėjimo įtampos dažnis ir amplitudė būtų pastovūs. Nekeiskite maketo ir laidų padėties, tai leis padidinti matavimų tikslumą. Matavimų rezultatus surašykite į lentelę. Nubraižykite gradavimo kreivę UIŠ(Cg).

7.1 lentelė. Gradavimo kreivės matavimo rezultatai

Cg / pF UIŠ / mV

2,5 4 10 15 20 30

5. Išmatuoti diodų D219A ir D310 barjerinės talpos priklausomybes

nuo atbulinės įtampos UR. Prieš pradedami matavimą, kintamojo rezistoriaus R1 valdymo rankenėlę pasukite iki galo prieš laikrodžio rodyklę. Prijunkite tiriamą diodą prie maketo gnybtų Cx. Didinkite diodo atbulinę įtampą UR ir lentelėje fiksuokite kintamosios įtampos milivoltmetro rodmenis. Pagal gradavimo kreivę raskite diodo barjerinės talpos Cb vertes, atitinkančias gautąsias įtampos UIŠ vertes. Apskaičiuokite Cb

-2 ir Cb-3 vertes. Užpildykite atitinkamas lentelės

skiltis. 6. Nubraižyti priklausomybių Cb(UR), Cb

-2(UR) ir Cb-3(UR) grafikus.

Pagal grafikus nustatyti diodų sandūrų pobūdį (ar sandūra

31

staigioji ar nuoseklioji). Rasti diodų sandūrų kontaktinių poten-cialų skirtumus Uk. Apsvarstykite darbo rezultatus. Jeigu reikia, pakartokite mata-vimus.


7.2 lentelė. Barjerinės talpos matavimų rezultatai

UR D219A D310 V UIŠ

mV Cd pF

Cb-2

pF-2 Cb

-3 pF-3

UIŠ mV

Cb pF

Cb-2

pF-2 Cb

-3 pF-3

0,5 0,7 1,5 2 3 5 7 10


1. Darbo tikslas. 2. Matavimų rezultatai (lentelės ir grafikai). 3. Sandūrų tipai ir kontaktiniai potencialų skirtumai. 4. Išvados. Išvadose reikia paaiškinti, kodėl skiriasi diodų barjerinės

talpos, kaip ir kodėl pn sandūros barjerinė talpa priklauso nuo atbulinės įtampos, kodėl skiriasi diodų kontaktinių potencialų skirtumai, pagal kokius požymius galima spręsti apie pn sandūros tipą.

7.6. pn sandūros barjerinės talpos matavimo metodika

pn sandūros barjerinę talpą galima išmatuoti naudojant grandinę, atvaizduotą 7.2 paveiksle.

Pirmiausia prie šios grandinės gnybtų Cx jungiami žinomos talpos kondensatoriai. Palaikant pastovų kintamos įtampos lygį schemos įėjime, matuojamos žinomas talpas C atitinkančios išėjimo įtampos

32

UIŠ vertės. Pagal gautus rezultatus sudaroma gradavimo kreivė UIŠ(C). Po to prie gnybtų Cx jungiamas diodas, kurio pn sandūros barjerinę talpą norima išmatuoti. Nepakeitus kintamosios įėjimo įtampos lygio ir dažnio, matuojama kintamoji išėjimo įtampa UIŠ. Atitinkanti šią išėjimo įtampą talpos vertė randama pagal gradavimo kreivę. Dėmesio! Talpą išmatuosite tiksliau, jei matavimo metu nekeisite maketo ir jungiamųjų laidų padėties.

7.2 pav. Talpos matavimo grandinės supaprastinta schema

UIN UIŠ

33

8. MOP struktūrų tyrimas 8.1. Darbo tikslas Išnagrinėti reiškinius puslaidininkių paviršiuje ir metalo-oksido-

puslaidininkio (MOP) struktūrose; eksperimentiškai ištirti, kaip MOP struktūros talpa priklauso nuo įtampos.

8.2. Teorija ir pagrindinės formulės

MOP struktūros paviršinis laidumas priklauso nuo veikiančios įtampos (8.1 pav., a)

MOP struktūra yra savotiškas kondensatorius. Jos talpa pri-klauso nuo išorinės įtampos (8.1 pav., b) bei dažnio. Kai MOP struktūroje panaudotas n pus-laidininkis ir veikia įtampa, kurios teigiamas polius prijungtas prie metalinio elektrodo, kondensa-toriaus dielektriko vaidmenį at-lieka dielektriko sluoksnis, kurio storis d (8.2 pav., a).

Jeigu veikia neigiama įtampa, tai kondensatoriaus dielektriko vaidmenį atlieka dielektriko sluoksnis kartu su nuskurdintuoju puslaidininkio sluoksniu, kurio storis dn (8.2 pav., b). Didėjant

įtampai, nuskurdintasis sluoksnis storėja, didėja tarpas d + dn tarp kondensatoriaus elektrodų, ir MOP struktūros talpa mažėja.

Susidarius inversiniam sluoksniui, MOP struktūrą galima nagrinėti kaip du nuosekliai sujungtus kondensatorius (8.2 pav., c).

σs

U

C

U

a

b

0

0

8.1 pav. MOP struktūros laidumo (a) ir talpos (b) priklausomybės nuo įtampos

34

Tarpinio elektrodo vaidmenį atlieka inversinis sluoksnis. Atsiradus šiam sluoksniui, nuskurdintas sluoksnis nebesiplečia (dn = dn max), todėl MOP talpa nebekinta.

8.1 paveiksle, b, ištisine linija atvaizduotą MOP struktūros voltfaradinę charakteristiką eksperimentiškai galima gauti, kai matavimo schemoje kintamosios įtampos dažnis yra pakankamai aukštas (viršija šimtus kilohercų) ir virpesių periodas mažesnis už šalutinių krūvininkų gyvavimo trukmę. Brūkšnine linija (8.1 pav., b) pavaizduota charakteristika gaunama, kai įtampos dažnis žemas.


išnagrinėkite reiškinius, vykstančius puslaidininkio paviršiuje ir MOP struktūrose, išsiaiškinkite pagrindines MOP struktūrų savybes ir taikymą. Išsiaiškinkite, kaip ir kodėl MOP struktūros talpa priklauso nuo įtampos.

• Išnagrinėkite šio darbo punktą “8.3. Laboratorijoje”. • Prisiminkite talpos matavimo metodiką, kuri aprašyta 7.6 p. • Pasirenkite atsakyti į kontrolinius klausimus: 1. Kokie kristalinės gardelės defektai atsiranda puslaidininkio

paviršiuje? 2. Kaip puslaidininkio paviršiuje susidaro nejudrūs krūviai ir kaip

jie keičia puslaidininkio savybes? 3. Paaiškinkite, kaip puslaidininkio paviršiuje susidaro sodrintasis ir

nuskurdintasis bei inversinis sluoksniai.

��

��

��

��

d

��

��

��

��

��

��

d dn(U)

��

��

��

��

��

��

��d dn max

a b c 8.2 pav. MOP struktūrų modeliai

35

4. Kaip puslaidininkio paviršiaus būsena atsiliepia puslaidininkinių prietaisų savybėms?

5. Kas yra lauko efektas? 6. Paaiškinkite, kaip MOP struktūros kanalo laidumas priklauso nuo

nuolatinės įtampos. 7. Kas sudaro pilnąją MOP struktūros talpą? 8. Kaip ir kodėl kinta MOP struktūros talpa, kai krūvininkai sodrina

puslaidininkio paviršinį sluoksnį? 9. Kaip ir kodėl kinta MOP struktūros talpa, nuskurdinant

puslaidininkio paviršinį sluoksnį? 10. Paaiškinkite MOP struktūros talpos kitimą susidarant inversiniam

sluoksniui. 11. Kur taikomas lauko efektas ir MOP struktūros?

8.4. Užduotis laboratorijoje: 1. Atsakyti į kontrolinį klausimą. 2. Susipažinti su matavimo prietaisais ir laboratoriniu maketu.

Dėmesio! Prieš pradedami bet kuriuos matavimus (prieš jungdami maitinimo įtampą) kintamojo rezistoriaus R1 valdymo rankenėlę pasukite iki galo prieš laikrodžio rodyklę. Matavimų metu įtampos ir srovės neturi viršyti maksimalių leistinų verčių. Šiame laboratoriniame darbe MOP struktūrų įtampa neturi viršyti Umax= 8 V.

3. Sujungti 8.3 paveiksle parodytą matavimo schemą. Įjunkite maitinimo šaltinį ir nustatykite +20V įtampą. Įjunkite harmoninių virpesių generatorių ir jo išėjime nustatykite 100 kHz dažnio 200 mV įtampą. Maitinimo įtampą junkite prie maketo tik dėstytojui patikrinus matavimo grandinę. Po bet kokių pakeitimų matavimo grandinėje nejunkite maitinimo įtampos, kol dėstytojas nepatikrins grandinės!

4. Atlikti reikalingus matavimus, užpildyti lentelę ir nubrėžti grada-vimo kreivę.

36

8.1 lentelė. Gradavimo kreivės matavimo rezultatai

Cg / pF UIŠ / mV

2.5 4 10 15 20 30

5. Išmatuoti integrinės schemos (IS) K1LP721 MOP struktūros su

silpnai legiruotu n kanalu talpos priklausomybę nuo nuolatinės įtampos. Tam, prieš pradėdami matavimus, kintamojo rezistoriaus R1 rankenėlę pasukite iki galo prieš laikrodžio rodyklę. Prie gnybtų Cx prijunkite vieną iš IS K1LP721 MOP struktūrų. Kintamojo rezistoriaus R1 valdymo rankenėle keisdami nuolatinę įtampą U kas pusę volto nuo –8V iki +8V, išmatuokite priklausomybę UIŠ(U). Matavimo rezultatus surašykite į lentelę. Matavimo metu nekeiskite laboratorinio maketo ir jungiamųjų laidų padėties, kitaip matavimo rezultatai bus netikslūs.

8.3 pav. Matavimo schema

37

Pagal gradavimo kreivę raskite ir įrašykite į lentelę MOP struktūros talpos CMOP vertes, atitinkančias išmatuotas išėjimo įtampos vertes. Nubraižykite priklausomybės CMOP(U) grafiką.

8.2 lentelė. MOP struktūrų talpos matavimo rezultatai

IS K1LP721 Transistorius KP305 U V UIŠ / mV CMOP / pF UIŠ / mV CMOP / pF -8

-7,5 … 7,5 8

6. Išmatuoti lauko tranzistoriaus KP305 MOP struktūros su n+

kanalu priklausomybę CMOP(U). Matuodami šią priklausomybę, nuolatinę įtampą keiskite kas pusę volto nuo –5V iki +5V. Išmatuotas UIŠ vertes ir pagal gradavimo kreivę gautas CMOP vertes surašykite į lentelę. Nubrėžkite priklausomybės CMOP(U) grafiką.

7. Apsvarstyti darbo rezultatus. Jeigu reikia, pakartoti matavimus. 8. Parengti ataskaitą.

8.5. Ataskaitos turinys 1. Darbo tikslas. 2. Matavimų rezultatai (lentelės, grafikai). 3. Išvados. Čia reikia paaiškinti priklausomybių CMOP(U) eigos

pobūdį, išvardinti ir paaiškinti fizikinius procesus, vykstančius tirtose MOP struktūrose keičiant įtampą.

38

9. Tunelinio diodo tyrimas 9.1. Darbo tikslas Išnagrinėti puslaidininkinių diodų klasifikaciją, sandarą, veikimą,

charakteristikas ir parametrus. Išmokti matuoti tunelinių diodų voltamperines charakteristikas (VACH) ir parametrus.

9.2. Tunelinių diodų savybės Tunelinio diodo p ir n srityse sudaromos didelės priemaišų

koncentracijos. Todėl puslaidininkis yra išsigimęs, pn sandūra yra plona ir per ją gali tekėti papildoma srovės dedamoji – tunelinė srovė. Dėl tunelinės srovės diodo VACH turi dalį, kurioje srovė silpnėja kylant įtampai. Tuomet diodo diferencinė varža yra neigiama.

Tekant tunelinei srovei, pn sandūros aplinkoje nesikaupia šalutiniai krūvininkai. Todėl tuneliniams diodams būdinga didelė veikimo sparta. Jie taikomi aukštų dažnių grandinėse, mažų triukšmų mikrobangų stiprintuvuose, didelės spartos loginėse bei kitose grandinėse.


• Naudodamiesi paskaitų konspektu ir literatūra [1, p. 124–135], išnagrinėkite puslaidininkinių diodų klasifikaciją, struktūras, veikimą, savybes ir pagrindinius parametrus.

• Pasirenkite atsakyti į kontrolinius klausimus: 1. Kaip sudarytas puslaidininkinis taškinis diodas? 2. Išvardinkite ir aptarkite puslaidininkinių plokštinių diodų

gamybos būdus. 3. Kokie diodai vadinami planariaisiais? Aptarkite jų struktūrą ir

gamybą. 4. Aptarkite mezadiodų struktūrą, gamybą ir bendrąsias savybes. 5. Išvardinkite pagrindinius lygintuvinių diodų parametrus. Aptar-

kite, nuo ko jie priklauso.

39

6. Nubraižykite ekvivalentinę schemą, kuria galima pakeisti puslaidininkinį diodą, kai per jį teka aukšto dažnio srovė.

7. Aptarkite, kas lemia diodų dažnines savybes ir kaip jas galima pagerinti.

8. Aptarkite puslaidininkinio diodo darbą impulsiniu režimu. 9. Kaip sudaryti tuneliniai diodai? Nubraižykite ir paaiškinkite

tunelinio diodo pn sandūros energijos lygmenų diagramą. 10. Nubraižykite tunelinio diodo VACH ir paaiškinkite jos eigą. 11. Ką vadina atbuliniu diodu? Nubraižykite ir paaiškinkite atbulinio

diodo pn sandūros energijos lygmenų diagramą. 12. Aptarkite tunelinių ir atbulinių diodų taikymo sritis


1. Atsakyti į kontrolinį klausimą. 2. Susipažinti su matavimo prietaisais ir laboratoriniu maketu.

Dėmesio! Prieš pradėdami bet kuriuos matavimus (prieš jungdami maitinimo įtampą) pasukite laboratorinio maketo kintamųjų rezistorių rankenėles iki galo prieš laikrodžio rodyklę. Matavimų metu įtampos ir srovės neturi viršyti maksimalių leistinų verčių. Maksimali tiriamo tunelinio diodo srovė Imax yra 10 mA.

3. Sujungti 9.1 paveiksle parodytą matavimo schemą. Įjunkite maitinimo šaltinį ir nustatykite 9.1 paveiksle nurodytą maitinimo įtampą. Maitinimo įtampą junkite prie maketo tik dėstytojui patikrinus matavimo grandinę. Po bet kokių pakeitimų matavimo grandinėje nejunkite maitinimo įtampos, kol dėstytojas nepatikrins grandinės!

4. Išmatuoti tunelinio diodo VACH tiesioginę šaką. Pasukite kintamojo rezistoriaus R2 rankenėlę iki galo prieš laikrodžio rodyklę. Didinkite tekančią per tunelinį diodą srovę ir matuokite srovės ir įtampos vertes. Pakartokite matavimus mažindami srovės stiprumą. Raskite VACH ekstremumų taškus ir juose išmatuokite srovės ir įtampos vertes. Taip pat išmatuokite įtampą ∗U , kai max6,0 II =∗ .

40

5. Išmatuoti tunelinio diodo VACH atbulinę šaką. Pasukite kintamojo rezistoriaus R2 rankenėlę iki galo prieš laikrodžio rodyklę. Įjunkite diodą atvirkščiai ir atlikite matavimus.

6. Nubraižyti tunelinio diodo VACH. 7. Pakartoti tunelinio diodo VACH tiesioginės šakos matavimą, kai

lygiagrečiai diodui įjungtas rezistorius R3. Pasukite rezistoriaus R2 rankenėlę iki galo prieš laikrodžio rodyklę. Įjunkite tunelinį diodą tiesiogine kryptimi su lygiagrečiai prijungtu rezistoriumi. Didinkite tekančią per tunelinį diodą srovę ir matuokite srovės ir įtampos vertes. Stebėkite, kad tunelinio diodo įtampa neviršytų ∗U . Raskite tekančią per tunelinį diodą srovę DI :

RUII D /−= , čia U ir I – voltmetro ir miliampermetro rodmenys; R – rezistoriaus R3 varža. Užpildykite lentelę. Pagal matavimų ir skaičiavimų rezultatus nubrėžkite tunelinio diodo VACH tiesioginę šaką.

9.1 pav. Matavimo shema

41

Matavimų rezultatai

I / mA U / V U/I / mA ID / mA 0

…

8. Apskaičiuoti tunelinio diodo neigiamą diferencinę varžą:

( ) ( )1212 IIUURD −−= ; čia U1, I1, U2 ir I2 – įtampos ir srovės tunelinio diodo VACH ekstremumų taškuose.

9. Apsvarstyti rezultatus, formuluoti išvadas. Jei reikia, pakartokite matavimus.

10. Parengti ataskaitą. 9.5. Ataskaitos turinys

1. Darbo tikslas. 2. Matavimų rezultatai (lentelė, grafikai). 3. Tunelinio diodo diferencinės varžos skaičiavimas. 4. Išvados (paaiškinkite tunelinio diodo VACH eigą, jos tiesioginės

šakos matavimo ypatumus, aptarkite matavimų rezultatus bei diodo diferencinės varžos skaičiavimo rezultatą).

42

10. Dvikrūvio tranzistoriaus tyrimas 10.1. Darbo tikslas Išnagrinėti dvikrūvių tranzistorių sandarą, veikimą, jungimo

schemas, charakteristikas ir parametrus, išmokti matuoti tranzistorių statines voltamperines charakteristikas ir pagrindinius parametrus.

10.2. Dvikrūvių tranzistorių savybės Dvikrūvis tranzistorius – tai struktūra, turinti dvi pn sandūras.

Sritis tarp sandūrų vadinama baze. Viena kraštinė sritis (labiau legiruota) vadinama emiteriu, kita – kolektoriumi.

Galima sudaryti tris dvikrūvio tranzistoriaus jungimo schemas: bendrosios bazės (BB), bendrojo emiterio (BE) ir bendrojo kolektoriaus (BK).

Kai tranzistorius stiprina silpnus elektrinius virpesius ir jų dažnis žemas, jį galima nagrinėti kaip tiesinį aktyvųjį keturpolį. Keturpoliui apibūdinti pakanka keturių parametrų:

1111 IUh = kai 02 =U , 2112 UUh = kai 01 =I , 1221 IIh = kai 02 =U , 2222 UIh = kai 01 =I ; čia h11 yra įėjimo varža, kai išėjime sudarytas kintamosios srovės trumpojo jungimo režimas, h12 – įtampos grįžtamojo ryšio koeficientas, kai įėjime sudarytas kintamosios srovės tuščiosios eigos režimas, h21 – srovės perdavimo koeficientas, kai išėjime sudarytas kintamosios srovės trumpojo jungimo režimas, h22 – išėjimo laidumas, kai įėjime sudarytas kintamosios srovės tuščiosios eigos režimas.

Kai tranzistorius įjungtas pagal bendrojo emiterio schemą, h parametrai išreiškiami formulėmis:

,const11 =∆

∆=CEB

BEE UI

Uh ,const12 =∆

∆=BCE

BEE IU

Uh

,const21 =∆

∆=CEB

CE UI

Ih const22 =∆

∆=BCE

CE IU

Ih .

43


išnagrinėkite dvikrūvių tranzistorių struktūras, veikimą, jungimo schemas, darbo režimus, charakteristikas, parametrus; išsiaiškinkite, kaip randami h parametrai.

• Pasirenkite atsakyti į kontrolinius klausimus: 1. Kokia dvikrūvių tranzistorių sandara? Nubraižykite elektrinėse

schemose vartojamus tranzistorių sutartinius grafinius atvaizdus. 2. Paaiškinkite dvikrūvio tranzistoriaus veikimą. 3. Išvardinkite tranzistoriaus emiterio, bazės ir kolektoriaus srovių

dedamąsias. Paaiškinkite jų prigimtį ir nurodykite, kokiomis grandinėmis jos teka.

4. Nubraižykite ir aptarkite tranzistorių jungimo schemas. 5. Ką vadina integraliniu ir diferenciniu emiterio srovės perdavimo

koeficientais? Nuo ko ir kaip jie priklauso? 6. Ką vadina integraliniu ir diferenciniu bazės srovės perdavimo

koeficientais? Nuo ko ir kaip jie priklauso? 7. Nubraižykite tranzistoriaus, įjungto pagal bendrojo emiterio

schemą, įėjimo charakteristikų šeimą (3 kreives) ir paaiškinkite charakteristikų eigą.

8. Nubraižykite tranzistoriaus, įjungto pagal bendrojo emiterio schemą, išėjimo charakteristikų šeimą (3 kreives) ir paaiškinkite charakteristikų eigą.

9. Kaip sudaryta tranzistoriaus h parametrų sistema? Kokia tų parametrų prasmė?

10. Kaip randami tranzistoriaus h parametrai pagal jo statines voltamperines charakteristikas? 10.4. Užduotis laboratorijoje:


Dėmesio. Prieš pradėdami bet kokius matavimus (prieš jungdami maitinimo įtampą) pasukite laboratorinio maketo kintamųjų rezistorių rankenėles iki galo prieš laikrodžio rodyklę. Matavimų

44

metu įtampų ir srovių vertės neturi viršyti maksimalių leistinų verčių. Tiriamojo tranzistoriaus maksimali kolektoriaus įtampa UKEmax yra 30 V, maksimali kolektoriaus srovė IKmax=10 mA, maksimali galia PKmax=150 mW, maksimali bazės srovė IBmax=0,2 mA (kai UKE=10 V).

3. Sujungti 10.1 paveiksle parodytą matavimo schemą. Įjunkite maitinimo šaltinius ir nustatykite 10.1 paveiksle nurodytas maitinimo įtampas. Maitinimo įtampas junkite prie maketo tik dėstytojui patikrinus matavimo grandinę. Po bet kokių pakeitimų matavimo grandinėje nejunkite maitinimo įtampų, kol dėstytojas nepatikrins matavimo grandinės!

4. Išmatuoti tranzistoriaus, įjungto pagal BE schemą, įėjimo charakteristikas ( ),BEB UfI = kai =KEU 0; 5 ir 10 V. Čia IB - bazės srovė, BEU - įtampa tarp bazės ir emiterio, KEU - įtampa tarp kolektoriaus ir emiterio. Pasukite kintamųjų rezistorių R2, R4, R5, R6 rankenėles iki galo prieš laikrodžio rodyklę. Didindami įtampą BEU , matuokite šią įtampą ir srovę BI . Matuodami stebėkite, kad įtampa KEU būtų pastovi.


45

5. Išmatuoti tranzistoriaus, įjungto pagal BE schemą, išėjimo charakteristikas ( )KEK UfI = , atitinkančias tris dėstytojo nurodytas bazės srovės BI vertes. Čia KI – kolektoriaus srovė. Pasukite kintamųjų rezistorių R2, R4, R5, R6 rankenėles iki galo prieš laikrodžio rodyklę. Didindami įtampą KEU , matuokite šią įtampą ir srovę KI . Matuodami stebėkite, kad srovė BI būtų pastovi.

6. Nubraižyti išmatuotas tranzistoriaus charakteristikas. 7. Pagal įėjimo ir išėjimo charakteristikas dėstytojo nurodytame

taške rasti tranzistoriaus parametrus 22211211 , , , hhhh . 8. Apsvarstyti rezultatus, formuluoti išvadas.

Jei reikia pakartokite matavimus. 9. Parengti ataskaitą.


1. Darbo tikslas. 2. Matavimų rezultatai (lentelės, grafikai). 3. h parametrų skaičiavimo rezultatai. 4. Išvados (paaiškinkite matavimų ir skaičiavimų rezultatus).

46

11. Lauko tranzistoriaus tyrimas 11.1. Darbo tikslas Išnagrinėti lauko tranzistorių klasifikaciją, sandarą, veikimą,

charakteristikas ir parametrus; išmokti matuoti tranzistorių statines voltamperines charakteristikas ir pagrindinius parametrus.

11.2. Lauko tranzistorių savybės Lauko tranzistorius (LT) – tai trijų išvadų įtaisas, kuriame

elektros srovė teka kanalu tarp dviejų išvadų (ištako ir santakos). Srovę valdo elektrinis laukas, kurį sukuria įtampa, prijungta prie trečio išvado – užtūros.

Lauko tranzistoriai buvo sukurti vėliau nei dvikrūviai tran-zistoriai. 1952 metais Šoklis pasiūlė LT su valdančiosiomis pn sandūromis (sandūrine užtūra). Vėliau buvo sukurti izoliuotosios užtūros lauko tranzistoriai – MDP (metalas-dielektrikas-puslai-dininkis) ir MOP (metalas-oksidas-puslaidininkis) LT. Geromis dažninėmis savybėmis pasižymi GaAs LT. Jiems būdinga metalas-puslaidininkis struktūra. Puslaidininkio kanalu tekančią srovę valdo metalo ir puslaidininkio sandūra.

Lauko tranzistoriai turi daug svarbių privalumų. Jiems būdinga didelė įėjimo varža, didesnis temperatūrinis stabilumas, didesnis atsparumas radiacijai. Lauko tranzistorių gamyba paprastesnė nei dvikrūvių. Kita vertus, lauko tranzistoriai turi ir trūkumų – jų perdavimo charakteristikos statumas esti mažesnis nei dvikrūvių.

Bendru atveju LT santakos srovė SI priklauso nuo įėjimo ir išėjimo įtampų. Kai tranzistorius įungtas pagal bendrojo ištako schemą,

),( SIUIS UUfI = ; čia UIU – įėjimo (užtūros-ištako) įtampa, SIU – išėjimo (santakos-ištako) įtampa.

47

Svarbiausieji LT parametrai – tai perdavimo charakteristikos statumas S (anglų kalba šis parametras vadinamas transconductance arba mutual conductance ir žymimas mg ) ir išėjimo varža Ri:

UISm UIgS ∆∆== / , kai USI=const; SSIi IUR ∆∆= / , kai UUI=const.


• Naudodamiesi paskaitų konspektu ir literatūra [1, p. 165–173], išnagrinėkite lauko tranzistorių klasifikaciją, sandarą, veikimą, parametrus, charakteristikas; išsiaiškinkite, kaip randami LT pagrindiniai parametrai.

• Pasirenkite atsakyti į kontrolinius klausimus: 1. Kaip klasifikuojami lauko tranzistoriai? 2. Nubraižykite elektrinėse schemose vartojamus lauko tranzistorių

sutartinius grafinius atvaizdus. 3. Aptarkite LT su valdančiosiomis sandūromis sandarą. Pa-

aiškinkite tranzistoriaus veikimą. 4. Nurodykite LT su valdančiosiomis sandūromis ir n kanalu

santakos ir užtūros maitinimo įtampų poliškumą. 5. Nubraižykite LT su valdančiosiomis sandūromis, įjungto pagal

bendrojo ištako schemą, išėjimo charakteristiką. Paaiškinkite santakos srovės priklausomybę nuo santakos įtampos.

6. Nubraižykite LT su valdančiosiomis sandūromis, perdavimo charakteristiką. Paaiškinkite, kaip įėjimo įtampa valdo santakos srovę.

7. Kokia MDP tranzistoriaus su indikuotuoju kanalu sandara? Kaip jis veikia?

8. Kokia MDP tranzistoriaus su pradiniu kanalu sandara? Paaiškinkite jo veikimą.

9. Išvardinkite LT pagrindinius parametrus. Kaip jie randami pagal tranzistoriaus charakteristikas?

10. Palyginkite npn, pnp tranzistorių ir lauko tranzistorių savybes.

48

11.4. Užduotis laboratorijoje: 1. Atsakyti į kontrolinį klausimą. 2. Susipažinti su matavimo prietaisais ir laboratoriniu maketu.

Dėmesio! Prieš pradėdami bet kokius matavimus (prieš jungdami maitinimo įtampą) pasukite laboratorinio maketo kintamųjų rezistorių rankenėles iki galo prieš laikrodžio rodyklę. Matavimų metu įtampos ir srovės neturi viršyti maksimalių leistinų verčių. Tiriamojo tranzistoriaus maksimali santakos srovė ISmax yra 20 mA, tranzistoriaus galia PKmax=200 mW, maksimali ištako-santakos įtampa USImax=25 V.

3. Sujungti 11.1 paveiksle parodytą matavimo schemą. Įjunkite maitinimo šaltinius ir nustatykite 11.1 paveiksle nurodytas maitinimo įtampas. Maitinimo įtampas junkite prie maketo tik dėstytojui patikrinus matavimo grandinę.

4. Išmatuoti LT su valdančiosiomis sandūromis išėjimo charak-teristikas ( )I f US SI= , atitinkančias dėstytojo nurodytas įtampos UUI vertes. Čia I S – santakos srovė U SI – įtampa tarp santakos


49

ir ištako, UUI – įtampa tarp užtūros ir ištako. Pasukite rezistorių R2, R3, R5 ir R6 rankenėles iki galo prieš laikrodžio rodyklę. Didindami įtampą U SI , matuokite šią įtampą ir srovę I S . Matuodami stebėkite, kad įtampa UUI būtų pastovi.

5. Išmatuoti lauko tranzistoriaus perdavimo charakteristikas ( )I f Us UI= , atitinkančias dvi dėstytojo nurodytas įtampos U SI

vertes, viršijančias soties įtampą. Didindami įtampą UUI iki santakos srovės nukirtimo, matuokite šią įtampą ir srovę I S . Matuodami stebėkite, kad įtampa U SI būtų pastovi.

6. Nubraižyti išmatuotas tranzistoriaus charakteristikas. 7. Pagal išmatuotas charakteristikas rasti tranzistoriaus statumą S,

išėjimo varžą Ri ir atkirtos įtampą. 8. Apsvarstyti rezultatus, formuluoti išvadas.

Jei reikia pakartokite matavimus. 9. Parengti ataskaitą.


1. Darbo tikslas. 2. Matavimų rezultatai (lentelės, grafikai). 3. Pagrindinių parametrų skaičiavimo rezultatai. 4. Išvados (paaiškinkite matavimų ir skaičiavimų rezultatus).

50

12. Diodų ir tranzistorių modeliavimas 12.1. Darbo tikslas Išmokti modeliuoti elektroninių elementų veikimą. Susipažinti su

diodų ir dvikrūvių tranzistorių pagrindiniais parametrais ir išsiaiškinti jų prasmę.

12.2. Modeliavimo programinė įranga Šiame laboratoriniame darbe naudosime programą Electronics

Workbench. Centrinė šios programos lango dalis skirta grandinėms kurti ir tirti. Šone yra išdėstyti elementai. Lango viršuje galima rasti meniu, tyrimo instrumentus ir maitinimo jungiklį, kuris aktyvuoja surinktą grandinę.

Grandinės kūrimas ir tyrimas: 1. Į centrinę lango dalį įtraukiami reikiami elementai. 2. Elementai sujungiami. 3. Nustatomi elementų tipai ir parametrai. 4. Prijungiami tyrimo instrumentai. 5. Aktyvuojama grandinė. Pagrindiniai tyrimo instrumentai:

Multimetras. Multimetrą naudokite matuoti įtampai, srovei, varžai ar slopinimui.

Funkcinis generatorius. Funkcinis generatorius – tai įtampos šaltinis, kurio išėjimo įtampos forma yra sinusinė, stačiakampė ar trikampė. Galima keisti išėjimo įtampos dažnį, veikimo trukmę, amplitudę ir nuolatinę dedamąją.

Oscilografas. Oscilografas rodo virpesių formą, juo galima matuoti virpesių amplitudę ir dažnį. Oscilografas turi du įėjimus: kanalą A ir kanalą B, taigi vienu metu galima stebėti du virpesius.

51


prisiminkite diodų ir dvikrūvių tranzistorių klasifikaciją, veikimą, savybes, charakteristikas, parametrus ir ekvivalentines schemas.

• Pasirenkite atsakyti į kontrolinius klausimus: 1. Kokie diodai naudojami aukštuose dažniuose? Kodėl? 2. Kaip randama diodo statinė varža? 3. Kaip randama diodo dinaminė varža? 4. Kokie reiškiniai riboja puslaidininkinio diodo veikimo impulsiniu

režimu spartą? 5. Kaip galima sumažinti laiką, per kurį atsikuria didelė puslai-

dininkinio diodo atbulinė varža? 6. Kokiomis charakteristikomis ir parametrais nusakomos dvikrūvių

tranzistorių dažninės savybės? 7. Kokie reiškiniai lemia dvikrūvio tranzistoriaus dažnines savybes? 8. Kaip galima išplėsti tranzistorių darbo dažnių diapazoną? 9. Nubraižykite dvikrūvio tranzistoriaus T pavidalo ekvivalentinę

schemą. Aptarkite jos elementų prasmę. 10. Nubraižykite dvikrūvio tranzistoriaus Π pavidalo ekvivalentinę

schemą. Paaiškinkite, kaip randami jos elementų parametrai. 11. Apibrėžkite dvikrūvio tranzistoriaus dažninius parametrus αf ,

βf , Tf , maxf . Kaip šie parametrai tarpusavyje susiję? 12. Kokius tranzistorius vadina dreifiniais? Kokie jų ypatumai?


1. Atsakyti į kontrolinį klausimą. 2. Susipažinti su modeliavimo programine įranga. 3. Išmatuoti dviejų skirtingų diodų VACH.

Sudarykite modeliavimo grandinę, kuri parodyta 12.1 paveiksle. Užpildykite 12.1 lentelę ir pagal ją nubrėžkite VACH. Išnagrinėkite diodų parametrus. Nustatykite, kurie parametrai lemia diodų dažnines savybes.

52

12.1 lentelė. Matavimo rezultatai

Diodas 1N4001 Diodas MBR4020 Srovė

I Įtampa

U Srovė

I Įtampa

U …

… … …

4. Ištirti stiprinimą grandinėje su dvikrūviu tranzistoriumi.

Sudarykite modeliavimo grandinę, kuri parodyta 12.2 paveiksle. Naudodamiesi multimetru ir oscilografu išmatuokite įtampas grandinės įėjime ir išėjime. Funkcinio generatoriaus išėjimo įtampa turi būti sinusinės formos, virpesių dažnis – 100 MHz, amplitudė – 100 mV. Modeliavimą atlikite su trimis skirtingais tranzistoriais (žemo dažnio, vidutinio dažnio ir aukšto dažnio). Užpildykite 12.2 lentelę. Ištirkite tranzistorių parametrus. Nustatykite, kokie parametrai lemia tranzistorių dažnines savybes.

5. Apsvarstyti rezultatus. Jei reikia, pakartoti matavimus. 6. Parengti ataskaitą.

12.1 pav. Matavimo grandinė

53

12.2 lentelė. Matavimo rezultatai

Tranzistorius Įėjimo įtampa

UIN / mV

Išėjimo įtampa UIŠ / V

Stiprinimas UIŠ /UIN

Stiprinimas decibelais:

20lg(UIŠ /UIN) 2N2714

2N2369

2N3600


1. Darbo tikslas. 2. Modeliuotų grandinių apibūdinimas. 3. Diodų voltamperinės charakteristikos. 4. Stiprinimo matavimo ir skaičiavimo rezultatai. 5. Išvados (aptarkite, kokie parametrai lemia diodų voltamperines

charakteristikas ir dvikrūvių tranzistorių dažnines savybes).


54

13. Tiristorinio optrono tyrimas 13.1. Darbo tikslas Išnagrinėti paprasčiausių optinės elektronikos elementų ir

tiristorių klasifikaciją, sandarą, veikimą, charakteristikas, parametrus, taikymus.

13.2. Optronų savybės Optronas – tai įtaisas, sudarytas iš šviesos šaltinio (dažniausiai

šviesos diodo) ir šviesos imtuvo (fototranzistoriaus, fotodiodo ar fototiristoriaus). Optronai gali susieti izoliuotas elektrines grandines. Dažnai optronai taikomi valdymui. Tuomet valdymo grandinės režimas visiškai nepriklauso nuo valdomosios grandinės.

Šiame darbe tiriamas optronas, sudarytas iš šviesos diodo ir fototiristoriaus.

Tiristoriais vadinami ketursluoksniai pnpn struktūros puslai-dininkiniai įtaisai. Diodinis tiristorius arba dinistorius turi du išvadus. Pradžioje, didėjant dinistoriaus tiesioginei įtampai, per jį teka tik silpna srovė. Įtampai padidėjus, prasideda dinistoriaus įsijungimo procesas. Įsijungus dinistoriui, jo srovės priklausomybė nuo įtampos tampa panaši į paprasto puslaidininkinio diodo voltamperinės charakteristikos tiesioginę šaką. Įsijungimo procesą atitinka volt-amperinės charakteristikos tiesioginės šakos dalis, kurioje dinistoriaus diferencinė varža yra neigiama.

Dažniausiai taikomi triodiniai tiristoriai arba trinistoriai. Trinistorius turi trečią – valdymo – elektrodą. Trinistorių galima įjungti valdymo srovės impulsu. Praktikoje trinistoriai dažniausiai vadinami tiesiog tiristoriais.

Fotodinistoriams įjungti panaudojami ne elektriniai, o šviesos impulsai.

Atskirą grupę sudaro tiristoriai, kurių voltamperinės cha-rakteristikos tiesioginė ir atbulinė šakos panašios. Simetriniai diodiniai tiristoriai vadinami diakais, triodiniai – triakais.

55


išnagrinėkite tiristorių, fotoelektrinių optinės elektronikos įtaisų ir optronų struktūras, veikimą, charakteristikas; parametrus, taikymus.

• Pasirenkite atsakyti į kontrolinius klausimus: 1. Kas yra ir kaip veikia optronas? 2. Aptarkite optronų bendrąsias savybes ir taikymą. 3. Kaip sudarytas ir veikia šviesos diodas? 4. Kaip veikia fotodiodas? Nubraižykite kelias fotodiodo volt-

amperines charakteristikas ir paaiškinkite jų eigą. 5. Kaip veikia puslaidininkinis fotoelementas? 6. Paaiškinti fototranzistoriaus sandarą ir veikimą. 7. Kokia tiristoriaus sandara? Aptarkite tiristorių tipus. 8. Aptarkite dinistoriaus sandarą, veikimą, voltamperinę charak-

teristiką. 9. Aptarkite trinistorių sandarą, veikimą ir taikymus. 10. Aptarkite laboratorinio maketo schemos elementų paskirtį.

Kokiais elementais galima reguliuoti uždaro fototiristoriaus tiesioginę įtampą ir atviro fototiristoriaus srovę? 13.4. Užduotis laboratorijoje:


Dėmesio! Prieš pradėdami bet kokius matavimus (prieš jungdami maitinimo įtampą) pasukite laboratorinio maketo kintamųjų rezistorių rankenėles iki galo prieš laikrodžio rodyklę. Matavimų metu įtampos ir srovės neturi viršyti maksimalių leistinų verčių. Maksimali šviesos diodo tiesioginė srovė I1max yra 30 mA, maksimali tiesioginė įtampa U1max = 2 V.

3. Sujungti 13.1 paveiksle parodytą matavimo schemą. Įjunkite maitinimo šaltinius ir nustatykite 13.1 paveiksle nurodytas maitinimo įtampas. Maitinimo įtampas junkite prie maketo tik dėstytojui patikrinus matavimo grandinę.

56

4. Išmatuoti optrono įėjimo charakteristikas ( )11 UfI = , kai 02 =U ir 10 V. Čia 1U ir I1 – tiesioginė šviesos diodo įtampa ir srovė, U 2 – uždaro fototiristoriaus tiesioginė įtampa. Prieš matuodami optrono įėjimo charakteristiką pasukite kintamųjų rezistorių R2, R4, R5 ir R6 rankenėles iki galo prieš laikrodžio rodyklę. Po to nustatykite reikiamą uždaro foto-tiristoriaus tiesioginę įtampą. Didindami šviesos diodo tiesioginę srovę I1 matuokite šią srovę ir įtampą 1U .

5. Išmatuoti optrono išėjimo charakteristikas ( )22 UfI = , atitin-kančias tris dėstytojo nurodytas įėjimo srovės 1I vertes. Čia 2U ir 2I – tiesioginė fototiristoriaus įtampa ir srovė. Prieš matuodami išėjimo charakteristiką, pasukite maketo kintamųjų rezistorių R2, R4, R5 ir R6 valdymo rankenėles iki galo prieš laikrodžio rodyklę. Po to nustatykite reikiamą optrono įėjimo srovę. Matuodami išėjimo charakteristiką, fototiristoriaus tiesioginę įtampą didinkite kintamuoju rezistoriumi R6, po to – kintamuoju rezistoriumi R5. Matuokite tiesioginę tiristoriaus srovę ir įtampą. Raskite fototiristoriaus įjungimo įtampą U2

∗ .


57

Fototiristoriui atsidarius, kintamaisiais rezistoriais R6 ir R5 didinkite fototiristoriaus tiesioginę srovę ir įtampą. Po to kintamaisiais rezistoriais R5, R6, R4 mažindami fototiristoriaus tiesioginę srovę, matuokite tiesioginę srovę ir įtampą. Raskite fototiristoriaus išjungimo srovę ∗

2I . 6. Sudarykite optrono valdymo charakteristiką ( )21 UfI =∗ . Tai

šviesos diodo srovės ∗1I , kuriai tekant atsidaro fototiristorius,

priklausomybė nuo fototiristoriaus tiesioginės įtampos 2U . Kintamųjų rezistorių valdymo rankenėles pasukite iki galo prieš laikrodžio rodyklę. Kintamaisiais rezistoriais R6 ir R5 nustatykite pasirinktą įtampą 2U ir, laikydami ją pastovią, didinkite šviesos diodo srovę. Raskite srovės vertę I1

∗ , kuriai tekant įsijungia fototiristorius. Pakeiskite 2U ir pakartokite matavimus (išmatuokite bent penkis valdymo charakteristikos taškus).

7. Nubrėžti išmatuotas charakteristikas. 8. Apsvarstyti rezultatus, formuluoti išvadas.

Jei reikia, pakartokite matavimus. 9. Parengti ataskaitą.


1. Darbo tikslas. 2. Matavimų rezultatai (lentelės, grafikai). 3. Išvados (aptarkite išmatuotas optrono charakteristikas bei

fototiristoriaus įjungimo ir išjungimo būdus).

58

14. Puslaidininkinių mikroschemų gamybos procesų modeliavimas

14.1. Darbo tikslas Išnagrinėti puslaidininkinių mikroschemų gamybos procesus,

išmokti modeliuoti terminės priemaišų difuzijos procesą.

14.2. Teorija ir pagrindinės formulės Difuzijos procesą aprašo Fiko diferencialinės lygtys:

,)(xNDxJ

∂∂−= (14.1)

2

2

xND

tN

∂∂=

∂∂ ; (14.2)

čia J – priemaišų atomų srauto tankis, N – priemaišų atomų koncentracija, D – difuzijos koeficientas, x – koordinatė, t – laikas.

Difuzijos koeficientas D labai priklauso nuo temperatūros: ( )kTWDD a−⋅= exp0 ;

čia D0 – koeficientas, priklausantis nuo puslaidininkio medžiagos, priemaišų tipo, kristalografinės krypties ir pradinės priemaišų koncentracijos, aW – aktyvacijos energija, k – Bolcmano konstanta, T – absoliučioji temperatūra.

Taikant terminės priemaišų difuzijos technologiją, dažnai panaudojami du difuzijos proceso etapai – priemaišų įterpimas ir perskirstymas. Taip galima tiksliau valdyti terminės priemaišų difuzijos procesą ir gauti geresnį priemaišų koncentracijos profilio

)(xN pasikartojamumą. Priemaišų įterpimo metu puslaidininkinės plokštelės paviršiuje

sudaroma maksimali priemaišos koncentracija 0N , atitinkanti priemaišos tirpumą puslaidininkyje pasirinktoje temperatūroje.

Žinant 0N , galima rasti Fiko lygties (14.2) sprendinį, kuris yra tokio pavidalo:

59

DtxNtxN

2erfc),( 0= ; (14.3)

čia x – koordinatė, t – laikas, erfc - papildoma paklaidų funkcija, išreiškiama formule:

∫ −π

−=y

yyy0

2 d)exp(21erfc . (14.4)

Dydis Dt vadinamas difuzijos nuotoliu. Žinodami N(x,t), galime rasti difuzijos srauto tankį. Taikant

pirmąjį Fiko dėsnį, difuzijos srauto tankis randamas taip:

t

DNDt

NDx

txNDtJ xDtx

x π=

π=

∂∂−= =

−= 00

)2/(00

2e),(),0( . (14.5)

Remiantis paskutiniąja lygtimi, galima rasti legiravimo dozę – skaičių priemaišų atomų prasiskverbusių per vienetinio ploto padėklo paviršių:

π

=== ∫ DtNdttJtQt

00

2...),0()( . (14.6)

Taigi priemaišų įterpimo etape į ploną paviršinį kristalo sluoksnį įterpiamas reikiamas priemaišos kiekis. Po įterpimo etapo dažnai reikia priemaišą perskirstyti – sumažinti jos koncentraciją apdoro-jamos puslaidininkinės plokštelės paviršiuje ir padidinti koncentraciją gilesniuose sluoksniuose.

Priemaišų perskirstymo etape priemaišos kiekis puslaidininkyje nekinta. Tai įvertinant, (14.2) lygties spendinys išreiškiamas formule:

−

π=

''4exp

'')',(

2

tDx

tDQtxN . (14.7)

Jei difuzijos metu turi būti sudaryta pn sandūra, naudojamas jau legiruotas pagrindas. Tarkime, kad turime pagrindą, kuriame pradinė akceptorinės priemaišos koncentracija yra AN . pn sandūra susidaro gylyje, kur įvestų donorinių priemaišų koncentracija tampa lygi pradinei akceptorinės priemaišos koncentracijai. Tuomet pagal (14.7)

60

Apn

D NtD

xN =

−

''4exp

2

0 ; (14.8)

čia 0DN – donorinės priemaišos koncentracija plokštelės paviršiuje (po perskirstymo), pnx – pn sandūros gylis.

Pagal (14.8)

A

Dpn N

NtDx 02 ln''4= . (14.9)

Taikydami pastarąją formulę galime rasti pn sandūros gylį arba parinkti difuzijos proceso režimą (proceso temperatūrą ir trukmę), kad sandūra susidarytų reikiamame gylyje.


išnagrinėkite silicio integrinių schemų gamybos technologinius procesus.

• Pasirenkite atsakyti į kontrolinius klausimus: 1. Paaiškinkite kam integrinių schemų gamyboje taikomi epitaksijos,

oksidinimo, fotolitografijos, difuzijos, metalizacijos procesai. 2. Paaiškinkite terminės priemaišų difuzijos paskirtį ir mechanizmą. 3. Kaip difuzijos koeficientas priklauso nuo temperatūros? Kodėl? 4. Aptarkite terminės priemaišų difuzijos proceso priemaišų įterpimo etapą.

5. Aptarkite priemaišų perskirstymo etapą. 6. Kokie trys procesai, gaminant integrines schemas, seka po

epitaksijos? 7. Aptarkite jonų implantacijos procesą. 8. Kam naudojamos oksidų ir nitridų plėvelės? 9. Kokie procesai seka prieš metalizaciją? 10. Aptarkite metalizacijos procesą. 11. Kokia fotolitografijos paskirtis? 12. Sudarykite ir aptarkite fotolitografijos proceso schemą. 13. Kaip galima padidinti litografijos skiriamąją gebą?

61

14.4. Užduotis laboratorijoje: 1. Atsakyti į kontrolinį klausimą. 2. Pagal pateiktus duomenis:

a) apskaičiuoti priemaišos pasiskirstymą po priemaišų įterpimo etapo.

b) apskaičiuoti, kaip priemaišų įterpimo etape kinta priemaišos srauto tankis ir legiravimo dozė;

c) apskaičiuoti priemaišos pasiskirstymą po priemaišų perskirstymo etapo;

d) ištirti priemaišų įterpimo ir perskirstymo temperatūrų nuokrypių įtaką pn sandūros gyliui;

e) apskaičiuoti priemaišų pasiskirstymą tranzistoriuje, formuo-jamame dvikartės difuzijos būdu.

3. Atlikus skaičiavimus, sudaryti grafikus ir apsvarstyti rezultatus. Jeigu reikia, pakartokite skaičiavimus.


14.5. Ataskaitos turinys 1. Darbo tikslas. 2. Pradiniai duomenys. 3. Skaičiavimų rezultatai. 4. Grafikai. 5. Išvados (paaiškinkite tyrimų rezultatus, siedami juos su fizikiniais

procesais, vykstančiais difuzijos proceso etapuose, aptarkite temperatūros nuokrypių įtaką pn sandūros parametrams ir paaiškinkite dvikrūvio tranzistoriaus struktūros formavimą).

62

15. Puslaidininkinių integrinių schemų elementų tyrimas 15.1. Darbo tikslas Išnagrinėti puslaidininkinių integrinių schemų (IS) savybes,

elementus ir IS gamybos technologinius procesus. 15.2. Trumpos žinios Elektrinės schemos realizavimo viename luste idėją 1959 metais

nepriklausomai vienas nuo kito pasiūlė JAV mokslininkai R.Noisas ir Dž.Kilbis. Integrinės schemos yra konstrukcinės, technologinės ir mokslinės bei techninės integracijos rezultatas. Puslaidininkinių IS elementai ir juos jungiantieji laidūs takeliai sudaromi puslaidininkio monokristalo tūryje ir ant jo pasyvuoto paviršiaus. Atsižvelgiant į svarbiausių elementų – tranzistorių – tipą, puslaidininkinės IS skirstomos į dvikrūves ir vienkrūves MDP arba MOP integrines schemas.

Šiame darbe nagrinėjamos dvikrūvės IS. 15.3. Pasirengimas darbui:

• Naudodamiesi paskaitų konspektu ir literatūra [1, p. 259–285], išnagrinėkite puslaidininkinių IS elementų izoliavimo būdus, gamybos procesų schemas, elementų struktūras ir savybes.

• Pasirenkite atsakyti į kontrolinius klausimus: 1. Kaip puslaidininkinėse IS sudaromos sritys, izoliuotos pn

sandūromis? 2. Kaip realizuojama dielektrinė izoliacija? 3. Pateikite ir aptarkite kombinuotosios izoliacijos pavyzdį. 4. Paaiškinkite dvikrūvės IS gamybos proceso schemą. 5. Nubraižykite puslaidininkinės IS paprasčiausio dvikrūvio tran-

zistoriaus skersinio pjūvio vaizdą ir vaizdą iš viršaus. Nurodykite sričių laidumo tipus ir pavadinimus.

6. Kodėl sudarant kontaktą su n kolektoriaus sritimi būtina su-formuoti n+ sritį?

63

7. Kam panaudojamas paslėptasis n+ sluoksnis? 8. Kaip sudaryti puslaidininkinių IS diodai? 9. Nubraižykite IS difuzinio rezistoriaus skersinio pjūvio vaizdą ir

vaizdą iš viršaus. Pažymėkite sričių laidumo tipus. 10. Nubraižykite IS difuzinio kondensatoriaus skersinio pjūvio

vaizdą ir vaizdą iš viršaus. Pažymėkite sričių laidumo tipus. 11. Nubraižykite puslaidininkinės IS MOP kondensatoriaus pjūvio

vaizdą ir vaizdą iš viršaus. Pažymėkite sričių laidumo tipus. 12. Nubraižykite puslaidininkinės IS MOP tranzistoriaus su indu-

kuotuoju n kanalu skersinio pjūvio vaizdą ir vaizdą iš viršaus. Pažymėkite sričių laidumo tipus ir pavadinimus

13. Kaip gaminamos MOP IS su polikristalinio silicio užtūromis? Kokie jų privalumai? 15.4. Užduotis laboratorijoje:

1. Atsakykite į kontrolinį klausimą. 2. Apžiūrėkite pro mikroskopą puslaidininkinės plokštelės lustą ir

atlikite šias užduotis: 2.1. Viename lusto kampe raskite kontrolinį tranzistorių, nesujungtą su kitais schemos elementais. Milimetriniame popieriuje ištisinėmis linijomis nubraižykite visų šio tranzistoriaus sričių ir laidaus sluoksnio kontūrus, punktyrinėmis linijomis – langų į sritis kontūrus. Sunumeruokite visus kontūrus ir paaiškinkite šią numeraciją po paveikslu: 1 – kolektoriaus srities kontūras, 2 – bazės srities kontūras ir pan. Braižydami tranzistoriaus eskizą, sričių langų ir laidaus sluoksnio konfi-gūraciją galite patikslinti pagal tokio pat kontrolinio tranzis-toriaus vaizdą diaprojektoriaus ekrane. 2.2. Luste greta kontrolinio tranzistoriaus yra tranzistoriaus su Π konfigūracijos emiterio sritimi ir tokios pat konfigūracijos emiterio bei kolektoriaus sričių išvadais. Apžiūrėkite šį tranzistorių projektoriaus ekrane ir atsakykite į klausimus: !"Kokios konfigūracijos yra n+ sritis po kolektoriaus išvadu?

64

!" Kokių privalumų teikia tokia kolektoriaus išvado n+ srities konfigūracija, lyginant su stačiakampe šios srities konfi-gūracija?

3. Apžiūrėkite pro mikroskopą puslaidininkinės plokštelę ir at-kreipkite dėmesį į lustų kontaktinių aikštelių būklę. Nustatykite: !" Kokia operacija buvo atliekama po laidaus sluoksnio

fotolitografijos? 4. Apžiūrėkite pro mikroskopą puslaidininkinę IS tranzistoriniame

korpuse ir du variantus didelių hibridinių IS su puslaidininkiniais lustais. Atsakykite į klausimą: !" Kokių privalumų teikia bevielis montažas apversto lusto

būdu? 5. Apžiūrėkite puslaidininkinės plokštelės lustą pro mikointerfero-

metrą. Šiame luste raskite ir parodykite dėstytojui: a) tranzistorių su stačiakampiais juosteliniais kolektoriaus,

bazės ir emiterio sričių išvadais; b) diodą, c) difuzinį rezistorių. Atsakykite į klausimą: !" Kodėl puslaidininkinės IS elementų sritys yra skirtingų

spalvų? 6. Paruoškite ataskaitą.

15.5. Ataskaitos turinys 1. Darbo tikslas. 2. Kontrolinio tranzistoriaus eskizai. 3. Išvados (motyvuoti atsakymai į visus užduoties laboratorijoje

klausimus).

65

16. Paviršinių akustinių bangų įtaisų modeliavimas

16.1. Darbo tikslas

Susipažinti su akustinės elektronikos įtaisais ir paviršinių akustinių bangų (PAB) filtrų projektavimu.

16.2. PAB įtaisai Mažoje puslaidininkinėje IS telpa daug (šiuo metu iki 108)

elementų. Pagrindiniai puslaidininkinės IS elementai – tai tranzis-toriai, diodai, rezistoriai, nedidelės talpos kondensatoriai. Induk-tyvumo elementus integruoti į puslaidininkinę IS sunku.

Kai buvo sukurtos puslaidininkinės IS, iškilo filtrų, vėlinimo linijų ir kitų elektroninės aparatūros komponentų, kuriems reikėjo induktyvumo elementų, miniatiūrizavimo problema. Sprendžiant šią problemą susiformavo nauja funkcinės elektronikos kryptis – akustinė elektronika. Šiuolaikiniuose akustinės elektronikos įtaisuose panau-dojamos paviršinės akustinės bangos.

Siekiant atskleisti PAB įtaisų veikimą ir projektavimo principus, šiame darbe nagrinėjamas PAB filtras, sudarytas iš įėjimo keitiklio, garsolaidžio, išėjimo keitiklio ir slopintuvų (16.1 pav.).

Filtro projektavimo tikslas yra parinkti garsolaidžio medžiagą, nustatyti filtro elementų matmenis, patikrinti, ar filtro charakteristikos tenkina keliamus reikalavimus, ir sudaryti filtro eskizus.

Įėjimo keitiklis

Garsolaidis Išėjimo keitiklis

Slopintuvas Slopintuvas

⇒

16.1 pav. PAB filtras

66

16.3. Pasirengimas darbui: • Naudodamiesi paskaitų konspektu ir literatūra [2], išnagrinėkite

akustinių bangų savybes, lėmusias jų taikymą elektronikos įtaisuose, PAB įtaisų sandarą, veikimą ir savybes.

• Susipažinkite su PAB filtro projektinių skaičiavimų metodika, pateikta šio darbo priede (16.6 p.).

• Pasirenkite atsakyti į kontrolinius klausimus: 1. Kas yra akustinės bangos? Kokiose terpėse jos sklinda? Kokius

žinote akustinių bangų tipus? 2. Kokios akustinių bangų savybės efektyviai panaudojamos

akustinės elektronikos įtaisuose? 3. Kaip veikia elektromechaniniai keitikliai? Kokiais efektais

pagrįstas jų veikimas? 4. Išvardinkite tūrinių akustinių bangų įtaisų tipus. 5. Paaiškinkite monolitinio pjezoelektrinio filtro sandarą ir veikimą.

Aptarkite jo savybes. 6. Išvardinkite ir aptarkite PAB įtaisų tipus. 7. Aptarkite PAB filtrų sandarą ir veikimą. 8. Paaiškinkite planariojo PAB keitiklio sandarą ir veikimą. 9. Iš kokių medžiagų gaminami PAB garsolaidžiai? 10. Aptarkite PAB vėlinimo linijų sandarą, veikimą ir savybes. 11. Aptarkite PAB dispersinių vėlinimo linijų sandarą ir veikimą. 12. Paaiškinkite optimaliųjų filtrų idėją ir šių filtrų taikymą.

16.4. Užduotis laboratorijoje: 1. Atsakyti į kontrolinį klausimą. 2. Pagal pateiktus duomenis atlikti PAB filtro projektinius

skaičiavimus. Naudodamiesi nurodyta programine įranga, atlikite reikalingus skaičiavimus, nubraižykite filtro perdavimo charakteristiką. Apsvarstykite rezultatus. Jei reikia, pakartokite skaičiavimus. Sudarykite filtro eskizą.


67

16.5. Ataskaitos turinys 1. Darbo tikslas. 2. Pradiniai duomenys. 3. Skaičiavimų rezultatai ir jų analizė. 4. PAB filtro eskizai. 5. Filtro charakteristikos. 6. Išvados.

16.6. Priedas. PAB filtro projektinių skaičiavimų metodika

Projektinių skaičiavimų užduotyje nurodomas filtro pralaidumo juostos centrinis dažnis f0 , pralaidumo juostos plotis ∆F ir kiti pradiniai duomenys.

Skaičiavimų tikslas – parinkti filtro garsolaidžio medžiagą, nustatyti filtro elementų matmenis ir ištirti, ar gauta filtro dažninė charakteristika tenkina reikalavimus.

Kai PAB filtras sudarytas pagal schemą keitiklis-garsolaidis-keitiklis (16.1 pav.), jo dažnines savybes ir selektyvumą lemia keitikliai. Jeigu abu filtro keitikliai vienodi, jo projektinius skaičiavimus galima atlikti pagal tokią metodiką.

1. Keitiklio strypų skaičius randamas pagal formulę: FfN ∆α= 02 ; (16.1)

čia α – koeficientas (α=0,6–0,8). 2. Keitiklio efektyvumas yra maksimalus, kai strypų skaičius N

artimas optimaliam, kuris priklauso nuo garsolaidžio medžiagos: 2mopt kN π= ; (16.2)

čia 2mk – elektromechaninio ryšio koeficientas (pjezoelektrinių

medžiagų parametrai nurodyti 16.1 lentelėje). 3. Jei optNN ≠ , skaičiuojamas koeficientas P:

( )2NNP opt= . (16.3) 4. Apskaičiuojamas keitiklio strypų žingsnis ∆:

02 fsν=∆ ; (16.4)

68

čia νs – PAB greitis. Strypo plotis d dažniausiai sudaro pusę žingsnio: 2∆=d .

5. Keitiklio strypų persidengimas turi būti ne mažesnis nei sLW λ=min , (16.5)

čia L – atstumas tarp įėjimo ir išėjimo keitiklių, λs – PAB ilgis. Rekomenduojama priimti L = 8–10 mm.

6. Randamas keitiklio ilgis: 2∆−∆= NLk . (16.6)

7. Apskaičiuojamas filtro pagrindo ilgis: ( )lLLb k ++= 2 ; (16.7)

čia l – atstumas nuo keitiklio iki filtro pagrindo galo. 8. Apskaičiuojamas filtro pagrindo plotis:

( )lWa +∆+= 2 . (16.8) Pagal paskaičiuotus filtro matmenų ir kitus parametrus randami

jo elektriniai parametrai ir charakteristikos: 9. Koeficientas P lemia PAB atspindžio nuo keitiklio koeficientą

B1, bangos praėjimo koeficientą B2 ir keitiklio slopinimo koeficientą B3. Decibelais išreikštos paminėtų koeficientų reikšmės apskaičiuojamos pagal formules:

LK

a

Ld

W

b∆

16.2 pav. PAB filtro keitiklis

69

( )[ ]( )[ ]( )[ ] .12lg10

,1lg10

,11lg10

23

222

21

PPB

PPB

PB

+−=

+−=

+−=

(16.9)

10. PAB filtro slopinimas išreiškiamas formule: 32BB = . 16.10)

11. Parazitinių virpesių, kylančių dėl atspindžių nuo išėjimo ir įėjimo keitiklių, lygis įėjimo virpesių atžvilgiu sudaro:

12BBd = . (16.11) 12. Keitiklio statinė talpa apskaičiuojama pagal formules:

210 WNCC = ; (16.12) čia C1 – keitiklio strypų poros ilgio vieneto talpa ( )( )37,208,15,612 2

1 ++ε+≅ ssC r ; čia εr – pagrindo santykinė dielektrinė skvarba, ∆= ds .

13. Keitiklio spinduliavimo aktyvioji varža Ra, kai f = f0, išreiškiama formule:

( ) WCfkfRR ma 1022

00 2 π== . (16.13)

16.1 lentelė. Pjezoelektrinių medžiagų parametrai

Medžiaga PAB

greitis νs km/s

Elektromechaninio ryšio koeficientas

2mk

Santykinė dielektrinė skvarba rε

Kvarcas 3,15 – 3,2 0,0012 – 0,0024 4,52–4,55 LiNbO3 3,5 – 4,0 0,005 – 0,058 25–60 Bi12GeO20 1,62 – 1,7 0,007 – 0,0164 38–45 Bi12SiO20 1,7 0,018 LiTaO3 3,2 – 3,4 0,0069 – 0,0093 43–51 Pjezokeramika 2–4 0,043 100-300

70

14. Norint sukompensuoti keitiklio įėjimo varžos talpinę dedamąją, nuosekliai keitikliui jungiama induktyvumo ritė, kurios induktyvumas randamas pagal formulę:

02

041 CfL π= . (16.14) 15. Apskaičiuojama PAB filtro perdavimo funkcija:

( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )

( )04

432

01

1

ωωωω

ωω=ω

jKjKjKjK

jKjKjKF . (16.15)

( )ωjK1 yra PAB filtro įėjimo grandinės perdavimo funkcija:

( )ZLjR

ZjK+ω+

=ω1 ; (16.16)

čia 0PRR = , ( ) ( ) 01 CjfjXfRZ aa ω++= ,

( ) ( )20 sin XXRfRa = ,

( ) ( ) 20 222sin XXXRfX a −= ,

( ) 00 2 fffNX −π= . ( )ωjK2 ir ( )ωjK3 – įėjimo ir išėjimo keitiklių perdavimo

funkcijos:

( ) ( )X

XjKjK sin32 =ω=ω . (16.17)

( )ωjK4 – filtro išėjimo grandinės, sudarytos iš Z, L ir apkrovos varžos R, perdavimo funkcija:

( ) ( )LjZRRjK ω++=ω4 . (16.18) 16. Įvertinant atspindėtą bangą, kurios lygį nusako slopinimo

koeficientas Bd, filtro perdavimo funkcija apskaičiuojama pagal formulę:

( ) ( ) ( )LpF tKjKjK νΣ ω−+ω=ω 2exp ; (16.19) čia ( ) pKL LLt ν+=ν – vėlinimo laikas , Kp – perdavimo koeficiento reikšmė, atitinkanti slopinimo koeficientą Bd.

71

Literatūra 1. S.Štaras, R.Kirvaitis. Mikroelektronikos pagrindai. V.: Mokslo ir

enciklopedijų leidykla, 1995. 292 p. 2. S.Štaras. Elektronikos pagrindai. Akustoelektronika. V.: Technika, 1994.

54 p.

A priedas

PASISKIRSTYMO FUNKCIJŲ TYRIMAS Laboratorinio darbo ataskaita

Atliko: VGTU ER 8/5 gr. studentas Jonas Petraitis 2000 m. kovo 20 d. 1. Darbo tikslas Pasiskirstymo funkcijų tyrimas ir elektronų metale bei puslaidininkyje

savybės. 2. Pradiniai duomenys Pradiniai duomenys pateikti lentelėje…

…

PASISKIRSTYMO FUNKCIJŲ TYRIMAS Laboratorinio darbo ataskaita

Atliko: VGTU ER 8/5 gr. studentas Jonas Petraitis 2000 m. kovo 20 d. 1. Darbo tikslas Pasiskirstymo funkcijų tyrimas ir elektronų metale bei...

72

B priedas

Fizikinės konstantos ir kitos žinios

Šviesos greitis vakuume 2,998⋅108 m/s Elektrono krūvis 1,602⋅10-19 C Elektrono masė 9,110⋅10-31 kg Elektrono krūvio ir masės santykis 1,759⋅1011 C/kg Protono masė 1,673⋅10-27 kg Magnetinė konstanta 8,854⋅10-12 F/m Elektrinė konstanta 1,257⋅10-6 H/m Planko konstanta 6,626⋅10-34 Js Avogadro skaičius 6,022⋅1026 1/kg Bolcmano konstanta 1,381⋅10-23 J/K Rydbergo konstanta 1,097⋅10-7 1/m Atominis masės vienetas 1,661⋅10-27 kg 1 eV 1,602⋅10-19 J kT, kai T=293 K (20 oC) 0,02525 eV kT,kai T=300 K (27 oC) 0,02585 eV

Puslaidininkių parametrai 300 K temperatūroje

Ge Si GaAs Atomo numeris 32 14 31;33 Atominė masė 72,6 28,1 144,6 Gardelės konstanta (nm) 0,566 0,543 0,565 Atomų tankis (1/cm3) 4,4⋅1022 5⋅1022 Tankis (g/cm-3) 5,33 2,33 5,32 Lydimosi temperatūra (oC) 937 1417 1238 Draustinės juostos plotis (eV) 0,67 1,1 1,4 Santykinė dielektrinė skvarba 16 11,8 13 ni (1/cm3) 2,5⋅1013 1,5⋅1010 1,8⋅106 Elektronų judrumas (cm2/Vs) 3800 1400 8500 Skylių judrumas (cm2/Vs) 1800 500 450

Documents

Elektronikos pagrindų laboratoriniai darbai