Главная > Методические указания


Методические указания

Ф СО ПГУ 7.18.2/05

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова

Кафедра «Радиотехника и телекоммуникации»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к практическим занятиям

по дисциплине Электроника

для студентов специальности 050702 Автоматизация и управление

Павлодар

Лист утверждения к

Методическим указаниям

Ф СО ПГУ 7.18.1/05

УТВЕРЖДАЮ

Декан энергетического факультета

__________ А.П. Кислов

«___»_______» 2008 г.

Составитель: заведующий кафедрой, кандидат технических наук, доцент,

профессор ПГУ __________ Тастенов А.Д.

Кафедра «Радиотехника и телдекоммуникации»

Методические указания

к практическим занятиям

по дисциплине «Электроника»

для студентов специальности 050702 Автоматизация и управление

Рекомендовано на заседании кафедры 09.01. 2008 г., протокол № 3

Зав. кафедрой _______________ Тастенов А.Д.

Одобрено методическим советом энергетического факультета

«___»_______ 2008 г., протокол № ___

Председатель МС___________ Кабдуалиева М.М.

Введение

Настоящее методические указания включают материалы, необходимые при изучении разделов (тем) курса «Электроника». Вместе с тем методические указания включает материалы, необходимые для организации самостоятельной работы с использованием компьютерных обучающих, моделирующих и контролирующих программ, таких как Electronics Workbench 4.12 или 5.12.

Материал методических указаний составлен так, чтобы он способствовал углублению и закреплению теоретических знаний, а также вырабатывал навык в решении практических вопросов и задач.

Прежде чем решить задачу или ответить на вопрос, надо понять их сущность, смысл заданных величин, вспомнить физические процессы, законы и соотношения, относящиеся к данному вопросу.

Все аналитические решения следует проводить по общеизвестным правилам. Сначала надо написать исходные формулы, сделать, если это нужно, соответствующие преобразования, получить конечные формулы, а затем подставить в эти формулы числовые значения и вычислить результат. Однако если решение задач в общем виде связано с громоздкими выражениями, то его можно производить непосредственно в числах.

Ход всех преобразований и вычислений должен быть четко показан в решении задачи. Вычисления, как правило, достаточно делать с точностью до третьего знака, а в ряде случаев до второго. Нет никакого смысла доводить точность решения до четвертого и пятого знаков, так как исходные данные обычно бывают известны с меньшей точностью.

Полученное в виде числового ответа решение надо всегда стараться проверить каким-либо способом. Полезно оценить результат, вычислив его весьма приближенно путем округления значений, с которыми производятся действия, до удобных для вычисления.

1 План занятия

План практического занятия строиться из требования необходимости качественного выполнения практических занятий. Для этого в методических указаниях для каждой задачи приведены примеры решения. Каждому студенту предлагается вариант исходных данных, по которым необходимо провести практические расчеты. Кроме этого желательно проводить практические занятия в компьютерных классах или в компьютеризированных учебно-исследовательских лабораториях. Это дает возможность каждому студенту экспериментально подтвердить произведенные расчеты на моделирующих и контролирующих программах, таких как Electronics Workbench 4.12 или 5.12. Исходя из этого, план практических занятий выглядит в следующем виде.

1. Распределение вариантов исходных данных для решения практической задачи.

Методические указания должны быть представлены каждому студенту и с этой точки зрения проведение практических занятий в компьютерных классах или в компьютеризированных учебно-исследовательских лабораториях облегчает выполнение этого условия и повышает эффективность занятий.

Студент получает возможность индивидуального пользования методическими указаниями в электронном виде на персональном компьютере. Кроме этого, студенту может быть представлена возможность использования методических указаний и в домашних условиях, представлением их студенту в электронном виде.

2. Студент при выполнении практических расчетов имеет право на индивидуальную консультацию преподавателя, проводящего практическое занятие. Кроме этого, преподаватель может при необходимости дать пояснения общего характера для всей группы студентов по материалам, не приведенным в методических указаниях.

3. При проведении практических занятий в компьютерных классах или в компьютеризированных учебно-исследовательских лабораториях студент может оформлять решение практического задания в электронном виде и по окончания занятий скопировать материалы на электронный носитель.

4. После выполнения практических расчетов студент должен смоделировать представленную схему на моделирующей программе Electronics Workbench 4.12 или 5.12 и продемонстрировать экспериментально результаты расчетов.

5. После выполнения задания практического занятия студент может распечатать материал расчетов и схемы, набранной на моделирующей программе Electronics Workbench 4.12 или 5.12 и представить преподавателю для оценки.

После выполнения всех заданий практических занятий студент должен объединить все материалы в единой папке и представить преподавателю перед проведением итогового контроля знаний. Единая папка должна иметь титульный лист установленного вида с подписью преподавателя, проводившего практические занятия.

2 Задания на практические занятия и примерами их решения

2.1 Физические свойства полупроводников

Задание 1. Удельное сопротивление собственного германия при ρ = 0,43 Омм. Подвижность электронов и дырок в германии равны соответственно 0,39 и 0,19 м2/Вс. Определить собственную концентрацию электронов и дырок.

Решение. Удельная проводимость полупроводника определяется из уравнения

,

где n – концентрация электронов; p – концентрация дырок;

, – подвижности электронов и дырок соответственно; е – заряд электрона.

Для собственного полупроводника , где – собственная концентрация электронов и дырок. Поэтому собственная удельная проводимость задается в виде

,

откуда

;

Задание 2. Образец германия легирован примесью атомов сурьмы так, что один атом примеси приходится на 2∙106 атомов германия. Определить:

а) концентрацию электронов и дырок при Т = 300К (предположить, что при этой температуре все атомы сурьмы ионизированы и концентрация атомов германия N = 4,4 1028 м-3);

б) удельное сопротивление этого легированного материала; в) коэффициенты диффузии электронов и дырок в германии при данной температуре.

Решение. Концентрация донорных примесей

.

Собственная концентрация (см. решение предыдущей задачи). Следовательно, концентрация дырок

.

Удельное сопротивление легированного полупроводника n-типа

Омм.

Определим коэффициенты диффузии электронов и дырок в германии при Т = 300К.

Соотношение Эйнштейна между подвижностью и коэффициентом диффузии D имеет вид:

,

где k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура.

Для электронов

.

Для дырок

.

Задание 3. Дан образец легированного кремния n-типа длиной 10 мм, шириной 2 мм и толщиной 1 мм. Подвижности электронов и дырок равны соответственно 0,12 и 0,05 м2/Вс, концентрация собственных носителей заряда ni = 1,5∙1016 м -3. Определить:

а) концентрацию примеси в образце, если сопротивление образца R = 150 Ом;

б) отношение дырочной удельной проводимости к электронной.

Решение. Определим удельное сопротивление материала, для чего воспользуемся формулой:

,

откуда

Омм.

Удельное сопротивление примесного кремния определяется выражением

, (1)

где: e – заряд электрона; – число свободных электронов; – подвижность электронов; – число дырок; – подвижность дырок.

Подставив в (1) числовые данные из условия задачи, получим

(2)

или

(3)

Поскольку , то

(4)

Подставив (4) в (3), получим:

или

.

Отсюда

Такое же значение имеет и концентрация доноров .

Определим отношение дырочной удельной проводимости к электронной. Дырочная и электронная удельные проводимости определяются выражениями:

; .

Тогда

.

Следовательно,

.

Задание 4. В собственном германии концентрация атомов равна 4,5∙1028 м-3. При температуре Т = 300К один из каждых 2∙109 атомов ионизирован. Подвижности электронов и дырок при этой температуре равны соответственно 0,39 и 0,19 м2/Вс. Определить:

а) удельную проводимость собственного германия;

б) удельную проводимость германия при температуре Т = 300К, легированного элементом V группы, если на каждые 108 атомов германия приходится один атом примеси.

Решение. Найдем концентрацию собственных носителей заряда в германии при Т = 300К:

.

Удельная проводимость собственного германия

,

где: – концентрация собственных носителей заряда; – подвижность электронов;

– подвижность дырок.

См/м.

Собственный полупроводник, легированный элементом V группы, является материалом n-типа. Определим концентрацию доноров :

.

Вычислим удельную проводимость полупроводника n-типа:

См/м.

Задание 5. Полупроводник в условиях равновесия имеет концентрацию дырок ρ = 1020 м-3 и концентрацию электронов n = 2∙1019 м -3. Определить:

а) полную концентрацию примесей;

б) тип доминирующей примеси;

в) собственную концентрацию носителей заряда.

Решение. В условиях равновесия существует компенсация зарядов: , где и – концентрации акцепторов и доноров соответственно, и предполагается, что все примеси ионизированы.

Полная концентрация примесей

.

Значение () положительно, следовательно, акцепторы присутствуют в большинстве и компенсированный материал p-типа.

Определим собственную концентрацию :

,

откуда .

Задание 6. Напряженность электрического поля в кристалле собственного кремния Е=500 В/м, а подвижность электронов µn и дырок µр соответственно равны 0,14 и 0,05 м2/Вс. Концентрация собственных носителей ni = 1,5∙1016 м -3. Определить:

а) скорость дрейфа электронов νn и дырок νp;

б) удельное сопротивление кремния ρi;

в) полный дрейфовый ток I, если площадь поперечного сечения П = 3∙10-6 м -2

Решение. Скорость дрейфа электронов

м/с.

Скорость дрейфа дырок

м/с.

Удельное сопротивление собственного кремния

Омм.

Полный дрейфовый ток в собственном полупроводнике

0,684 мкА.

Задание 7. Вычислить диффузионную длину электронов в германии p-типа и дырок в германии n-типа, если время жизни неосновных носителей заряда τn = τp = 10-4 с, коэффициент диффузии для германия p-типа Dn = 99∙10-4 m2/c и для германия n-типа Dp = 47∙10-4 м2/c.

Решение. Из выражения находим диффузионную длину электронов

мм.

Диффузионная длина дырок мм.

Задание 8. Термистор из собственного кремния имеет сопротивление R1 = 600 Ом при Т = 300К. Вычислить его сопротивление при Т = 325 К, предполагая, что ширина запрещенной зоны для кремния Eg = 1,1 эВ и что подвижности носителей µр и µn заметно не изменяются в этом интервале температур.

Решение. Собственная удельная проводимость материала

,

где – собственная концентрация носителей, а – подвижность.

Если подвижности остаются постоянными, то – только один параметр, меняющийся с температурой Т по закону

, (1)

где N – некая постоянная.

Следовательно, удельное сопротивление, а также сопротивление R изменяются как , или

. (2)

При Т = 300 К сопротивление термистора =600 Ом, следовательно,

. (3)

Аналогично при Т = 325 К

. (4)

Разделив (3) на (4), получаем: , откуда Ом.

2.2 Полупроводниковые диоды

Задание 1. Имеется сплавной германиевый p-n-переход с концентрацией атомов доноров Nд = 103Nа, причем на каждые 108 атомов германия приходится один атом акцепторной примеси. Определить контактную разность потенциалов при температуре Т = 300К. Концентрацию атомов N германия принять равной 4,4∙1028 м3, собственную концентрацию ионизированных атомов ni принять равной 2,5∙1019 м-3.

Решение. Контактная разность потенциалов

,

где Дж/К – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; – концентрация доноров; – концентрация акцепторов; – концентрация собственных носителей заряда; e – заряд электрона.

Определим концентрацию акцепторных атомов:

.

Концентрация атомов доноров:

.

Контактная разность потенциалов:

.

Задание 2. Удельное сопротивление p-области германиевого p-n-перехода ρр = 2 Омсм, а удельное сопротивление n-области ρn = 1 Омсм. Вычислить контактную разность потенциалов (высоту потенциального барьера) при Т = 300К

Решение. Известно, что удельное сопротивление p-области полупроводника

,

где – концентрация акцепторов; e – заряд электрона; – подвижность дырок.

Отсюда

см.

Аналогично найдем концентрацию доноров в n-области полупроводника:

см.

Контактная разность потенциалов

.

Задание 3. В германиевом p-n-переходе удельная проводимость p-области σp = 104 См/м и удельная проводимость n-области σp = 102 См/м. Подвижности электронов и дырок в германии соответственно равны 0,39 и 0,19 м2/Вс. Концентрация собственных носителей в германии при Т = 300К ni = 2,5∙1019 м-3. Вычислить контактную разность потенциалов (высоту потенциального барьера) при Т = 300К.

Решение. Для материала p-типа , где – удельная проводимость; – подвижность дырок; – концентрация дырок; е – заряд электрона.

Отсюда

.

Аналогично для материала n-типа

.

Концентрация

.

Контактная разность потенциалов

.

Задание 4. Германиевый полупроводниковый диод, имеющий обратный ток насыщения I0 = 25 мкА, работает при прямом напряжении, равном 0,1 В и Т = 300К. Определить:

а) сопротивление диода постоянному току R0;

б) дифференциальное сопротивление rдиф.

Решение. Найдем ток диода при прямом напряжении по формуле

мА.

Тогда сопротивление диода постоянному току

Ом.

Вычислим дифференциальное сопротивление

См,

откуда Ом, или приближенно, с учетом того, что ,

,

откуда

Ом.

Задание 5. Определить, во сколько раз увеличится обратный ток насыщения сплавного p-n - перехода диода, если температура увеличивается:

а) от 20С до 80С для германиевого диода;

б) от 20С до 80С для кремниевого диода.

Решение. Зависимость обратного тока насыщения от температуры выражается следующим уравнением:

,

где k – постоянная Больцмана; – ширина запрещенной зоны при Т = 300К; – температурный потенциал.

Известно, что для германия ; ; ; для кремния ; ; .

Следовательно, для германия обратный ток насыщения

.

При T = 80C, или Т = 353K, имеем

.

Таким образом,

.

При T = 20C, или T = 293K,

.

Тогда

.

Следовательно,

.

Для кремниевого диода

.

При Т = 80С, или Т = 353К, температурный потенциал

;

тогда

.

При температуре T = 20C, или T = 293K,

; .

Отношение токов

.

Задание 6. Барьерная емкость сплавного диода равна 200 пФ при обратном напряжении 2B. Какое требуется обратное напряжение, чтобы уменьшить емкость до 50 пФ, если контактная разность потенциалов φk = 0,82 В.

Решение. Барьерная емкость резкого p-n-перехода, Ф/м2, определяется по формуле

,

где – напряжение на p-n-переходе; и – концентрации примесей на каждой из сторон p-n-перехода.

Следовательно, для данного диода

,

где k – некоторая постоянная; – обратное напряжение; – контактная разность потенциалов.

При = 2В барьерная емкость пФ, тогда

.

Находим теперь обратное напряжение, при котором пФ.

,

откуда В.

Задание 7. Обратный ток насыщения некоторого диода с барьером Шоттки равен 2 мкА. Диод соединен последовательно с резистором и источником постоянного напряжения смещения Е = 0,2 В, так что на диод подается прямое напряжение. Определить сопротивление резистора, если падение напряжения на нем равно 0,1 В. Диод работает при T = 300K.

Решение. Определим ток диода

,

где – обратный ток насыщения; U – прямое напряжение.

Поскольку падение напряжения на резисторе равно 0,1 B, то на диоде

.

Поэтому ток диода

мкА.

Следовательно,

кОм.

Задание 8. Определить выходное напряжение в схеме, если при комнатной температуре используется кремниевый диод, имеющий обратный ток насыщения I0 = 10 мкА.

Рис. 2.1

Решение. Поскольку на диод подано прямое напряжение, то сопротивление кремниевых диодов будет примерно равно 200 Ом или меньше, и ток в схеме будет определяться в основном сопротивлением резистора кОм.

Следовательно, мА. Подставив это значение в выражение для тока полупроводникового диода, и решив его относительно U, получим

;

; ; ; мВ.

Следовательно, мВВВ.

Задание 9. Определить выходное переменное напряжение схемы на рис.2.2, если работа происходит при комнатной температуре.


Рис. 2.2

Решение. Выходное переменное напряжение будет равно переменной составляющей напряжения на диоде. Положение рабочей точки определяется постоянной составляющей тока диода мА.

Прямое дифференциальное сопротивление диода находим по формуле

Ом.

Поэтому мВ.

Задание 10. Рассчитать простейшую схему без фильтра для выпрямления синусоидального напряжения с действующим значением U = 700 B, используя диоды Д226Б.

Решение. Определим амплитудное значение синусоидального напряжения:

В.

Это напряжение в простейшей схеме выпрямления будет обратным. Поскольку у диодов Д226Б при максимальной рабочей температуре составляет 300 В, то для выпрямления необходимо применить цепочку из последовательно соединенных диодов. Но вследствие больших разбросов обратных сопротивлений диодов (обратные сопротивления диодов одного и того же типа могут отличаться в несколько раз) диоды необходимо шунтировать резисторами.

Необходимое число диодов n определим по формуле

,

где – коэффициент загрузки по напряжению (может принимать значения от 0,5 до 0,8). Пусть = 0,7, тогда

.

Возьмем n = 5.

Значения сопротивлений шунтирующих резисторов определим по формуле

,

где коэффициент 1,1 учитывает 10%-ный разброс сопротивлений применяемых резисторов; – обратный ток при максимально допустимой температуре.

Из справочника находим, что = 300 мкА. Тогда, подставляя численные значения величин в формулу для , получаем

кОм.

Возьмем = 300 кОм.

Следовательно, схема для выпрямления имеет вид, показанный на рис. 2.3.

Рис. 2.3

3 Список рекомендуемой литературы

  1. Щука А.А. Электроника. – СПб.: БХВ–Петербург, 2005.

  2. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Учебник для ВУЗов.- Санкт-Петербург-Москва-Краснодар. 2003.

  3. Прянишников В.А. Электроника. Полный курс лекций.- Санкт-Петербург.: Корона-принт, 2004.

  4. Гусев, В.Г. Электроника и микропроцесссорная техника: учебник для студ.вузов /В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев. – М.:ВШ, 2005.

  5. Гальперин М.В. Электронная техника: учебник /М.В. Гальперин. – М: Форум: Инфра – М, 2004.

  6. Новожилов, О.П. Основы цифровой техники: учебное пособие /О.П. Новожилов. - М.: РадиоСофт, 2004.

  7. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учебник для вузов/ Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров; Под ред. О.П. Глудкина.  М.: Горячая линия  Телеком, 1999.  768с.: ил.

Дополнительная

  1. Джонс М.Х. Электроника – М.: Постмаркет,1999.

  2. Андреев А.В., Горлов М.И. Основы электроники: Учебное пособие для средних специальных заведений.- Ростов на Дону.: Феникс. 2003.

  3. Аккабаков А.Б., Тастенов А.Д., Кошербаев Т.А. Расчет однофазного стабилизированного источника питания. – Павлодар, 2005.

  4. Тастенов А.Д., А.Б. Аккабаков. Расчет усилителей импульсных сигналов. Методические указания. – Павлодар, 2005.

  5. Антипов Б.Л. Материалы электронной техники: задачи и вопросы: учебник для студ. вузов /Б.Л. Антипов, В.С. Сорокин, В.А Терехов. – СПб.: Лань, 2003.

  6. Нефедов А.В. Зарубежные микросхемы памяти и их аналоги: справочник-каталог/ А.В. Нефедов, А.М. Савченко. – М.: РадиоСофт. Т.4, 2003.

  7. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники /Г.С.Зиновьев. – Новосибирск: НГТУ, 204.

  8. Кардашев Г.А. Виртуальная электроника: Компьютерное моделирование аналоговых устройств / Г.А. Кардашев. - М.: Горячая линия-Телеком, 2002.

  9. Грабовски Б. Краткий справочник по электронике. - М.: ДМК, 2001.

  10. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Electronics Workbench: В 2-х т., том 2 /Под общей ред. Д.И. Панфилова. – М.: ДОДЭКА, 1999.

  11. Точчи Р. Дж. Цифровые системы: Теория и практика / Рональд Дж. Точчи, Нил С. Уидмер. - М.: Вильямс, 2004.

  12. Зиновьев, Г.С. Основы силовой электроники /Г.С.Зиновьев. - Новосибирск: НГТУ, 2004.

  13. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Worcbench и ее применение.  М.: "Солон-Р", 2000.  506 с.: ил.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Методические указания (76)

    Методические указания
    ... лососевых рыб 1.3. В настоящих Методических указаниях изложены стандартизованные методы отбора, транспортировки ... ВНИИПРХ). С утверждением настоящих Методических указаний утрачивают силу "Методические указания по идентификации вирусов и лабораторной ...
  2. Методические указания (111)

    Методические указания
    ... Морозенко В.В. и др. Английский язык. Программа, методические указания и контрольные задания: для студентов-заочников ... . - М.: Высш.шк., 1989. Содержание 1. Методические указания 2 1.1. Выполнение контрольных заданий и оформление контрольных ...
  3. Методические указания (62)

    Методические указания
    ... и защиты окружающей среды МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по изучению дисциплины «Охрана ... Теплоэнергетика» Павлодар Лист утверждения к методическим указаниям Форма Ф СО ПГУ 7.18 ... и защиты окружающей среды Методические указания по изучению дисциплины “Охрана ...
  4. Методические указания (45)

    Методические указания
    ... , расчете их экономической эффективности . Приведенные в методических указаниях цифровые показатели являются условными и могут ... затрат ) (раздел 7); -заключение (раздел 8). 2. Общие методические указания Рост современных больших городов характеризуется ...
  5. Методические указания (69)

    Методические указания
    МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по учебной ... деятельности менеджера на предприятии.2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ ... – М.: ИНФРА-М, 2002 Михайлов Ю.И. Методические подходы к формированию и структурированию производственной инфраструктуры ...

Другие похожие документы..