LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Transkrypt

1 LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH Termin wprowadzający Zapoznanie z Laboratorium oraz szkolenie BHP Z tą instrukcją studenci przychodzą już na pierwsze zajęcia. Dostępna jest na stronie: oraz w punkcie ksero w budynkuc-1. 1 Ustalenia organizacyjne Obecność na pierwszym terminie zajęć jest bezwzględnie obowiązkowa ze względu na szkolenie BHP. Bez zaliczenia szkolenia nie można uczestniczyć w dalszych zajęciach. Kierownik Laboratorium: dr inż. Waldemar Oleszkiewicz, p. 206, C-2 Opiekun Laboratorium: Ryszard Ciechanowski, p. 413a, C Przebieg ćwiczeń i warunki zaliczenie laboratorium A. Organizacja grupy - studenci wykonują ćwiczenia w Laboratorium (sala 218 oraz sala 413, C-2) w zespołach 2-osobowych. W terminie określonym harmonogramem grupa studencka wykonuje ćwiczenie wg numeracji zgodnej z programem Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych oraz w sali zgodnie z harmonogramem. B. Realizacja programu Laboratorium 1. Studenta obowiązuje, po uprzednim przygotowaniu się, wykonanie i zaliczenie czterech ćwiczeń określonych programem LPP. Instrukcje do ćwiczeń udostępnione są na stronie laboratorium oraz w punkcie ksero w budynku C Student nie może w semestrze przekroczyć jednej nieobecności. Przekroczenie tej liczby wymagać będzie (w sytuacjach szczególnych i udokumentowanych) zgody Dziekana na kontynuację zajęć w semestrze. 3. Sprawdzenie stopnia przygotowania do zajęć odbywać się będzie w postaci kartkówek bądź odpowiedzi ustnych. Oceniana też będzie poprawność oraz sprawność wykonania ćwiczenia. 4. Grupa ćwiczeniowa wykonuje jedno sprawozdanie oddawane w terminie zajęć (papier formatu A3 - papier kancelaryjny, opieczętowany pieczątką dostępną w laboratorium). Sprawozdanie powinno zawierać: zapis wyników pomiarów wykreślonych w czasie trwania laboratorium i opisanych zależności funkcyjnych (typ badanego elementu, właściwy opis osi wykresu z podaniem wielkości mierzonych i ich jednostek}, 1

2 wyniki obliczeń wykonanych na polecenie prowadzącego zajęcia (dokumentowane podpisem) z przedstawieniem sposobu obliczania oraz określeniem na wykresach przedziałów zmian wartości mierzonych, które są w nich wykorzystywane, ocenę pomiarów i wnioski odnoszące się do poprawności wykonania pomiarów, właściwości badanych elementów (z uwzględnieniem danych katalogowych badanych elementów). Sprawozdanie, po ocenie przez prowadzącego, jest udostępnione do wglądu studentom w terminie następnych zajęć, po czym przechowywane jest przez Prowadzącego do końca semestru. 5. Odrabianie ćwiczeń nie zrealizowanych możliwe jest tylko w tygodniu odróbczym. Terminy zajęć odróbczych określone zostaną w tygodniu poprzedzającym ostatnie zajęcia kursowe w semestrze. 6. W czasie trwania ostatnich zajęć kursowych przeprowadzona zostanie wśród studentów, zgodnie z zaleceniem Dziekana Wydziału, anonimowa ankieta dotycząca oceny zajęć. C. Zasady porządkowe obowiązujące w Laboratorium. Studenta wykonującego pomiary w Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych obowiązuje przestrzeganie przepisów BHP związanych z obsługą urządzeń elektrycznych. Informacje dotyczące uszkodzeń bądź nieprawidłowości w funkcjonowaniu urządzeń studenci zgłaszają prowadzącemu zajęcia. Urządzenia uszkodzone należy odstawić na miejsce oznaczone Urządzenia uszkodzone D. Do dyspozycji studentów wykonujących ćwiczenia pozostają: urządzenia do sprawdzenia poprawności działania badanych elementów (zaleca się sprawdzanie elementów przed zmontowaniem układu pomiarowego), podręczny katalog elementów elektronicznych, instrukcje obsługi urządzeń wykorzystywanych w pomiarach (wydawane przez prowadzącego), stanowisko do wylutowywania bądź wlutowywania elementów (po operacji lutowania na płytce pomiarowej przez studentów płytka powinna być koniecznie skontrolowana przez prowadzącego zajęcia). Studenci zobowiązani są do posiadania papieru milimetrowego, papieru do drukarki oraz papieru z podziałką w układzie logarytmicznym oraz logarytmiczno-liniowym (wzorzec A4 do skopiowania dostępny w punkcie ksero C-1, na stronie internetowej laboratorium), na każdych zajęciach laboratoryjnych. Studenci zgłaszają prowadzącemu zajęcia uzyskane wyniki pomiarów (nawet cząstkowe) przy zestawionym układzie i włączonym stanowisku pomiarowym. Po wykonaniu pomiarów grupa laboratoryjna zobowiązana jest do pozostawienia porządku na stanowisku tj.: rozłączenia układów pomiarowych, wyłączenia zasilania urządzeń, ułożenia przewodów (wg ich kolorów) w uchwytach, Prowadzący odbiera wykonane sprawozdania przy stanowisku pomiarowym sprawdzając czy pozostawiono porządek i czy zostało ono wyłączone. 2

3 1.2 Tematyka ćwiczeń Poszczególne ćwiczenia poświęcone są badaniu parametrów typowych przyrządów półprzewodnikowych (elementów elektronicznych i optoelektronicznych) oraz układów scalonych. Charakteryzacja (opis) elementu elektronicznego polega najczęściej na przedstawieniu jego charakterystyki prądowo-napięciowej, oznaczanej jako I-U lub I=f(U), a także określeniu parametrów (dopuszczalnych, typowych), które są ważne z punktu widzenia zastosowania danego elementu w układach. Oprócz elementarnych charakterystyk I-U, w kolejnych ćwiczeniach, będą mierzone także charakterystyki częstotliwościowe i parametry układów wzmacniających oraz charakterystyki przełączania elementów i układów cyfrowych. 2 Przyrządy pomiarowe Stanowiska pomiarowe w laboratorium zestawione są z typowych przyrządów pomiarowych i urządzeń, z których działaniem i obsługą należy się bezwzględnie zapoznać. Do podstawowych przyrządów należą: - zasilacze napięcia stałego pracujące ze stabilizacją napięcia lub prądu - multimetry cyfrowe, z możliwością pomiaru wartości: I, U, R - źródła sygnałów zmiennych generatory - charakterografy, czyli regulowane zasilacze kalibrowane współpracujące z oscyloskopem - oscyloskopy cyfrowe połączone z drukarkami do kopiowania obrazu ekranu Niektóre ćwiczenia prowadzone są z pomocą zestawów komputerowych z magistralą GPIB do zbierania i obróbki danych pomiarowych. 3 Pomiary charakterystyki prądowo-napięciowej Pomiar charakterystyki I-U danego elementu polega na wymuszeniu przepływu prądu przez element poprzez przyłożenie do elementu napięcia. Wykonując, w określony sposób, sekwencję pomiarów otrzymuje się zbiór odpowiadających sobie wartości prądów i napięć tworzące punkty charakterystyki I-U. Pomiar można wykonać w sposób dyskretny poprzez ustalanie konkretnych wartości prądu lub napięcia i odczytywanie tej drugiej (napięcia lub prądu) lub w sposób ciągły korzystając z zasilacza dającego narost napięcia lub prądu w z góry ustalony sposób. Charakterystyki I-U - jak mówimy popularnie - zdejmuje się umieszczając badany element w układzie pomiarowym, który z reguły zawiera zasilacz (źródło napięcia lub prądu), rezystory pomocnicze ( np. ograniczające prąd w obwodzie) oraz mierniki prądu i napięcia. W zależności od stosowanej metody pomiarowej wykorzystuje się różne zasilacze oraz przyrządy pomiarowe. Na przykład: przyrządem do pomiaru napięcia może być woltomierz cyfrowy, ale także oscyloskop lub rejestrator przebiegu napięciowego. Wykonując pomiary PRZESTRZEGAJ PRZEPISÓW BHP związanych z obsługą urządzeń elektrycznych. 3

4 W kolejnych punktach zostaną omówione metody pomiaru charakterystyk I-U stosowane podczas ćwiczeń. 3.1 Metoda techniczna pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych Prostą metodą wykorzystywaną do pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych jest metoda techniczna. Polega ona na wykonaniu szeregu pomiarów prądów i napięć dla kolejnych punktów charakterystyki, a następnie naniesieniu wyników tych pomiarów na wykres I-U. Jako źródło zasilania układu pomiarowego używa się zasilacza laboratoryjnego z regulowanym napięciem wyjściowym, z możliwością ustawienia ograniczenia prądowego (np. zasilacz P317). Schemat układu pomiarowego, stosowanego w tej metodzie, przedstawiono na rys.1. Zastosowane mierniki prądu i napięcia to multimetry cyfrowe. 1kW ma Zasilacz P317 badany element? V Rys. 1: Schemat układu do pomiaru charakterystyki I-U metodą techniczną. Szeregowo włączony do obwodu rezystor 1 kw ułatwia płynne wymuszenie przepływu przez badany element prądu o wymaganym natężeniu. Jednocześnie rezystor ogranicza prąd w obwodzie dla danego napięcia zasilacza, przez co zmniejsza prawdopodobieństwo przypadkowych uszkodzeń elementu badanego wynikających z nieprawidłowości zestawienia układu pomiarowego. Odpowiednią wartość natężenia prądu uzyskuje się przez regulację napięcia zasilacza laboratoryjnego. Wartość natężenia prądu płynącego w układzie będzie wynikała ze spadku napięcia na rezystorze 1 kw. Należy zwrócić uwagę na nominalną moc rezystora. Najczęściej stosowane w tym układzie są rezystory o mocy 1 W. Wówczas uwaga: nie wolno przekroczyć 1 W mocy traconej w rezystorze. Wiadomo, że dla rezystora moc, P: 2 P = I R Ţ I max = P R max = 1W 1000W = 0,032 A = 30 ma Wynika z tego, że w czasie pomiarów konieczne jest ustawienie ograniczenia prądowego w zasilaczu na 30 ma, lub mniej, gdy badany element wymaga ograniczenia prądowego na niższym poziomie. Jeżeli potrzebne jest zbadanie charakterystyki dla większych wartości natężenia prądu niż 30 ma, można zamienić rezystor na 100 W (zastanówmy się, jaki będzie wówczas dopuszczalny prąd w obwodzie?) lub usunąć z układu rezystor, a wymagane natężenie prądu uzyskać przez odpowiednie ustawienie ograniczenia prądowego w zasilaczu pracującym stale w trybie ograniczenia prądowego. 4

5 3.2 Rejestrator Rejestrator jest urządzeniem zapisującym przebiegi zmian napięcia podawanego na dwa wejścia rejestratora: X oraz Y. Zapis za pomocą pisaka dokonywany jest w układzie współrzędnych Y-X. Jeśli chcemy zmierzyć i wyrysować charakterystykę prądowonapięciową elementu elektronicznego (np. diody), to możemy posłużyć się układem przedstawionym na rys.3. Ponieważ rejestrator, podobnie jak oscyloskop, posiada jedynie wejścia napięciowe pomiar prądu elementu badanego musi się odbywać metodą pośrednią, przy użyciu rezystora pomiarowego (analogicznie jak w przypadku omówionym dla charakterografu). Prąd I płynący przez rezystor R, włączony szeregowo z elementem badanym D, wywołuje spadek napięcia Uy, który jest mierzony na wejściu Y rejestratora. W zależności od spodziewanej wartości prądu dobieramy wartość rezystora R oraz czułość napięciową wejścia Y. Na przykład: w zakresie wartości prądu kilku ma, stosując rezystor R=10 W i czułość wejścia 10 mv/cm uzyskujemy czułość prądową przebiegu 1 ma/cm na osi Y wykresu charakterystyki I-U. Natomiast spadek napięcia U x na elemencie badanym D mierzony jest bezpośrednio na wejściu X rejestratora. Konieczny jest dobór właściwej czułości napięciowej wejścia X (na przykład 50 mv/cm dla diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia). Rys.3. Układ do pomiaru charakterystyki I-U diody z wykorzystaniem rejestratora. 5

6 3.3 Wykorzystanie multimetru VC-10T, 1321 lub 1331 jako źródła prądowego Większość multimetrów cyfrowych (np. VC-10T, 1321, 1331) pracując w trybie pomiaru rezystancji, (czyli jako omomierz) mierzy i pokazuje na wyświetlaczu spadek napięcia na badanym elemencie wywołany przepływem prądu ze źródła prądowego wbudowanego w multimetr. Oprócz funkcji pomiaru rezystancji można tę cechę przyrządu wykorzystać do pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych dla bardzo małych prądów. Multimetry VC-10T, 1321 i 1331 posiadają wewnętrzne źródło prądowe o wydajności zależnej od wybranego zakresu pomiarowego rezystancji; patrz tabela 2. Tabela 2. Wartości natężenia źródła prądowego multimetrów cyfrowych. Zakres omomierza 200 W 2 kw 20 kw 200 kw 1 MW 2 MW 20 MW VC-10T 10 ma 1 ma 100 ma 10 ma 1 ma ma 1 ma 100 ma 10 ma 1 ma 100 na ma 1 ma 100 ma 10 ma 1 ma 100 na Badany element podłączany jest pomiędzy zaciski HI ( W w miernikach 1321, 1331) i LO (odpowiednio: N ). Przepływający prąd wywołuje na badanym elemencie spadek napięcia o polaryzacji przeciwnej, niż wynikałoby to z oznaczeń zacisków multimetru, czyli: + na zacisku LO ( N ), ľ na zacisku HI ( W ). Liczba wyświetlana przez multimetr odpowiada napięciu mierzonemu na badanym elemencie, wyrażonemu w miliwoltach, przy czym należy brać pod uwagę jedynie cyfry, a nie przecinek, np. wyświetlana wartość 12,34 oznacza, że spadek napięcia na badanym elemencie, przy natężeniu prądu wynikającym z wybranego zakresu pomiarowego, wynosi 1234 mv, wyświetlana wartość 0076 oznacza spadek napięcia 76 mv. Ponieważ dla tych multimetrów, pracujących w trybie pomiaru rezystancji, zakres prawidłowo wskazywanych napięć wynosi 0 2,999 V nadają się one do pomiaru spadku napięcia na półprzewodnikowych złączach p-n spolaryzowanych w kierunku przewodzenia. Przekroczenie zakresu wskazań woltomierza, 2999 mv (a praktycznie wyświetlenie liczby 3000) oznacza, że źródło prądowe nie zapewnia ustalonej dla danego zakresu wartości prądu. 4 Rezystory i kondensatory 4.1 Rezystory Rezystory (oporniki) to najczęściej spotykane elementy bierne w układach. Wykonywane są w różnych odmianach, przeważnie jako: - warstwowe metalowe cienka warstwa naparowanego metalu (np. CrNi) na korpusie ceramicznym, może być nacinana w celu zwiększenia długości ścieżki rezystywnej - rezystory węglowe - cienka warstwa grafitu na korpusie ceramicznym, - grubowarstwowe rezystywna warstwa cermetowa (cermet - mieszanina ceramiki i tlenków metali) nakładana np. metodą sitodruku na korpusy ceramiczne. W ten sposób wytwarzane są także rezystory miniaturowe do montażu powierzchniowego. - rezystory nawijane drutowe - szczególnie wytrzymałe dla dużych mocy. 6

7 Rezystor jest elementem liniowym, tzn jego charakterystyka I-U jest prostą, co oznacza, że rezystancja (oporność) jest stała i nie zależy od wartości prądu, napięcia czy innych czynników. Innymi słowy, niezależnie od warunków, spełnione jest prawo Ohma: R = U/I [W =V/A] W innym przypadku mamy do czynienia z rezystorami nieliniowymi, np.: fotorezystory, termistory, warystory. Elementy te będą również badane w czasie ćwiczeń. Podstawowe parametry oporników to: rezystancja nominalna, tolerancja (maksymalna odchyłka od rezystancji nominalnej wyrażona w procentach), moc dopuszczalna, napięcie graniczne (dopuszczalne), temperaturowy współczynnik rezystancji (TWR), który określa zmiany rezystancji zachodzące pod wpływem temperatury. Rezystory produkuje się masowo i klasyfikuje w standardowych szeregach wartości rezystancji i związanych z nimi określonych tolerancjach. Wartości znamionowe rezystancji ułożone są w szeregi (E) z dzielnikiem : q= 10, gdzie n=6,12,24,48,96,192; n oznacza liczbę wartości nominalnych w ramach jednej dekady uzyskanych przez kolejne dzielenie, poczynając od 10/q, 10/q 2, 10/q 3 itd. Przykładowo, szeregowi o oznaczeniu E12 odpowiadają wielkości: n=12, q=1,21 i wartości nominalne: 1 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8,2 10 wyrażające liczbę jednostek (W, kw lub MW) oraz tolerancja: ±10% (zwróćmy uwagę jaki jest możliwy maksymalny rozrzut sąsiadujących wartości nominalnych dla tej tolerancji). Biorąc pod uwagę zakres wymaganych wartości rezystorów do różnych zastosowań od 10 W do 100 MW, daje to siedem dekad, czyli 84 wartości oferowanych oporników w tym typoszeregu. Szereg E48 będzie miał 48 nominalnych wartości w ramach jednej dekady, a tolerancję ±5%, (Jaka tolerancja będzie dla szeregu E96?). Istnieje też szereg R40 gdzie n=40. Typowe moce nominalne to 0,125 W, 0,25 W, 0,5 W, 1 W oraz 2 W. Ze względu na różną moc nominalną rezystory maja różne gabaryty. Oznaczenia (cechy) na rezystorach o dużych rozmiarach nanoszone są za pomocą symboli np.: 120 = 120W, 15k = 15kW, 1k1 = 1,1kW, 1M =1MW, ale 0R1 = 0,1W oraz 0E5 = 0,5W. Na małych opornikach zazwyczaj nanosi się kody paskowe w postaci 3 lub 4 barwnych pasków. Pierwsze dwa paski oznaczają dwie znaczące cyfry wartości, trzeci pasek mnożnik wartości, a czwarty oznacza tolerancję. Poniżej, w tabeli 2, podano znaczenie barw pasków. Tabela 2. Kody paskowe oznaczeń rezystorów kolor paska cyfra mnożnik tolerancja [± %] czarny brązowy czerwony pomarańcz żółty zielony ,5 niebieski ,25 fioletowy ,1 szary biały złoty srebrny

8 Osobnym rodzajem rezystorów są rezystory regulowane: potencjometry lub reostaty, posiadające trzy wyprowadzenia, jedno podłączone do ślizgacza przesuwanego po ścieżce rezystywnej. 4.2 Kondensatory Kondensator składa się z dwóch przewodzących płytek (okładek) i dielektryka wypełniającego przestrzeń między płytkami. Właściwością kondensatora jest zdolność ładowania go ładunkiem elektrycznym pod wpływem przyłożonego napięcia. Pojemność kondensatora C wyraża się wzorem: C = Q/U, jednostka pojemności to farad [F = C/V] (kulomb/wolt) Pojemności kondensatorów spotykanych w układach elektronicznych są dużo mniejsze niż 1 F, i wyrażane są zazwyczaj w pf, nf oraz mf. Szeregi wartości nominalnych kondensatorów ułożone są podobnie do omówionych dla rezystorów. Do najważniejszych parametrów kondensatorów, oprócz wartości znamionowej pojemności, należą: dopuszczalne napięcie pracy (dla większych grozi przebicie), tolerancja, stratność (tgd) oraz temperaturowy współczynnik pojemności (TWC). Wyróżnia się wiele typów kondensatorów związanych z konstrukcją i zastosowanym rodzajem dielektryka, (od którego bierze się ich nazwa): - Kondensatory z tworzywa sztucznego (stała dielektryczna 2-3); dielektryk w postaci folii poliestrowej, polistyrenowej, poliwęglanowej (te mają szczególnie małą stratność i dobrą stabilność): elektrody z folii metalowej lub plastikowej metalizowanej. Najczęściej mają konstrukcję zwijanego rulonu folii, dzięki czemu uzyskuje się duże pojemności (zakres od 10 pf do 100 mf) oraz wysokie napięcia pracy do 1000 V. Popularne, bo tanie w produkcji. - Kondensatory papierowe, historycznie bardzo popularne, obecnie stosowane wyłącznie jako k. odkłócające, a to dzięki właściwości samoregeneracji (odporność papieru na przebicia impulsowe) - Kondensatory ceramiczne produkowane z jednej lub wielu płytek ceramicznych. Stosowana ceramika dzieli się na trzy klasy: klasa 1 o małej stałej dielektrycznej, pojemności od 0,47 pf do 560 pf, klasa 2 - o dużej stałej dielektrycznej, pojemności od 10 pf do 10 mf, klasa 3 ceramika z materiałów ferroelektrycznych o ekstremalnie wysokiej stałej dielektrycznej; pojemności nawet do 100 mf, ale niskie napięcia pracy. - Kondensatory mikowe (mika to minerał pozwalający łupać się na cienkie płatki) o bardzo dobrych właściwościach: mała stratność, wysoka stabilność, wysokie napięcia pracy. Są jednak duże i stosunkowo drogie. Powyższe typy kondensatorów są niepolaryzowalne, to znaczy biegunowość podłączenia nie odgrywa roli. Inaczej jest z kondensatorami elektrolitycznymi. - Kondensatory elektrolityczne (elektrolity) o elektrodach aluminiowych lub tantalowych. Jedna z elektrod (anoda) jest pokryta tlenkiem, a przestrzeń pomiędzy elektrodami jest wypełniona elektrolitem. Konieczne jest, więc zachowanie biegunowości kondensatora. Obudowa kondensatora połączona jest do wyprowadzenia bieguna ujemnego (katody). W przypadku odwrotnego podłączenie istnieje groźba rozerwania obudowy ze względu na gazowanie elektrolitu. Kondensatory aluminiowe osiągają bardzo duże pojemności, nawet do 500 mf, ale mają niskie napięcia pracy, duże wymiary i ulegają starzeniu (ich parametry pogarszają się z upływem czasu). Nowsze rozwiązania to tzw elektrolity suche wytrzymałe na zmiany temperatur i odporne dużo bardziej na starzenie. Wytwarzane o pojemnościach do 2200 mf. Natomiast kondensatory elektrolityczne tantalowe mają dużo lepsze parametry od aluminiowych: wyższe napięcia przebicia, mniejsze upływności i stratność oraz znacznie mniejsze wymiary (większa stała dielektryczna). Produkowane w zakresie pojemności do 1000 mf. 8