WYDZIAŁ FIZYKI, MATEMATYKI I INFORMATYKI POLITECHNIKI KRAKOWSKIEJ Instytut Fizyki LABORATORIUM PODSTAW ELEKTROTECHNIKI, ELEKTRONIKI I MIERNICTWA

Transkrypt

1 WYDZIAŁ FIZYKI, MATEMATYKI I INFORMATYKI POITEHNIKI KRAKOWSKIEJ Instytut Fizyki ABORATORIUM PODSTAW EEKTROTEHNIKI, EEKTRONIKI I MIERNITWA ĆWIZENIE 7 Pojemność złącza p-n POJĘIA I MODEE potzebne do zozumienia działania złącza p-n i popawnego wykonania pomiaów pojemności złącza zależnej od stopnia jego polayzacji w kieunku zapoowym:. Półpzewodnik typu n oaz p. Fomowanie złącza p-n 3. Powstawanie ównowagowego ozkładu ładunku i baiey potencjału elektycznego na styku p-n 4. Polayzacja złącza w kieunkach: zapoowym i pzewodzenia 5. Wpływ watości napięcia polayzującego złącze p-n w kieunku zapoowym na pojemność eektywną złącza. 6. Wpływ zmiany pojemności w obwodzie ezonansowym na watość jego częstotliwości ezonansowej. 7. Budowa i działanie diody i diody pojemnościowej iteatua:. M. Polowczyk Elementy i pzyządy półpzewodnikowe powszechnego zastosowania WkiŁ, Waszawa 986. W. Maciniak Pzyządy i układy scalone WNT, Waszawa N. uch Podstawy techniki elektonicznej WNT, Waszawa 974 Auto: Fanciszek Stazyk

2 .Wpowadzenie Złącze p-n opis powstawania baiey potencjału na złączu pzedstawiono w instukcji do ćwiczenia n. ( Spoządzanie chaakteystyk tanzystoa). Tutaj pzedstawimy schemat zastępczy złącza (ys.) I d p R p I d V B a Obsza obniżonej gęstości ładunku U Z I e n R n I e n -półpzewodnik typu n (z nadmiaem uchliwych elektonów) p półpzewodnik typu p (z nadmiaem uchliwych dziu) R p opó zastępczy obszau p R n opó zastępczy obszau n U Z pzyłożone z zewnątz napięcie polayzujące złącze w kieunku pzewodzenia V B potencjał kontaktowy złącza I d pąd dziu I e pąd elektonów Rys.. Schemat zastępczy złącza p n spolayzowanego w kieunku pzewodzenia, pąd w obwodzie zewnętznym (I = I d + I e ) płynie jeżeli U Z > V B. Watość V B zależy od odzaju półpzewodników p i n ( od śedniej gęstości dziu w półpzewodniku p oaz elektonów w n) jak i od stuktuy izycznej złącza. O szczegółach stuktuy złącza decyduje technologia czyli sposób jego wykonania. Obsza obniżonej gęstości ładunku to obsza w któym występuje duże natężenie pola elektycznego. Stanowi on obsza pzejściowy pomiędzy objętościami o pzeciwnych typach pzewodnictwa. Okeśla się go ównież jako wastwę opóżnioną. Z doświadczenia wiadomo, że gdy zmienić kieunek pzyłożonego z zewnątz napięcia U Z (polayzacja w kieunku zapoowym) to można zwiększyć szeokość wastwy opóżnionej. Na ys. pzedstawiono jak pzebiega

3 a) b) p Ganica pomiędzy p i n p n Wastwa opóżniona I d F +- F -+ I e p + p - a n + n - U Z Stan pzejściowy tuż po pzyłożeniu U Z, bak ównowagi działają nie skompensowane siły oddziaływujących ozkładów ładunków. U Z Pądy I d oaz I e zanikają, ustala się ównowaga oddziaływań wszystkich 4 wastw ładunków w obecności zewnętznego nap. U Z. Pojawia się znaczna wastwa opóżniona o szeokości a c) z Poszezona wastwa opóżniona działa jak izolato Z (U Z ) Pojemność baieowa złącza d) p p n Obszay zjonizowane, działają jak elektody dioda U Z > U Z ; a > a z opó zastępczy wastwy opóżnionej Rys.. Mechanizm powstawania ozkładu ładunków w złączu p n spolayzowanym zapoowo oaz poszezania wastwy opóżnionej, czyli zmniejszania się zastępczej pojemności złącza ze wzostem napięcia polayzującego U Z. 3

4 poszezanie szeokości wastwy opóżnionej po pzyłożeniu napięcia U Z w kieunku zapoowym. Po pzyłożeniu U Z (ys.a) część swobodnych dziu z obszau p, oaz swobodnych elektonów z obszau n, zostaje odciągnięta w kieunku elektod. Płyną pzejściowo pądy I d oaz I e. Odpływające dziuy oaz elektony oddziaływują na obsza ganiczny w któym zwiększają się ładunki p - i n +. Są to obszay zjonizowanych sieci półpzewodników p az n. Pądy pzepolayzownia I d oaz I e płyną aż do chwili ustalenia się nowego stanu ównowagi, wymuszonego zmienioną watością napięcia U Z (ys.b). Będzie to ównowaga dynamiczna w układzie czteech ozkładów nie skompensowanych ładunków p +, p -, n +, n -, w obecności pola elektycznego wytwozonego pzez pzyłożone napięcie U Z. Jest to ównowaga w oddziaływaniu typu każdy z każdym i opisana może być jedynie statystycznie. Pojawia się wyaźna wastwa opóżniona z ładunków o szeokości a, któa odgywa olę izolatoa. Rośnie opó złącza w kieunku zapoowym. Dalsze zwiększanie U Z powoduje poszezanie wastwy opóżnionej. ałe złącze p-n, spolayzowane zapoowo, widziane z zacisków zewnętznych. Zachowuje się tak jak zależna od napięcia pojemność Z (U Z ). Zwiększenie odległości pomiędzy okładkami kondensatoa płaskiego powoduje zmniejszenie jego pojemności elektycznej. Podobnie zachowuje się zastępcza pojemność złącza p-n spolayzowanego zapoowo: maleje ze wzostem napięcia polayzującego. Zjawisko to wykozystano do budowy diod pojemnościowych zwanych waikapami (voltage vaiable capacitos)..diody pojemnościowe Diody pojemnościowe (dp) to złącza p-n ale konstuowane tak aby można było wykozystać w paktyce pojemność baieową jako kondensato o pojemności zależnej od pzyłożonego w kieunku zapoowym napięcia. 4

5 Wykonywane sa one z kzemu, gemanu i asenku galu jako waikapy oaz waaktoy. Waikapy pzeznaczone są do pacy w obwodach ezonansowych geneatoów jako pojemności pzestajające pod wpływem napięcia ich częstotliwości ezonansowe czyli częstotliwości geneowanych sygnałów. Pacują one w zakesach częstotliwości małych i śednich aż do ok. 0 8 Hz. Waaktoy konstuowane są do pacy w zakesie wysokich częstotliwości aż do ok. 0 0 Hz. Najważniejszą chaakteystyką diody pojemnościowej jest zależność jej pojemności baieowej od napięcia polayzacji w kieunku zapoowym. Dość często można tę zależność opisać pzybliżoną omułą: Z Z V B V B U ZU m 0 () gdzie: V B napięcie baiey dla U Z = 0 U Z - napięcie polayzacji zapoowej m - stała zależna od sposobu wykonania złącza (jego stuktuy izycznej) Z0 pojemność diody dla U Z = 0 Paktyczny początek napięć U Z 0.5V i zależy od typu i wykonania diody. Pzy małych napięciach mechanizm omowania wastwy opóżnionej może zależeć nieliniowo od napięcia i dlatego należy ten zakes odzucić w zastosowaniach. Pojemności waikapów mogą się zmieniać od ok. 30pF do ok. pf. Inne mogą pacować jedynie pzy małych napięciach. Na ys.3 pzedstawiono symbol układowy diody pojemnościowej a), oaz niektóe ich układy zastępcze b). Typową chaakteystykę pojemnościowo napięciową dp pokazano na ys.4. 5

6 a) b) G Z R Z G konduktancja upływu R opó zastępczy szeegowy Rys.3. Dioda pojemnościowa a) symbol, b) niektóe układy zastępcze Z 30 pf Pojemność baieowa dp - U = U Z 30V ~ V Zmin U Rys.4. haakteystyka pojemnościowo napięciowa diody pojemnościowej 3.Dioda pojemnościowa jako element obwodu ezonansowego. Pzykład obwodu ezonansowego ( patz ównież ćwiczenie ezonans w obwodach R) o częstotliwości ezonansowej pzestajanej napięciem pzyłożonym do dp widzimy na ys.5a. zęść napięcia U zbieana jest z potencjometu P jako U Z i pzykładana do dp. Pzy założeniu, że częstotliwość ezonansowa obwodu może być pzybliżona wzoem: 6

7 a) b) Z ez R +U ez = + Z (U Z ) P U Z Rys.5. a) pzestajany napięciem U Z obwód ezonansowy z dp, b) schemat zastępczy obwodu a) ez z ; Z = Z (U Z ) () Pzy znanej watości indukcyjności cewki, mieząc ez można wyznaczyć Z0 gdy U Z = 0, oaz ciąg watości Zj (U Zj ) pzykładając znane ( miezone dobym woltomiezem) napięcia U Zj oaz mieząc odpowiadające im watości ezj dla j = do np. 0 ( punktów pomiaowych łącznie ). Aby upościć powyższe pomiay skonstuowano specjalny geneato pomiaowy w któym obwód ezonansowy, zawieający pzestajaną napięciem dp, jest elementem obwodu spzężenia zwotnego wzmacniacza tanzystoowego co czyni ten układ geneatoem sygnału o częstotliwości ezonansowej ez. Schemat tego geneatoa, pzeznaczonego do pomiaów pojemności baieowej diod (w tym ównież dp), pzedstawiono na ys.6. 7

8 8 4. Pomia pojemności baieowej. 4.. Nie podłączając niczego do sieci zmontować układ pomiaowy wedle schematu pzedstawionego na ys Pomia pojemności oaz indukcyjności obwodu ezonansowego geneatoa pomiaowego. Pojemność zastępcza obwodu ezonansowego (ys.5.b) dwie składowe : epezentującą eektywną pojemność tego obwodu gdy do zacisków A-B nic nie jest podłączone, jako dugą składową możemy podłączyć do A-B znaną pojemność wzocową W i zmiezyć częstotliwość ezonansową ; wyniesie ona: W (3) 4.3. Włączyć W o znanej pojemności do zacisków A-B ( x ) i zmiezyć ( W ) 4.4. Wyjąć W i jej miejsce podłączyć wskazaną pzez powadzącego W ównież o znanej pojemności. Zmiezyć. Będzie ona okeślona jako: ) ( W (4) 4.5.Po ozwiązaniu układu ównań () i ( 3), obliczyć oaz kozystając z: W W ; ) ( 4 W (5)

9 47k A 3nF 00k 3nF + ( 9 )V U Z = 0 30V X 330pF 330pF k nF WY BN B Rys.6. Schemat geneatoa do pomiau pojemności baieowej złącza p - n Sieć W,,3 Sieć Zasilacz 9V Sieć X Regulowany zasilacz napięcia stałego V U Z WY BN zęstościomiez cyowy Geneato pomiaowy Rys.7. Schemat połączeń układu do pomiau pojemności złącz p n metodą ezonansową 9

10 4.6.Dla poównania, podłączyć w miejsce W, znaną ównież pojemność W3 i zmiezyć 3. ; 4.7. Używając kombinacji zgomadzonych danych ( W ) i ( W3 ; 3 ) oaz ( W ; ) i ( W3 ; 3 ) obliczyć ponownie oaz. Ocenić ozzut watości oaz a do dalszych obliczeń użyć śednich. 4.8.Pomia zależności pojemności baieowej wybanych diod od napięcia. W miejsce X (ys.7), podłączyć wskazaną pzez powadzącego diodę. Dla napięcia U Z = 0 zmiezyć 0. Następnie zwiększając napięcie U Z (egulowany zasilacz napięcia stałego, ys.7) w pzedziale od ok. 0.5V do ok. 30V co ok. V, zależnie od odzaju diody wybanej do pomiaów, zmiezyć częstotliwości ezonansowe j odpowiadające ustawianym napięciom U Zj. Watości U Z odczytywać z multimetu V (ys.7). Wyniki można zapisać w tabeli umieszczonej na końcu instukcji (załącznik). Szukane watości Zj obliczyć ze wzou: Zj 4 j Do obliczeń użyć śednich watości oaz a wszystkie watości podstawiać w jednostkach układu SI Spoządzić wykes zależności Zj = Zj (U Zj ) dla badanej diody i poównać go z danymi zawatymi w załączniku do niniejszej instukcji. Okeślić zakes użytecznych napięć do modulacji pojemności baieowej badanej diody. Jeżeli pojemność baieowa badanej diody malała ze wzostem napięcia U Z w pzybliżeniu wykładniczo (w zakesie użytecznym), to spoządzić wykes zależności log Zj = (log U Z ) i wyznaczyć jego nachylenie. Pzyównać jego watość do m, wzó (), i spóbować okeślić V B oaz dopasować omułę () do zmiezonego pzebiegu. Można użyć dowolnego pogamu gaicznego. Podać współczynnik koelacji dopasowania, obliczony w pogamie. (6) 0

11 5.0. Powtózyć czynności opisane w punktach 4.8. i 4.9. dla dugiej diody wskazanej pzez powadzącego. Załącznik: Tabela pomiaów i obliczeń Pomia zależności częstotliwości ezonansowej geneatoa pomiaowego, zawieającego obwód ezonansowy złożony z indukcyjności oaz pojemności zastępczej złącza badanej diody Z, któa maleje ze wzostem watości napięcia polayzującego to złącze w kieunku zapoowym STAŁE: =.[H], =..[F], typ diody: p. U Z [V] [MHz] Z [pf] 0 0.5* ) * ) watości pzykładowe Uwaga: obliczenia watości Z ze wzou (6) należy wykonać podstawiając watości w [F], watości w [H] a watości w [Hz]. Wesję piewotną tego ćwiczenia opacował K.Fankiewicz a konstukcję geneatoa pomiaowego opacował i wykonał J.Kopczyński