LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Transkrypt

1 Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH Ćwiczenie nr 1 oraz nr 2 Zapoznanie z Laboratorium oraz szkolenie BHP. Zasady posługiwania się przyrządami pomiarowymi. Podstawowe obwody elektryczne. Elementy R, C. Z tą instrukcją studenci przychodzą na pierwsze zajęcia (Ćw. nr 1). Obowiązuje ona także do Ćwiczenia nr 2 w zakresie znajomości poznanego sprzętu pomiarowego oraz parametrów elementów biernych R, C. Dostępna jest na stronie: 1 Ustalenia organizacyjne Obecność na pierwszym terminie zajęć (ćw. nr 1) 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: Piotr Nowacki, p. 413a, C-2, tel 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. Grupa studencka wykonuje ćwiczenie wg numeracji zgodnej z programem Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych (LPP) w terminie oraz w sali zgodnie z harmonogramem zajęć. B. Realizacja programu Laboratorium 1. Studenta obowiązuje, po uprzednim przygotowaniu się, wykonanie i zaliczenie wszystkich ćwiczeń tematycznych (od nr 1 do nr 14) określonych programem LPP. Instrukcje do ćwiczeń udostępnione są na stronie 2. Student nie może w semestrze przekroczyć dwóch nieobecności. Przekroczenie tej liczby wymagać będzie (w sytuacjach szczególnych i udokumentowanych) zgody Kierownika Laboratorium na uzupełnienie zaległości i 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. 1

2 4. Grupa ćwiczeniowa wykonuje jedno sprawozdanie oddawane w terminie zajęć (papier formatu A3 - papier kancelaryjny, z nagłówkiem wg. wzoru dostępnego 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}, 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 przez dwa kolejne semestry. 5. Odrabianie ćwiczeń nie zrealizowanych możliwe jest tylko w tygodniu odróbczym. Terminy zajęć odróbczych określone zostaną w tygodniu poprzedzającym ostatnie zajęcia kursowe w semestrze. Zapisy na terminy odróbcze prowadzić będzie pan Piotr Nowacki w p. 413a, C-2. Na zajęcia odróbcze zapisani zostaną studenci, którzy otrzymają kartę zaliczenia od Prowadzącego zajęcia. 6. W czasie trwania ostatnich zajęć kursowych przeprowadzona zostanie wśród studentów, zgodnie z zaleceniem Dziekana Wydziału, anonimowa ankieta dotycząca oceny zajęć. Student zgodnie z obowiązującymi na uczelni procedurami winien/może ocenić kurs/zajęcia wypełniając elektroniczną ankietę oceny kursu. C. Zasady porządkowe obowiązujące w Laboratorium. Studenta wykonującego pomiary w Laboratorium 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; instrukcje w wersji anglojęzycznej udostępnione przez producenta), 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 na każdych zajęciach laboratoryjnych papieru milimetrowego, papieru do drukarki oraz papieru z podziałką w układzie logarytmicznym oraz logarytmiczno-liniowym (wzorzec na stronie LPP bądź przygotowany samodzielnie). Studenci pozostawiają prowadzącemu zajęcia uzyskane wyniki pomiarów (nawet cząstkowe) przy zestawionym układzie i włączonym stanowisku pomiarowym. 2

3 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 Tematyka ćwiczeń Poszczególne ćwiczenia poświęcone są badaniu parametrów typowych półprzewodnikowych elementów elektronicznych i optoelektronicznych oraz układów zbudowanych na tych elementach. 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. W kolejnych ćwiczeniach, będą mierzone parametry układów prostowniczych i stabilizacyjnych oraz charakterystyki częstotliwościowe układów wzmacniających a także charakterystyki przełączania układów cyfrowych. 3 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 - oscyloskopy cyfrowe połączone z drukarkami Niektóre ćwiczenia prowadzone są z pomocą zestawów komputerowych z magistralą GPIB do zbierania i obróbki danych pomiarowych. 4 Test kompetencji Po odbytych zajęciach w Laboratorium przyrządów półprzewodnikowych (kurs LPP I kod ETD003077L, kurs LPP II kod ETD004081L) studenci, na zakończenie cyklu kształcenia, zobowiązani są zaliczyć test kompetencji. Celem testu jest sprawdzenie w jakim stopniu studenci opanowali wiedzę dotyczącą znajomości zagadnień określonych w kartach kursów. Test ma za zadanie sprawdzenie znajomości i opanowania ogólnych umiejętności pomiarowych przez studentów oraz wiedzy z zakresu BHP obowiązujących w laboratoriach. Wymagane zagadnienia i umiejętności ogólne zostaną podane studentom do wiadomości w czasie trwania semestru. Niezaliczenie testu kompetencji wpływać będzie na ocenę końcową kursu LPP II. 5 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 umożliwiającego narost napięcia lub prądu w sposób z góry ustalony. 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. 3

4 ograniczające prąd w obwodzie) oraz mierniki prądu i napięcia. W zależności od stosowanej metody pomiarowej wykorzystuje się różnego typu zasilacze oraz przyrządy pomiarowe. Na przykład: przyrządem do pomiaru napięcia może być woltomierz cyfrowy bądź oscyloskop. Zastosowanie programu komputerowego pozwala na automatyczne zdejmowanie charakterystyk I-U za pomocą mierników połączonych magistralą GPiB. W kolejnych punktach zostaną omówione metody pomiaru charakterystyk I-U stosowane podczas ćwiczeń. Pamiętaj o tym, że wykonując pomiary należy bezwzględnie PRZESTRZEGAĆ PRZEPISÓW BHP związanych z obsługą urządzeń elektrycznych. oraz REGULAMINU LABORATORIUM 5.1 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 Agilent E3631A). Schemat układu pomiarowego, stosowanego w tej metodzie, przedstawiono na rys. 1. Zastosowane mierniki prądu i napięcia to multimetry cyfrowe. 1k ma Zasilacz badany element? V Rys. 1. Schemat układu do pomiaru charakterystyki I-U metodą techniczną Szeregowo włączony do obwodu rezystor 1 k 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 k. 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 I max P R max 1W ,032 A 32mA 30 ma 4

5 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 (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. 5.2 Program komputerowy REJESTRATOR Program Rejestrator służy do obsługi układu pomiarowego z multimetrami komunikującymi się magistralą GPiB z komputerem. Układ pomiarowy przedstawiony jest na rys. 2. W tym wypadku elementem mierzonym jest dioda. Instrukcja obsługi programu Rejestrator XY dostępna jest na stronie internetowej Laboratorium w zakładce tematy ćwiczeń. ma Zasilacz badan y element V Rys. 2. Schemat układu do pomiaru charakterystyki I-U diody w kierunku przewodzenia za pomocą programu Rejestrator 6 Elemety elektroniczne bierne: rezystory i kondensatory (R, C) Podana będzie charakterystyka elementów biernych stosowanych w laboratorium. 6.1 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. 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: U = R I R = U/I [ =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. 5

6 Rezystory produkuje się masowo i klasyfikuje w standardowych szeregach wartości rezystancji i związanych z nimi określonych tolerancjach. n 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 (, k lub M ) 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 do 100 M, 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 ±2%, (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 = 120, 15k = 15k, 1k1 = 1,1k, 1M =1M, ale 0R1 = 0,1 oraz 0E5 = 0,5. Na rezystorach o małych gabarytach 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 1., podano znaczenie barw pasków. Tabela 1. Kody paskowe oznaczeń rezystorów kolor paska cyfra mnożnik tolerancja [ %] czarny brązowy czerwony pomarańcz żółty zielony ,5 niebieski ,25 fioletowy ,1 szary biały złoty srebrny Osobnym rodzajem rezystorów są rezystory regulowane: potencjometry lub reostaty, posiadające trzy wyprowadzenia, jedno podłączone do ślizgacza przesuwanego po ścieżce rezystywnej. 6.2 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) 6

7 Pojemności kondensatorów spotykanych w układach elektronicznych są dużo mniejsze niż 1 F, i wyrażane są zazwyczaj w pf, nf oraz F. 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 napięć grozi przebicie), tolerancja, stratność (tg ) 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 F) oraz wysokie napięcia pracy do 1000 V. Popularne bo tanie w produkcji. - Kondensatory papierowe, historycznie bardzo popularne, obecnie stosowane wyłącznie jako 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 F, 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 F. 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 F. Obecnie można spotkać kondensatory o bardzo dużych, dawniej nie spotykanych, pojemnościach rzędu 1000 Faradów i jednocześnie małych gabarytach. Są to tzw. ultrakondensatory, gdzie zastosowano nanotechnologię do wytworzenia porowatego dielektryka. Dzięki temu efektywna powierzchnia okładek jest bardzo duża. Mimo że napięcia pracy są niskie, rzędu 2-3V, przy odpowiednich połączeniach ultrakondensatory mogą służyć do magazynowania energii, zastępując akumulatory. 7