Indywidualna Pracownia Elektroniczna 2013/2014. Indywidualna Pracownia Elektroniczna Badanie diod półprzewodnikowych 8-X

Transkrypt

1 ndywidualna Pracownia Elktroniczna 03/04 Wojcich DOMNK ndywidualna Pracownia Elktroniczna 03 Wykłady sala 7 na Pastura Badani diod -X-03-4 półprzwodnikowych Tranzystor bipolarny. Wzmacniacz tranzystorowy Cyfrow układy scalon 8-X X X Wzmacniacz opracyjn. 3-X Stabilizator napięcia 5-X-03-4 Elktroniczna aparatura pomiarowa -X Badani diod półprzwodnikowych Tranzystor bipolarny. Wzmacniacz tranzystorowy Ćwicznia V piętro Pastura 3-X X X-03-4 Cyfrow układy scalon 4-X X X Wzmacniacz opracyjn. -X-03-4 Stabilizator 4-X X-03-4 Konsultacj 6-X-03-4 Zaliczni-gzamin 3-X-03-4

2 NDYWDALNA PRACOWNA ELEKTRONCZNA. Plan zajęć Pracowni przwiduj 7 wykładów i 5 ćwiczń. Wykład stanowi intgralną część Pracowni.. Zajęcia w Pracowni odbywają się w grupach. Przydział do danj grupy obowiązuj podczas całgo smstru. 3. Obcność na wszystkich zajęciach praktycznych Pracowni jst obowiązkowa. 4. Przd każdym ćwicznim przprowadzany jst sprawdzian (na ocnę). Na każdym sprawdziani wstępnym obowiązuj znajomość matriału podango na wykładach do dnia sprawdzianu oraz matriału zawartgo w instrukcjach do ćwiczń. 5. Dwukrotn nizaliczni sprawdzianu wstępngo do dango ćwicznia powoduj dfinitywn skrślni z listy uczstników Pracowni. 6. Podczas ćwiczń studnci są ocniani z przygotowania do zajęć oraz z postawy w trakci ćwiczń. 7. Po zakończniu ćwicznia studnt składa w ciągu jdngo tygodnia krótki raport zawirający opis przbigu ćwicznia, opracowan wyniki oraz wnioski. Raport podlga ocni. Nitrminow dostarczni raportu powoduj obniżni ocny o 0.5 za każd 7 dni spóźninia, a w skrajnj sytuacji odmowę przyjęcia go lub nidopuszczni do następnych zajęć. 8. Ocna z ćwicznia jst wypadkową ocn z wstępngo sprawdzianu, z raportu oraz otrzymanj w trakci zajęć. Wszystki ocny cząstkow muszą być pozytywn, aby ćwiczni mogło być uznan za zaliczon. 9. Warunkim dopuszcznia do koljngo ćwicznia jst zaliczni ćwicznia poprzdnigo. 0.Zaliczni Pracowni następuj po zdaniu kolokwium końcowgo. Do kolokwium dopuszczon będą tylko osoby, któr otrzymały ocny pozytywn wszystkich ćwiczń..kolokwium końcow ma charaktr gzaminu ustngo i objmuj cały matriał programu Pracowni..Matriały Pracowni i informacj biżąc znalźć można na stronach: p.fuw.du.pl PPS - Pracownia Przyjazna Studntowi Prąd lktryczny w obwodach; przypomnini podstawowych pojęć i praw Prąd: uporządkowany ruch ładunków lktrycznych Natężni prądu (prąd - ): dq = dt ilość ładunku dq przpływająca przz przwodnik w jdnostc czasu dt Napięci lktryczn (): spadk potncjału na części obwodu lktryczngo ni zawirającj źródł prądu

3 Prawo Ohma: = * R Współczynnik proporcjonalności R między napięcim i natężnim: opór lub rzystancja Siła lktromotoryczna E : napięci na odcinku obwodu zawirającgo źródło prądu, a ni zawirającgo rzystancji =R Drugi prawo Kichhoffa: dla szrgowgo obwodu zamkniętgo: R i i = E E R R3 R =R 3=R3 5 Pirwsz prawo Kirchhoffa: dla dowolngo węzła sici lktrycznj i i = = kłady złożon z lmntów birnych Birn lmnty lktroniczn to: opór (R) indukcyjność (L) pojmność (C) ogólnini prawa Ohma dla prądów zminnych: i = : f ( t) napięci u(t) jst liniowym funkcjonałm prądu i(t) opór R: u ( t) = Ri( t) di( t) indukcyjność L: u( t) = L dt q( t) pojmność C: u ( t) = = i( t) dt C C Prawa Kirchhoffa obowiązują!!! Rzystancja R mpdancja Z 3

4 Obwód szrgowy RLC zasilany z źródła napięciowgo o zminnj sil lktromotorycznj: Z drugigo prawa Kirchhoffa: równani ruchu ładunku lktryczngo u( t) = 0 i( t) = 0 jωt jωt E = 0 zspolona amplituda napięcia i i di( t) i t dt u t = Ri t L ( ) ( ) ( ) dt C 0 zspolona amplituda natężnia E(t) =R [u(t)] i(t) i(t) j = ω=πν - częstość kołowa i(t) Podstawiając wyrażnia na i(t) i u(t) otrzymujmy: opór: Składow impdancji Z : indukcyjność: Z L pojmność: Z C Z R = R 0 = Z = R jωl o jωc Wilkość = jωl Z jst impdancją obwodu mpdancja jst wilkością zspoloną = jωc Postać algbraiczna impdancji zastępczj obwodu złożongo zalży od kształtu obwodu!!! Rzystancja: część rzczywista impdancji R(Z) Raktancja: część urojona impdancji m(z) Rprzntacja impdancji na płaszczyźni zspolonj: m(z) R(Z) = tg(φ) tangns kąta przsunięcia fazowgo φ między napięcim i natężnim prądu Z praw Ohma i Kirchhoffa wynikają prawa szrgowgo i równolgłgo łącznia oporów, któr pozwalają obliczać rzystancj zastępcz R z R R R3 Rn R R Rn R Z = R R... R n =... R R R R z n Szrgow połączni impdancji: Równolgł połączni impdancji: Z = Z Z... Z Z n Z =... Z Z Z Z n 4

5 dzilnik napięcia - podstawowy obwód lktryczny R E= w R = wy w y w R R R Działani większości obwodów lktrycznych można opisać jako układ jdngo lub kilku dzilników napięcia Wzmacniacz tranzystorowy o wspólnym mitrz Obwód całkujący (filtr dolnoprzpustowy) Dla sygnału harmoniczngo: u u ( t) = ( t) Z w wy jωt w ( t) = w Z Stosunk : napięć u u u wy w ( t) jωc = ( t) R jωc C dzilnik napięcia!!! RC Transmitancja: Przsunięci fazow między napięcim wyjściowym a wjściowym: wy w = ϕ = arctan( ωrc) ω R C Pasmo transmisji filtra dolnoprzpustowgo w Z m tgϕ = Z Z R Z skali częstości: od 0 doν g πν g = ω g = = τ RC wy Dla częstości granicznj: = π w ϕ = 4 C C 5

6 Toria obwodów rozważa dwa rodzaj idalnych źródł nrgii lktrycznj: E Źródło napięciow: Napięci E na jgo zaciskach (siła lktromotoryczna) ni zalży od natężnia prądu wyjściowgo Źródło prądow: Prąd wyjściowy ni zalży od napięcia na zaciskach Każd rzczywist źródło nrgii lktrycznj moż być przdstawion jako: - źródło napięciow i szrgowa rzystancja wwnętrzna lub - źródło prądow i bocznikująca j rzystancja wwnętrzna R wy wy E R wy max =E/R wy wy =R wy Zasada Thvnina: Każdą sić lktryczną można przdstawić w postaci obwodu zastępczgo składającgo się z źródła napięciowgo i szrgowj rzystancji wwnętrznj Zasada Nortona: Każdą sić lktryczną można przdstawić w postaci obwodu zastępczgo składającgo się z źródła prądowgo zbocznikowango rzystancją wwnętrzną E=w R E = wy w y R = w wy R R R R R R R wy = R Znajomość rzystancji (impdancji) wwnętrznych układów lktrycznych oraz paramtrów ich źródł jst podstawą świadomgo posługiwania się urządzniami lktrycznymi 6

7 Analogicznym układm lktrycznym jst dzilnik prądowy R R Prądy w poszczgólnych gałęziach wynoszą: = G G = G G G G gdzi: G = R G = R oznaczają przwodności gałęzi obwodu Złącz p-n: dioda Półprzwodniki Przwodnictwo półprzwodników Dioda Dioda: lmnt niliniowy 7

8 Przwodnictwo kryształów Atomy dyskrtn poziomy nrgtyczn (stany nrgtyczn); okrślon nrgi lktronów ATOM KRYSZTAŁ ATOM atom zjonizowany KRYSZTAŁ pasmo przwodnictwa nrgia poziomy wzbudzon poziom podstawowy przrwa nrgtyczna pasmo walncyjn E pasma nrgii wzbronionych pasmo lktronow Kryształy: pasma nrgii dozwolonj dla lktronów oddzilon pasmami nrgii zabronionj E Pasmo walncyjn - najwyższ pasmo nrgtyczn lktronów związanych z jonami sici krystalicznj Pasmo przwodnictwa - lktron staj się wspólny dla całgo kryształu i moż się w nim przmiszczać pod wpływm pola lktryczngo - nośnik prądu Koncntracja lktronów w paśmi przwodnictwa dcyduj o przwodnictwi kryształu 8

9 przwodniki półprzwodniki izolatory pasmo przwodnictwa Podział matriałów: E E < 5V E~5-0V pasmo walncyjn Przwodniki (mtal) - pasma przwodnictwa i walncyjn częściowo przkrywają się Półprzwodniki (samoistn): pasmo walncyjn i pasmo przwodnictwa są rozdzilon małą przrwą nrgtyczną; lktrony mogą przchodzić z pasma walncyjngo do pasma przwodnictwa po otrzymaniu porcji nrgii > E ( E szrokość pasma zabroniongo) Źródło nrgii: prominiowani lktromagntyczn (fotony), drgania sici krystalicznj Koncntracja nośników zalży od tmpratury, natężnia prominiowania zolatory - przrwa nrgtyczna jst na tyl duża, ż w normalnych warunkach liczba lktronów zdolnych znalźć się w paśmi przwodnictwa jst bardzo mała. Prąd lktryczny - ruch ładunków pod wpływm przyłożongo pola lktryczngo Ruch lktronów w jdnorodnym polu lktrycznym: W próżni: ruch jdnostajni przyspiszony z prędkością υ (rzędu cm/s) znaczni mnijszą niż śrdnia prędkość pojdynczych lktronów w chmurz. Fonony cntra rozpraszania; np. zaniczyszcznia lub oscylacj sici krystalicznj Gęstość prądu: J = Z prawa Ohma: Mchanizm przwodnictwa przwodniki (mtal) S = n υ - całkowit natężni prądu, n - koncntracja lktronów S - pol powirzchni przkroju przwodnika, - ładunk lktronu Σ τ Śrdnią prędkość υ lktronu okrśla υ = czas upływający między zdrzniami τ : m Σ- natężni pola lktryczngo, m - masa lktronu * R J * S l J Σ = = = = l l l σ * S σ l - długość przwodnika, σ - przwodnictwo matriału W matriałach spowalniani lktronów w wyniku zdrzń fononami dryf chmury lktronów wzdłuż pola lktryczngo n σ = m τ 9

10 przwodnictwo matriału: n σ = m τ Z wzrostm tmpratury rośni koncntracja fononów (zwiększają się drgania sici krystalicznj) W mtalach: - zwiększni rozpraszania i zmnijszni τ - koncntracja lktronów zminia się bardzo słabo (n const) SKTEK: opór mtali zwiększa się wraz z wzrostm tmpratury Rozwój matriałów półprzwodnikowych: Grman Era Krzmu 96 GaAs 970 Wid band gap smiconductors 990 Polimry (półprzwodniki organiczn), matriały amorficzn,... Półprzwodniki lmntarn (samoistn): przrwa nrgtyczna Si. V G 0.66 V C (diamnt) 5.46 V amorficzny Si.7 V Popularn związki półprzwodnikow: przrwa nrgtyczna GaAs.4 V GaP.6 V GaSb 0.66 V nas V np.344 V nsb 0.7 V Półprzwodniki o szrokij przrwi nrgtycznj: GaN nn AlN SiC przrwa nrgtyczna 3.4 V.89 V 6. V. 3. V 0

11 Mchanizm przwodnictwa - półprzwodniki samoistn lktron dziura Pasmo przwodnictwa nrgia lktronu Pasmo walncyjn E E kt T=300 K kt=0.05 V lktron w paśmi walncyjnym absorbuj porcję (kwant) nrgii > E, zrwani wiązania w krysztal: uwolnini lktronu do pasma przwodnictwa, dziura w paśmi walncyjnym - quasiładunk dodatni - moż się przmiszczać Swobodn lktrony i dziury są nośnikami prądu w półprzwodnikach Równowaga dynamiczna gęstości nośników obu rodzajów. Rozkład nrgii E nośników: w przybliżniu rozkład Boltzmanna: ( ) n xp E kt k=8.6*0-5 V K - :stała Boltzmanna, T : tmpratura [K] Para nośników lktron-dziura rkombinuj śrdnio po czasi s Z wzrostm tmpratury rośni ilość nośników prądu przwodność półprzwodników zwiększa się Półprzwodniki domiszkowan TYP N donor P, As, Sb Pasmo przwodnictwa poziom donorowy Pasmo walncyjn E Nośniki większościow Wtrącni do sici krystalicznj zbudowanj z atomów cztrowartościowych domiszki pięciowartościowj (donora) powoduj wytworzni lktronu słabo związango z sicią Wtrącni do sici krystalicznj zbudowanj z atomów cztrowartościowych domiszki trójwartościowj (akcptora) powoduj wytworzni dziury słabo związanj z sicią. akcptor TYP P Al, Ga, n, B Pasmo przwodnictwa Pasmo walncyjn W tmpraturz pokojowj prawi wszystki domiszki są zjonizowan Poprzz odpowidni domiszkowani można wytwarzać półprzwodniki o kontrolowanj, nadmiarowj koncntracji lktronów lub dziur

12 Złącz p-n Doświadczni myślow : dokonujmy ztknięcia kryształu typu n z kryształm typu p początkowo każdy z kryształów jst lktryczni obojętny n - h p Różnica stężń nośników powoduj dyfuzję: dziury z obszaru p dyfundują do obszaru typu n, lktrony obszaru n dyfundują do obszaru typu p, kryształ typu n naładował się dodatnio kryształ typu p naładował się ujmni Złącz p-n c.d. Na styku obu matriałów powstaj barira potncjału o wartości Φ ładunk przstrznny Barira potncjału ogranicza dyfuzję nośników i prowadzi do stabilizacji sytuacji w złączu. p akcptory n donory potncjał równowaga dynamiczna Φ x

13 nrgia dziur półprzwodnik p dziurowy prąd rkombinacji potncjał półprzwodnik n rozkład nrgii dziur E/ kt liczba dziur liczba lktronów Φ E / kt lktronowy prąd rkombinacji rozkład nrgii lktronów wypadkowy prąd rkombinacji R prąd gnracji G nrgia lktronów Ruch nośników jst odpowidzialny za dziurowy i lktronowy prąd rkombinacji, składając się na wypadkowy prąd rkombinacji R Prąd rkombinacji jst proporcjonalny do liczby nośników zdolnych pokonać barirę potncjału Φ: R ( ) = xp R A ( Φ ) kt xp Φ E kt de W złączu nispolaryzowanym całkowity prąd płynący przz złącz jst równy zru, gdyż prąd R jst równoważony przz prąd gnracji G R = G Stąd prąd gnracji: ( G = A xp Φ ) kt para lktron - dziura potncjał p n prąd gnracji G 3

14 SPOLARYZOWANE złącz p-n c.d. - p n Φ Φ. Złącz spolaryzowan w kirunku zaporowym - Barira potncjału wzrasta do wartości Φ - Zmnijsza się liczba nośników zdolnych pokonać podwyższoną barirę - Prąd rkombinacji malj SPOLARYZOWANE złącz p-n - nrgia dziur p n prąd dziurowy rkombinacji Φ Φ- prąd lktronowy rkombinacji nrgia lktronów. Napięci zwnętrzn przyłożon w kirunku przwodznia - Zmnijszni bariry potncjału Φ o wartość - Rośni liczba nośników, zdolnych pokonać barirę potncjału Φ - - Prąd płynący przz złącz wzrasta 4

15 Złącz p-n nispolaryzowan Złącz p-n spolaryzowan zaporowo (-V) Poszrzni obszaru zubożongo Wzrost bariry potncjału Złącz p-n spolaryzowan w kirunku przwodnictwa 5

16 SPOLARYZOWANE złącz p-n c.d. W ogólności prąd rkombinacji w złączu p-n: Poniważ prąd płynący przz złącz jst sumą prądu rkombinacji i gnracji, to: [ ( ) ] czyli: R = A ( Φ ) xp kt [ ] R = G xp kt = G xp równani opisując pracę złącza p-n, kt (równani Shockly a) złącz p-n = G R 00 DODA 0 G Dioda półprzwodnikowa (prostownicza) Dla większych prądów równani Shockly a modyfikuj się do postaci: MkT = ln r G gdzi: r - rzystancja matriału diody (pasożytnicza), M - współczynnik związany z typm półprzwodnika M~- p - napięci przwodznia złącza to napięci w kirunku przwodznia, dla którgo prąd diody osiąga umowni dużą wartość G Si GaAs [V] p=0.35 p=0.65 p=.3 6

17 Podstawow zastosowani niliniowych własności złącza p-n prostowani prądów lktrycznych Prostownik jdnopołówkowy WE WY t WE WY t Dioda Znra Zastosowani: stabilizacja napięć D WE> Z WY Z Z Dzilnik napięcia z diodą Znra = stabilizator napięcia p D Mijsc pirwotnj gnracji pary lktron-dziura Lawinow powilani nośników prądu w złączu w silnym polu lktrycznym Mijsca wtórnj gnracji par lktron-dziura Zachodzi dla napięć zaporowych większych od z Dopuszczaln napięci wstczn (zaporow) diody jst ograniczon przz napięci przbicia, zwan napięcim Znra ( Z ) 7

18 Dioda świcąca (lktroluminscncyjna) ruch lktronów p rkombinacj n ruch dziur złącz p-n spolaryzowan w kirunku przwodznia w złączu następują intnsywn spontaniczn procsy rkombinacyjn Rkombinacja dziury i lktronu jst związana z misją kwantu prominiowania o nrgii równj w przybliżniu szrokości przrwy nrgtycznj Charaktrystyka prądowo-napięciowa podobna do charaktrystyki diody prostowniczj Ćwiczni: Badani diod półprzwodnikowych. Cl ćwicznia. Zapoznani się z różnymi rodzajami diod półprzwodnikowych: dioda prostownicza krzmowa, dioda świcąca (LED) oraz dioda Znra gnrator KŁAD POMAROWY A oscyloskop obwód wyzwalani B xt. Zbudować układ pomiarowy Wjści: przbig trójkątny o napięciach szczytowych od -.5V do.5 V i częstości 000 Hz Dioda prostownicza 8

19 Dokonać pomiaru charaktrystyki diody D =f( D ) Dzilnik napięcia: WE = D WY, D =wy/r Wykrślić wyniki dla dodatnich napięć, stosując na osi prądów skalę logarytmiczną Dopasować charaktrystykę diody używając zmodyfikowango równania Shockly a MkT D = ln G D - pomijamy człon D r (niwilki prąd) - pomijamy składnik (poniważ D >> G ) - dopasowywani charaktrystyki będzi równoważn dopasowywaniu prostj: D MkT = (ln D D ln r G ) Zastąpić diody prostownicz diodami świcącymi LED i wyznaczyć tą samą mtodą napięci przwodznia. Czy przkroczni napięcia przwodznia powoduj świcni diody? W tym samym obwodzi wykonać pomiar charaktrystyki dla diody Znra (BZX55, nibiska). Wyznaczyć napięci Znra i napięci p 9