Ćwiczenie 6 WYBRANE ELEMENTY PÓŁPRZEWODNIKOWE. 1. Cel ćwiczenia. 2. Wprowadzenie

Transkrypt

1 Ćwiczenie 6 WYRANE ELEMENTY PÓŁPRZEWODNIKOWE 1. el ćwiczenia Większość z dostępnych na rynku urządzeń elektronicznych wymaga zasilania napięciem i prądem stałym. Jak wiadomo, napięcie i prąd w gniazdkach są sygnałami sinusoidalnie zmiennymi w czasie. Używanie elementów elektronicznych było by więc możliwe jedynie przy zasilaniu ze źródeł stałoprądowych, jak baterie czy akumulatory. Jednak istnieje wiele sposobów budowy zasilaczy stałoprądowych, których zadaniem jest transformacja zmiennego w czasie napięcia i prądu, na sygnały jednokierunkowe, z możliwie jak najmniejszymi pulsacjami. elem niniejszego ćwiczenia jest zapoznanie się ze sposobami konstrukcji prostowników do zasilania podzespołów elektronicznych, oraz z pracą wybranych elementów elektronicznych. 2. Wprowadzenie 3 3 Półprzewodnikami nazywane są substancje, których rezystywność ( Ω cm ) jest znacznie mniejsza niż rezystywność izolatorów oraz większa niż oporność przewodników. Układ pasm energetycznych jest podobny do izolatorów (rys. 1). podstawowe (pasmo, w którym krążą elektrony walencyjne) jest całkowicie wypełnione, przez co nie ma wolnych poziomów energetycznych. Najbliższe wolne poziomy energetyczne (pasmo przewodzenia) dzieli od pasma podstawowego pewna różnica energii W i, której elektrony nie mogą pokonać w normalnych warunkach. Szerokość tego pasma jest jednak niewielka, w skutek czego istnieje możliwość przewodzenia prądu już w temperaturach pokojowych. W przewodnictwa podstawowe Rys. 1. Schemat pasm energetycznych półprzewodnika Półprzewodniki podzielić można na samoistne i niesamoistne. Do pierwszych zalicza się substancje, w których szerokość pasma zabronionego jest tak niewielka ( ev), iż w normalnych warunkach wykazują znaczną konduktywność. Mechanizm przewodzenia prądu polega na przechodzeniu elektronów z pasma podstawowego do pasma przewodzenia w skutek ruchów cieplnych. Pojawiają się pary nośników prądu: elektron w paśmie przewodzenia i dziura (czyli brak elektronu) w paśmie podstawowym. Nośniki te mogą poruszać się pod wpływem pola elektrycznego, co umożliwia przewodzenie prądu. Półprzewodniki niesamoistne charakteryzują się tak dużą szerokością pasma zabronionego ( W ), iż w normalnych warunkach temperaturowych mają znikomą i 1

2 konduktywność. Właściwości te ulegają zmianie po wprowadzeniu niewielkiej ilości (rzędu 1 8 atom na 10 atomów półprzewodnika) domieszek, co skutkuje pojawieniem się defektów sieci krystalicznej. Domieszki dzieli się na donorowe (wprowadza się atomy pięciowartościowe), oraz akceptorowe (do półprzewodnika wprowadzane są atomy trójwartościowe, Al., Ga). Domieszkowanie półprzewodników powoduje powstawanie nowych poziomów energetycznych, co ułatwia przewodzenie prądu elektrycznego. Domieszki donorowe (P, Sb, As) są przyczyną powstawania poziomów lokalnych, odległych od pasma przewodnictwa o około 0.01eV (rys. 2a). Nośnikami prądu w domieszkowanym donorowo półprzewodniku są elektrony przedostające się z poziomów lokalnych do pasma przewodnictwa. Taki półprzewodnik nazywa się półprzewodnikiem typu n (negative). Atom pozbawiony elektronu staje się jonem dodatnim, nie biorącym udziału w przewodzeniu prądu, ze względu na ścisłe powiązanie z siecią krystaliczną. Domieszki akceptorowe powodują powstawanie poziomów lokalnych w okolicy pasma podstawowego (rys. 2b).Elektrony przenoszą się z pasma podstawowego do poziomów lokalnych, wobec czego w paśmie podstawowym powstają wolne miejsca (tzw. dziury) zachowujące się jak elementarne ładunki dodatnie (+e). Prąd elektryczny przewodzony jest dzięki pozornemu ruchowi dziur w sieci krystalicznej. Tego typu półprzewodnika nazywany jest półprzewodnikiem typu p (positive). Atomy domieszek stają się w tym przypadku nieruchomymi jonami ujemnymi, mającymi ładunek ( e). a) b) W przewodnictwa W przewodnictwa Poziom lokalny podstawowe Poziom lokalny podstawowe Rys. 2. Schematy pasm energetycznych półprzewodników niesamoistnych. a) typ n; b) typ p W rzeczywistości w każdym półprzewodniku występują zarówno wolne elektrony jak i dziury. Przewaga jednego typu nośnika (nośniki większościowe) decyduje o właściwościach półprzewodnika. Zjawiska występujące w materiałach półprzewodnikowych są bardzo skomplikowane, zwłaszcza w przypadku styku obszarów o różnych typach przewodnictwa. Wykorzystuje się zjawiska przewodzenia, fotoelektryczne, magnetyczne, piezoelektryczne i inne. Tak duża rozmaitość pozwala na budowanie przyrządów półprzewodnikowych o różnorakich zastosowaniach. Spośród wielu typów, w niniejszym ćwiczeniu pokazano kilka podstawowych elementów półprzewodnikowych, będących przyrządami w wielu współczesnych urządzeniach elektronicznych. 3. harakterystyka wybranych elementów półprzewodnikowych Diody półprzewodnikowe Prostowniki zamieniają sygnał (prąd i napięcie) przemienny, na przebieg jednokierunkowy. Idealne elementy prostownicze to elementy stanowiące zwarcie dla jednego kierunku przewodzenia prądu, oraz przerwę dla kierunku przeciwnego. Właśnie prostowanie jest jednym z podstawowych i najważniejszych zastosowań diod, zwanych często prostownikami. 2

3 Diody są bardzo pożytecznymi elementami dwuzaciskowymi, pasywnymi (nie mają wbudowanych źródeł energii). Są to elementy nieliniowe, co oznacza, że prąd przepływający przez diodę nie jest proporcjonalny do występującego na niej napięcia. Dioda jest prostym elementem zawierającym złącze p-n (rys. 3a) powstałe w wyniku styku półprzewodników typu p i n. Przez złącze dyfundują większościowe ładunki elektryczne, czyli elektrony z obszaru n przedostają się do obszaru p, i na odwrót, dziury z obszaru p przedostają się do obszaru n. Ładunki większościowe po przejściu przez złącze ulegają rekombinacji, natomiast nowe ładunki większościowe powstają ciągle w skutek generacji. W wyniku tych procesów w pobliżu złącza tworzy się obszar pozbawiony ładunków większościowych (rys. 3b). W obszarze tym pozostają jedynie nieruchome jony o ładunku ujemnym w obszarze p, i dodatnim w obszarze n. Gęstość ładunku wypadkowego (rys. 3c) wykazuje dwa maksima, będące wynikiem istnienia tylko jonów nieruchomych. Taki układ ładunków powoduje powstanie na złączu różnicy potencjałów (tzw. bariery potencjału U ), o zwrocie dodatnim w kierunku warstwy n. Wartość tej bariery zależna jest od gęstości nośników prądu po obu stronach złącza i wynosi zazwyczaj V. ariera potencjału oddziałuje na nośniki prądu poprzez hamowanie ruchu dyfuzyjnego nośników większościowych, przez co prąd dyfuzyjny ulega zmniejszeniu. Jednocześnie bariera potencjału powoduje zwiększenie intensywności dyfuzji ładunków mniejszościowych, a więc elektronów z obszaru p do n, oraz dziur z obszaru n do p. Zjawisko przenoszenia ładunków mniejszościowych zwane jest prądem cieplnym, który w spoczynku równy jest co do wartości prądowi dyfuzji. a) b) c) d) p qw n p q n p U n p n - U + Rys. 3. Złącze p-n. a) budowa; b) gęstość ładunków większościowych; c) gęstość jonów; d) rozkład potencjału. Jeżeli do zewnętrznych zacisków złącza p-n przyłączone zostanie źródło napięcia stałego w taki sposób, że zacisk dodatni przyłączony będzie do obszaru p (rys. 4a), to nastąpi obniżenie bariery potencjału o wartość U Z przyłożonego napięcia. Powoduje to zmniejszenie działania hamującego złącza na ładunki większościowe, dzięki czemu możliwe jest przewodzenie dużych prądów przez złącze. Odwrotne spolaryzowanie złącza (rys. 4b) powoduje podwyższenie bariery potencjału, wskutek czego zwiększa się hamujące działanie złącza na ładunki większościowe i prąd praktycznie będzie przewodzony w tym kierunku. Opisane powyżej zjawiska zachodzące w złączu p-n wykorzystywane są w diodach półprzewodnikowych. Symbol diody przedstawiono na rys. 5a. Strzałka na symbolu diody wskazuje kierunek przepływu prądu (od anody (warstwa p) do katody(warstwa n)). harakterystykę prądowo napięciową diody pokazano na rys. 5b. Jak z niego wynika, jeżeli przez diodę przepływa prąd o wartości około 10 ma, potencjał anody jest o około 0.6 V wyższy niż potencjał katody. Jest to tak zwany spadek napięcia na przewodzącej diodzie. Prąd płynący przez diodę w kierunku zaporowym (jeżeli potencjał katody jest większy od potencjału anody) jest praktycznie zerowy. Jednak przekroczenie krytycznego napięcia wstecznego powoduje przebicie złącza półprzewodnikowego i zniszczenie diody. Zazwyczaj napięcia te wynoszą kilkadziesiąt kilkaset woltów. 3

4 a) b) p n p n Uz Uz U U UZ U UZ U Rys. 4. Złącze p-n zasilane napięciem zewnętrznym. a) w kierunku przewodzenia; b) w kierunku wstecznym. a) b) 20mA kierunek przewodzenia katoda 10mA -120V -80V -40V 1V 2V anoda 1uA 2uA kierunek zaporowy 3uA Rys. 5. Dioda półprzewodnikowa. a- symbol graficzny; b- charakterystyka napięciowo - prądowa Najprostszy prostownik może wyglądać jak na rysunku 6a. Jeżeli do takiego układu doprowadzone zostanie napięcie sinusoidalne, to dioda będzie przewodziła tylko w tych częściach okresu, w których potencjał anody będzie wyższy niż potencjał anody. Jako, że dioda jest elementem przewodzącym jednokierunkowo, przebieg napięcia na wyjściu układu będzie wyglądał jak na poniższym rysunku (6b). Taki prostownik z jedną diodą nazywany jest prostownikiem jednopołówkowym, gdyż przez diodę przepuszczana jest w przybliżeniu jedynie połowa okresu napięcia wejściowego. a) b) ac Uobc Robc Rys. 6. Przykład prostownika jednopołówkowego; a-schemat; b- przebieg napięcia na obciążeniu t 4

5 Innym przykładem prostownika może by układ przedstawiony na rys. 7a. W tym przypadku użyto dwóch diod prostowniczych, podłączonych wstecznie w stosunku do masy transformatora. W każdej połowie okresu przewodzi tylko jedna dioda, ponieważ druga jest w tym czasie spolaryzowana zaporowo. Inny układ spełniający tą samą funkcję pokazano na rys. 7.b. W tym przypadku zastosowano cztery diody w tzw. układzie Gretz a. Mimo, że układ zawiera więcej elementów, jest on bardziej popularny niż układ z rys. 7a, ponieważ nie wymaga się stosowania transformatorów z wyprowadzoną końcówką masy, oraz układy te są bardziej efektywne. Na rysunku 7b przedstawiono przebieg napięcia na wyjściu układów z rys. 7 a i b. Należy zwrócić uwagę na fakt, iż diody nie przewodzą w całym okresie ze względu na spadek napięcia na przewodzącej diodzie, a ściślej, konieczność uzyskania większego napięcia (niż 0,6V), by dioda zaczęła przewodzić (pokonanie bariery potencjału). a) c) b) Uwy t Rys. 7. Prostownik dwupołówkowy. a) schemat; b) przebieg napięcia wyjściowego. Przedstawione przebiegi nie są jeszcze wyprostowane. Są one stałoprądowe tylko w tym sensie, iż są jednokierunkowe. Mają jednak dużą zawartość tętnień, co dyskwalifikuje je do zasilania wielu przyrządów elektronicznych. Najpopularniejszym sposobem ograniczenia tętnień jest zastosowanie filtru dolnoprzepustowego zbudowanego z szeregowego rezystora, oraz kondensatora dołączonego równolegle do obciążenia (rys. 8). Aby zapewnić niewielką amplitudę tętnień, pojemność kondensatora należy dobierać zgodnie z warunkiem: R obc >> 1/ f Gdzie f jest częstotliwością tętnień. Spełnienie warunku opisanego powyższą zależnością daje gwarancję, iż stała rozładowania kondensatora jest dłuższa niż czas pomiędzy jego kolejnymi doładowaniami. Obliczanie przybliżonej wartości napięcia tętnień jest dosyć proste. Zakładając, iż kondensator rozładowuje się nieco podczas trwania okresu (lub półokresu przy prostowniku dwupołówkowym), oraz, że prąd obciążenia jest stały, to otrzymuje się: I U = τ Powyższa zależność wynika bezpośrednio ze wzoru określającego napięcie w kondensatorze: du I = dτ Po przyjęciu, że czas pomiędzy kolejnymi doładowaniami kondensatora wynosi t = 1 / f dla prostownika jednopołówkowego oraz t = 1 / 2 f dla dwupołówkowego, z powyższych zależności można łatwo otrzymać przybliżony wzór na amplitudę tętnień napięcia wyjściowego. Schemat układu, oraz napięcie wyjściowe pokazano na rys. 8. 5

6 a) b) Uwy Uwy Napięcie wyjściowe w układzie bez kondensatora Napięcie wyjściowe w układzie z kondensatorem t u Rys. 8. Prostownik dwupołówkowy z kondensatorem filtrującym. a) schemat; b) przebieg napięcia wyjściowego 3.2. Elementy prostownicze sterowane. Złącze p-n nie przewodzi prądu w kierunku wstecznym, ze względu na fakt istnienia tam warstwy zaporowej, w której nie znajdują się nośniki prądu elektrycznego. Szerokość tej warstwy może ulec zmianie w wyniku polaryzacji złącza (na przykład doprowadzenie napięcia wstecznego spowoduje zwiększenie szerokości warstwy). Przewodzenie złącza p-n spolaryzowanego wstecznie można jednak uzyskać, na przykład poprzez wprowadzenie z zewnątrz dodatkowych nośników prądu. Zdecydowanie najważniejszym elementem działającym w ten sposób jest tyrystor zbudowanych z czterech warstw mających kolejno przewodnictwa typu p-n-p-n. Schemat tyrystora pokazano na rys. 9a. Złącza o różnych rodzajach przewodnictwa działają jak trzy diody skierowane kolejno w różnych kierunkach (rys. 9b). Dla każdego kierunku przewodzenia prądu tyrystor stanowi więc dużą rezystancję, gdyż zawsze co najmniej jedna dioda pracuje wstecznie. Z tego powodu nie sterowany tyrystor ma charakterystykę (rys. 9c) składającą się z dwóch gałęzi wstecznych dla dwóch kierunków przewodzenia, z charakterystycznym przebiciem dla dużych napięć. Doprowadzenie prądu do elektrody sterującej powoduje uzupełnienie nośników prądu w okolicy złącza, wobec czego spolaryzowana zaporowo dioda zaczyna przewodzić od anody do katody. Przebicie tego spolaryzowanego zaporowo złącza następuje przy tym niższym napięciu, im większa jest wartość prądu elektrody sterującej (rys. 9d). Przebicie utrzymuje się dopóty, dopóki trwa przepływ prądu w danym kierunku. Zmiana napięcia wymuszającego powoduje powrócenie tyrystora do stanu pierwotnego. Spadek napięcia na przewodzącym tyrystorze jest niewielki, dzięki czemu elementy te są chętnie wykorzystywane przy stosunkowo niskich częstotliwościach. Przy pracy w częstotliwościach wysokich może wystąpić zjawisko samozapłonu tyrystora wywołane prądami pojemnościowymi w złączu zaporowym. 6

7 a) b) A K A K p n p n c) d) i ib i ib ib2>ib1 ib1 u ib=0 u Rys. 9. Tyrystor. a), b) schematy; c) charakterystyka tyrystora bez sterowania; d) charakterystyka statyczna Diody Zenera Diody Zenera są odmianą diod stosowanych w celu uzyskiwania w określonych miejscach układu stałych napięć, czyli do stabilizacji napięć. W diodach tych wykorzystuje się zjawisko przebicia występujące przy dużych napięciach wstecznych (rys. 5b). Wykorzystuje się więc odmienną niż przy klasycznych diodach część charakterystyki napięciowo prądowej. Diody te charakteryzują się dużą stałością napięcia przebicia, oraz małą jego zależnością od czasu. Napięcia przebicia stosowanych diod Zenera zawierają się w granicach 1 do kilkuset woltów. Uwe R Uwy Rys. 10. Podstawowy stabilizator z diodą Zenera. Najprostszy stabilizator może wyglądać jak na rys. 10. Przez diodę musi cały czas płynąć prąd, więc parametry układu należy dobierać korzystając z zależności: U we U wy > I wy MAX R Takie proste stabilizatory są czasem wykorzystywane w układach o małych prądach. Mają one jednak pewne wady, z których wymienić należy niemożliwość regulacji i dokładnego nastawiania napięcia wyjściowego, umiarkowane tłumienie tętnień, oraz konieczność używania dużych diod w przypadku znacznych zmian prądu wyjściowego. 7

8 3.4. Tranzystory Tranzystory są elementami aktywnymi, co oznacza, iż mogą wzmacniać sygnał wyjściowy w stosunku do wejściowego. W tranzystorach wykorzystywane są zjawiska zachodzące w złączu p-n lub kilku takich złączach. W tranzystorze warstwowym używane są dwa złącza, utworzone na płytce o trzech warstwach mających kolejno przewodnictwa typu p-n-p lub n-p-n (rys. 11). Każda z tych warstw zaopatrzona jest w doprowadzenie metaliczne, więc tranzystory są elementami trój końcówkowymi. Środkowa elektroda nazywana jest bazą, elektroda spolaryzowana w kierunku przewodzenia emiterem, a elektroda spolaryzowana w kierunku zaporowym kolektorem. E p n p E n p n E E Rys. 11. Trazystory. a) p-n-p; b)n-p-n Działanie tranzystora wyjaśnić można na podstawie analizy barier potencjałów, które powstają na złączach między emiterem a bazą, oraz pomiędzy bazą i kolektorem (rys. 12). Gdy do kolektora doprowadzone jest napięcie ujemne względem bazy, wówczas bariera potencjałów na tym złączu wzrasta i prąd płynący przez złącze jest minimalny. Doprowadzenie napięcia dodatniego między emiter a bazę powoduje obniżenie bariery potencjału na tym złączu, wobec czego następuje przepływ prądu wywołany ruchem dziur od emitera do bazy. Wobec nieznacznej grubości bazy, dziury dyfundują dalej, do kolektora pod działaniem bariery potencjału miedzy bazą a kolektorem. a) b) c) E p n p u u Rys. 12. Rozkład potencjałów w tranzystorze p-n-p. b) w stanie spoczynku; b) podczas polaryzacji bazy i kolektora. Należy zwrócić uwagę na charakterystyczne strzałki w oznaczeniu emiterów tranzystora (rys. 11). Grot strzałki wskazuje kierunek prądu w obwodzie zewnętrznym. Dla poprawnej pracy tranzystora, zakłada się, że potencjał kolektora jest większy niż emitera. Obwody baza emiter i baza kolektor zachowują się jak diody, przy czym w warunkach normalnej pracy dioda baza emiter spolaryzowana jest w kierunku przewodzenia, a baza kolektor w kierunku zaporowym. W tranzystorach bipolarnych prąd kolektora ( I ) jest proporcjonalny do prądu bazy ( I ), gdzie współczynnikiem proporcjonalności jest tak zwany współczynnik wzmocnienia prądowego (β ): I = βi Główną zaletą tranzystorów jest możliwość sterowania relatywnie dużym prądem wpływającym do kolektora za pomocą niewielkiego prądu bazy. 8

9 Układów wykorzystujących tranzystory jest bardzo wiele, począwszy od elementów wykorzystujących tranzystor jako przełącznik, a na elementach wzmacniających kończąc. Oddzielając diodę Zenera od obciążenia za pomocą wtórnika emiterowego, otrzymuje się udoskonalony układ, w którym prąd diody jest praktycznie niezależny od prądu obciążenia, ponieważ prąd bazy tranzystora jest minimalny. Wtórnik emiterowy jest elementem wykonywanym z tranzystora, którego wyjściem jest właśnie emiter. Napięcie na wyjściu wtórnika (na emiterze) równe jest co do wartości napięciu wejściowemu (na bazie), pomniejszonemu o spadek napięcia na przewodzącej diodzie (0.6 V). Napięcie na bazie musi więc wynosić ponad 0,6V, gdyż przy niespełnieniu tego warunku wyjście będzie cały czas pozostawać na potencjale masy. Impedancja wyjściowa wtórnika jest znacznie mniejsza niż impedancja wejściowa. Fakt ten oznacza, iż dane obciążenie pobierać będzie ze źródła znacznie mniej prądu, niż w przypadku niezastosowania wtórnika emiterowego. Uwe Uwy 4. Zakres badań Rys. 13. Wtórnik emiterowy Układ pomiarowy przedstawiono na rys. 14. Składa się on z zestawu elementów elektronicznych umieszczonych we wspólnej obudowie. Stanowisko zasilane jest z transformatora obniżającego napięcie. Na wejściu układu mamy więc napięcie sinusoidalnie zmienne. Za pomocą dołączonych przewodów należy łączyć układy pomiarowe według rozdziału 5 niniejszej instrukcji. Pomiary kształtu napięć w poszczególnych punktach układu dokonywane są za pomocą oscyloskopu dołączanego do odpowiednich zacisków stanowiska. Pomiary napięć i prądów należy wykonywać za pomocą woltomierzy i amperomierzy. Zarówno kształty jak i wartości napięć i prądów należy odnotowywać w protokóle pomiarowym. Rys. 14. Stanowisko pomiarowe 9

10 5. Pomiary We wszystkich przypadkach należy badać wpływ obciążenia na pracę konkretnych układów wykonywanych w ćwiczeniu oraz obserwować pracę wykorzystywanych elementów elektronicznych Prostownik jednopołówkowy W pierwszej kolejności należy wykonać układ prostownika jednopołówkowego, wykorzystując diodę prostowniczą i obciążając ją rezystorem regulowanym. Należy zwiększać wartość prądu płynącego przez odbiornik i notować prąd, wartości napięcia zasilającego i kształt przebiegów napięcia na obciążeniu. Następnie równolegle do obciążenia należy włączać kondensatory filtrujące o różnych pojemnościach. Na podstawie wykonanych pomiarów należy wyznaczyć przybliżoną pojemność użytych kondensatorów. Po wykonaniu badań należy wykonać układ stabilizator napięcia z diodą Zenera w układzie z wtórnikiem emiterowym. Układ wykonać bez kondensatorów filtrujących. Zbadać pracę obu układów w zależności od prądu płynącego przez obciążenie. W podobny sposób należy wykonać układ sterowanego prostownika, wykorzystując zamiast diody prostowniczej, tyrystor. Zbadać wpływ kąta wyzwalania tyrystora na wartości prądów i napięć na obciążeniu układu Prostownik dwupołówkowy Wykonać analogiczne czynności jak przy badaniu prostowników jednopołówkowych Opracowanie wyników Na podstawie wykonanych pomiarów i oscylogramów należy skomentować pracę poszczególnych elementów elektronicznych używanych w ćwiczeniu. Należy obliczyć pojemność używanych w ćwiczeniu kondensatorów. Podać sposoby regulacji prądu i napięcia w układach prostowników. Na podstawie poczynionych obserwacji należy zaproponować układ prostownika spełniającego parametry podane przez prowadzącego. Podać wnioski i uwagi z wykonanego ćwiczenia. 10