INSTRUKCJE DO LABORATORIUM Z ELEMENTÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH. Krzysztof Górecki, Witold J. Stepowicz, Janusz Zarbski

Transkrypt

1 INSTRUKCJ DO LABORATORIUM Z LMNTÓW PÓŁPRZWODNIKOWYCH Krzysztof Górecki, Witold J. Stepowicz, Janusz Zarbski Gdynia 2002

2 RGULAMIN Przed przystpieniem do wykonania wiczenia naley przygotowa si do niego w domu. Przygotowanie to powinno obejmowa przede wszystkim powtórzenie stosownych fragmentów wykładu na temat badanych elementów, a nastpnie na podstawie podanych w instrukcji zada do wykonania naley zaplanowa przebieg pomiarów oraz przygotowa odpowiednie tabelki pomiarowe. Dotyczy to m.in. iloci i rozmieszczenia punktów pomiarowych przy pomiarach charakterystyk statycznych elementów, bowiem podstawowa wiedza o ich przebiegu powinna by znana z wykładu i z wicze tablicowych. Tabelki powinny zawiera tytuły wykonywanych zada, oznaczenia wielkoci mierzonych wraz z jednostkami oraz wartoci wielkoci zmierzonych w trakcie zaj laboratoryjnych. Po wykonaniu pomiarów w laboratorium, zgodnie z podanym w skrypcie zakresem zada, naley wykona w domu sprawozdanie z wiczenia. Nieodłczn czci sprawozdania jest protokół pomiarów (do jego sporzdzenia nie naley uywa ołówka) podpisany bezporednio po zakoczeniu zaj przez prowadzcego. Protokół ten zawiera dane pomiarowe potrzebne do wykonania zada w domu. Oprócz imion i nazwisk osób odrabiajcych wiczenie, tytułu wiczenia i daty wykonania, powinien on zawiera usystematyzowane w tabelkach wyniki pomiarów oraz oscylogramy. Sprawozdanie we wstpnej czci powinno zawiera tytuł i numer wiczenia, imiona i nazwiska odrabiajcych oraz dat wykonania wiczenia. Dalej nastpuje tre przewidzianych do wykonania w domu zada, zatytułowanych stosownym nagłówkiem, a nie numerem zadania podanym w skrypcie. Przepisywanie w sprawozdaniu jeszcze raz, na czysto, protokółu pomiarów nie jest wymagane. Dotyczy to take szkiców przebiegów zaobserwowanych na oscyloskopie, zamieszczonych w protokóle, pod warunkiem ich czytelnej formy. Nie jest wymagane te rysowanie w treci sprawozdania schematów układów pomiarowych. Zadania wykonywane w domu czsto wymagaj pewnych oblicze na podstawie danych z tabelek pomiarowych lub wykresów. Naley wyranie podawa wykorzystywane do oblicze dane liczbowe i ich pochodzenie oraz przytoczy stosowane wzory. Zdecydowana wikszo wielkoci fizycznych posiada swoje miano, które naley poda. Kolejnym punktem sprawozdania, wysoko ocenianym przez prowadzcego, s wnioski i komentarze. Nie mog to by fragmenty wykładu lub ksiek, czsto luno zwizane z wiczeniem. Ten punkt moe zawiera róne treci, dla przykładu moe to by komentarz na temat zgodnoci (lub niezgodnoci) materiału podanego na wykładzie z wynikami wiczenia, lub systematyczna, ilociowa analiza błdów pomiarowych. Lakoniczne uwagi typu rozbieno wyników jest zwizana z niedokładnoci uytych mierników nie s mile widziane. W kadym wiczeniu wród zada do wykonania znajduje si sporzdzenie wykresów. Wykresy opatrzone stosownym podpisem dotyczcym ich zawartoci, powinny mie osie współrzdnych wyskalowane w odpowiednich jednostkach. Sam wykres sporzdzany jest na podstawie naniesionych na rysunek punktów pomiarowych, zawartych w protokóle pomiarowym. Z powodu rozrzutu punktów pomiarowych wykres typowo nie przechodzi przez wszystkie naniesione punkty, ale jego przewidywany kształt przewanie jest dobrze znany, bo wynika z zasady działania badanego elementu, omówionej na wykładzie. W niektórych przypadkach posta wykresu moe wynika z zastosowania numerycznych metod wyznaczania wartoci parametrów badanej zalenoci, dla której z pomiarów uzyskano zbiór danych. Dla przykładu, w przypadku wyznaczania wartoci 2

3 parametrów przebiegu liniowego mona wykorzysta metod najmniejszych kwadratów, co nie wymaga korzystania z komputera. Do wykonania sprawozdania mona uy edytora komputerowego lub napisa je odrcznie. Naley jednak pamita o stosownej formie wydruku, np. do pisania równa wykorzystywa edytor wzorów. Przed oddaniem sprawozdania naley przeczyta jego tre, gdy komputer nie poprawia automatycznie wszystkich błdów. Posługiwanie si edytorem przy sporzdzaniu wykresów jest wskazane pod warunkiem umiejtnego korzystania z jego moliwoci. Typowy błd popełniany przy bezmylnym korzystaniu z komputera to wykres przechodzcy dokładnie przez wszystkie naniesione punkty pomiarowe, a wic typowo o błdnym kształcie. Nie naley take bezmylnie cytowa wyników oblicze wykonanych przez komputer. Podanie wyniku oblicze ze zbyt du dokładnoci, przykładowo podanie omiu cyfr znaczcych, uzyskanych z podzielenia dwóch wyników pomiarów obarczonych 10% błdem kady, jest powan usterk. Warto doda, e istniejce w studenckiej sieci komputerowej opracowania wicze zawieraj wiele racych błdów, odpisywanie za przez wielu studentów identycznych, nawet poprawnych fragmentów treci sprawozda (zwłaszcza wniosków i komentarzy) z sieci nie bdzie oceniane pozytywnie. Zamieszczone na kocu kadej instrukcji pytania kontrolne mog słuy odrabiajcym laboratorium do własnej oceny stopnia przygotowania si do zaj, a take mog by wykorzystane przy odpowiedziach ustnych studentów. Zajcia z laboratorium obejmuj na studiach dziennych dla kierunku elektronika i telekomunikacja 30 godzin lekcyjnych. W ramach tych godzin przewidziane jest na pierwszych zajciach wprowadzenie, nastpnie odrobienie 8 opisanych w niniejszym skrypcie wicze, kade po 3 godziny lekcyjne. Ostatnie zajcia s powicone ewentualnemu odrabianiu zaległych wicze i odpytywaniu studentów nie spełniajcych okrelonych, podanych poniej wymogów zaliczenia. Zajcia odbywaj si systemem szeregowym, co oznacza, e istniej dwa cykle po 4 wiczenia, w ramach których wiczenia s odrabiane kolejno przez wszystkie grupy laboratoryjne liczce od 1 do 3 osób kada. Obecno na zajciach jest warunkiem koniecznym zaliczenia przedmiotu. Jedna nieobecno nieusprawiedliwiona pociga za sob zero punktów z danego wiczenia, bez moliwoci odrobienia zaj w innym terminie, natomiast dwie nieobecnoci nieusprawiedliwione powoduj skrelenie z listy odrabiajcych laboratorium. W przypadku nieobecnoci usprawiedliwionych, prowadzcy moe zezwoli na odrabianie wiczenia w innym terminie z inn grup, moe zwolni z realizacji jednego wiczenia lub skierowa na odrabianie wiczenia w terminie dodatkowym, np. na ostatnich zajciach w semestrze. Sprawozdanie, jedno na grup laboratoryjn, powinno by oddane na nastpnych zajciach. Za kady tydzie opónienia przy oddawaniu odejmowany jest jeden punkt z oceny za sprawozdanie. Sprawozdania oceniane s w skali punktowej od 0 do 10 punktów. W wyjtkowych przypadkach prowadzcy moe odda negatywnie ocenione (tj. poniej 5 punktów) sprawozdanie do poprawienia. Za sprawozdania, w których sprawdzajcy stwierdzi niezgodno wyników pomiarów podanych w protokóle pomiarowym z danymi przyjtymi w opracowaniu odrabiajcy uzyskaj zero punktów. Warunkiem koniecznym zaliczenia zaj z laboratorium jest uzyskanie co najmniej 50% punktów moliwych do zdobycia ze wszystkich sprawozda. Po sprawdzeniu sprawozdania prowadzcy moe, na biecych lub kolejnych zajciach, przepyta z jego treci autorów i indywidualnie kademu z nich doda do jego oceny z wiczenia od 3 do 3 punktów (umownie ocena 3

4 dostateczna z odpowiedzi ustnych jest interpretowana jako zero punktów). Konieczno znajomoci treci sprawozdania oznacza, e w jego opracowaniu powinni uczestniczy wszyscy odrabiajcy dane wiczenie. Take przed rozpoczciem zaj prowadzcy moe sprawdzi przygotowanie wybranych osób do realizacji biecego wiczenia. Nieprzygotowani studenci mog zosta usunici z zaj. Ostateczna ocena zaliczenia wynika z sumy punktów uzyskanych ze sprawozda oraz punktów zdobytych podczas odpowiedzi ustnych, a warunkiem zaliczenia jest uzyskanie co najmniej 50% łcznej sumy punktów ze sprawozda i odpowiedzi ustnych, tj. przy odrobieniu 8 wicze jest to 40 punktów. W przypadku nieuzyskania wymienionych 50%, w ramach zaliczenia poprawkowego mona poprawia ocen negatywn wynikajc jedynie z punktów ujemnych zwizanych z odpowiedziami ustnymi przed i po wiczeniach. Przeliczenie procentów zdobytych punktów na kocowe oceny pozytywne jest nastpujce: 50 60% ocena dostateczna, 60-70% ocena dostateczna plus, % ocena dobra, 80 90% ocena dobra plus, % ocena bardzo dobra. W laboratorium naley zachowa szczególn ostrono przy korzystaniu z sieci elektrycznej i z zasilaczy napiciowych. Aczkolwiek typowe napicia pomiarowe uywane w wiczeniach s bezpieczne, to jednak obecno w sieci laboratoryjnej napicia 230 zmusza do okrelonych zachowa. Na przykład, nie wolno włcza do sieci 230 urzdze nie przeznaczonych do pracy przy tej wartoci napicia, bo moe to by niebezpieczne dla wykonujcych wiczenie, a take moe to prowadzi do uszkodzenia lub zniszczenia sprztu laboratoryjnego. Naley take pamita o doborze właciwych zakresów przyrzdów pomiarowych, zapewniajcym uzyskanie najlepszej moliwej dokładnoci pomiaru, a jednoczenie uniemoliwiajcym uszkodzenie mierników. Naley take zapisywa wszystkie cyfry wywietlane na wywietlaczach mierników. Po zakoczeniu pomiarów naley wyłczy wszystkie przyrzdy pomiarowe, w szczególnoci mierniki o zasilaniu bateryjnym. 4

5 WICZNI 1 CHARAKTRYSTYKI STATYCZN DIOD PÓŁPRZWODNIKOWYCH 1. CL I PRZDMIOT WICZNIA Celem wiczenia jest zapoznanie si z charakterystykami statycznymi i(u) wybranych diod półprzewodnikowych. Na podstawie pomierzonych metod punkt po punkcie zalenoci i(u) wyznaczane s wartoci wybranych parametrów modelu statycznego diody. Przedmiotem wiczenia s krzemowe diody ze złczem pn: krzemowa dioda prostownicza, krzemowa dioda stabilizacyjna, dioda elektroluminescencyjna z arsenofosforku galu oraz dioda Schottky'ego ze złczem m-p (metal-półprzewodnik). 3. ZADANIA 3.1. ZADANIA DO WYKONANIA W LABORATORIUM Na rys.1.2 pokazano schematy ideowe układów do pomiaru charakterystyk statycznych diod spolaryzowanych przewodzco (rys.1.2a) oraz zaporowo (rys.1.2b). Schematy te zawieraj istotne składniki układu pomiarowego: mierniki prdu i napicia oraz napiciowe ródło regulowane. W celu wyznaczenia wartoci potencjału termicznego U T, przed przystpieniem do pomiarów naley zanotowa temperatur otoczenia panujc w laboratorium. a) + - A b) + - A Rys.1.2. Schematy układów do pomiaru charakterystyk statycznych diod półprzewodnikowych spolaryzowanych przewodzco (a) oraz zaporowo (b) W układzie pokazanym na rys.1.2a (przełcznik na płycie czołowej zestawu pomiarowego w pozycji PRZ) zmierzy charakterystyki statyczne wybranych typów diod półprzewodnikowych spolaryzowanych przewodzco: diody prostowniczej, diody stabilizacyjnej oraz diody Schottky ego. Pomiary przeprowadzi w szerokim zakresie zmian prdu przewodzenia od 1 µa do 100 ma. Przy doborze rozkładu punktów pomiarowych kierowa si przede wszystkim wymogami wynikajcymi z wykonania w domu zadania Dodatkowo, dla diody elektroluminescencyjnej zmierzy jedynie spadek napicia przy prdzie przewodzenia równym 30 ma. Zanotowa take wartoci spadków napi na pozostałych diodach zmierzone przy tej wartoci prdu. 5

6 W układzie pokazanym na rys.1.2b (przełcznik na płycie czołowej zestawu pomiarowego w pozycji ZAP) zmierzy charakterystyki statyczne diod spolaryzowanych zaporowo. Pomiar ograniczy do odczytu dwóch wartoci prdu wstecznego przy dwóch wybranych wartociach napicia wstecznego, np. -1 oraz 10. W zalenoci od zakresów posiadanych mierników prdu i egzemplarzy diod pomiar z tego punktu moe ograniczy si jedynie do oszacowania przedziału wartoci prdów wstecznych. a) b) e(t) R 0 C u wy e(t) R 0 C u wy Rys.1.3. Schematy układów prostowników badanych w wiczeniu Zaobserwowa na oscyloskopie i naszkicowa przebiegi napicia na wyjciu prostownika jednopołówkowego (przełcznik na płycie czołowej zestawu pomiarowego w pozycji J) i dwupołówkowego (przełcznik na płycie czołowej zestawu pomiarowego w pozycji D), zarówno z włczon jak i odłczon pojemnoci filtrujc C. Schemat badanego układu prostownika jedno- i dwupołówkowego pokazano odpowiednio na rys.1.3a oraz rys.1.3b. Napicie e(t) jest przebiegiem harmonicznym o czstotliwoci sieci ZADANIA DO WYKONANIA W DOMU Wykreli na wspólnym wykresie w skali liniowo-liniowej pomierzone charakterystyki statyczne i(u) diod spolaryzowanych przewodzco Wykreli w skali liniowo-logarytmicznej (o prdu logarytmiczna, o napicia liniowa) na osobnych wykresach charakterystyki statyczne diody stabilizacyjnej i diody prostowniczej. Na podstawie tych wykresów wyznaczy wartoci parametrów modelu statycznego diod: współczynnika nieidealnoci n (w zakresie rednich prdów) oraz prdu I S. W zakresie duych prdów, przy wyranym odchyleniu od liniowoci powyszych charakterystyk, wyznaczy warto rezystancji szeregowej tych diod Wyjani dlaczego przy prdzie w kierunku przewodzenia równym 30 ma spadki napicia na badanych diodach s róne Skomentowa przebiegi zaobserwowane w punkcie na wyjciu badanych prostowników. 6

7 WICZNI 2 DIODY STABILIZACYJN 1. CL I PRZDMIOT WICZNIA Celem wiczenia jest zapoznanie si z charakterystykami statycznymi i parametrami diod stabilizacyjnych (Zenera) oraz zbadanie własnoci prostego układu stabilizatora napicia zbudowanego z wykorzystaniem diody stabilizacyjnej. Przedmiotem wiczenia s krzemowe diody stabilizacyjne o rónych wartociach napicia stabilizacji. 3. ZADANIA 3.1. ZADANIA DO WYKONANIA W LABORATORIUM Pomiary charakterystyk statycznych diod stabilizacyjnych mona przeprowadzi w układzie, którego schemat ideowy pokazano na rys.2.2. Wówczas rezystor R 1 pełni rol rezystora zabezpieczajcego diod przed uszkodzeniem. Przy pomiarze tych charakterystyk naley odłczy rezystor R 0 (dekada rezystancyjna). R 1 A u W u i R 0 u WY Rys.2.2. Prosty układ stabilizatora napicia badany w wiczeniu W układzie z rys.2.2 zmierzy charakterystyki statyczne i(u) dwóch diod stabilizacyjnych spolaryzowanych zaporowo ze szczególnym uwzgldnieniem zakresu przebicia Zmierzy charakterystyki statyczne u WY (u W ) stabilizatorów napicia z rys.2.2 ze zmierzonymi uprzednio dwiema diodami stabilizacyjnymi. Przyj wartoci R 1 = 300 Ω, R O = 1 kω oraz zakres zmian u W = Nastpnie naley zmierzy dla obu stabilizatorów charakterystyki u WY (R O ) dla wartoci R 1 = 300 Ω, U W = 16, przyj zakres zmian rezystancji obcienia R O od zwarcia (R 0 = 0) do rozwarcia ZADANIA DO WYKONANIA W DOMU Wykreli na wspólnym wykresie zmierzone w punkcie charakterystyki statyczne i(u) diod stabilizacyjnych. Wyznaczy graficznie wartoci parametrów U ZO oraz r Z modelu statycznego tych diod, danego wzorem (2.1) Wykreli zmierzone charakterystyki statyczne stabilizatorów u WY (u W ), a nastpnie znajc wyznaczone w poprzednim punkcie wartoci parametrów modelu statycznego uytych diod, obliczy na podstawie wzoru (2.4) te charakterystyki i wyniki oblicze nanie na wykresy zawierajce wyniki pomiarów. Krótko skomentowa istotne rónice midzy wynikami pomiarów i oblicze. 7

8 Powtórzy zadanie z punktu dla zmierzonych i obliczonych charakterystyk u WY (R 0 ) stabilizatorów Dla badanych stabilizatorów obliczy ze wzoru (2.6) wartoci współczynnika stabilizacji S u, a nastpnie porówna wyznaczone wartoci tego współczynnika z wartociami wyznaczonymi z pomiarów, korzystajc z wykresów u WY (u W ) Wyznaczy wartoci rezystancji wyjciowych R WY badanych układów stabilizatorów. W tym celu naley na podstawie charakterystyk u WY (R O ) wyznaczy dla przyjtego przedziału zmian napicia wyjciowego u WY zmiany prdu wyjciowego i WY. 8

9 WICZNI 3 CHARAKTRYSTYKI STATYCZN TRANZYSTORA BIPOLARNGO 1. CL I PRZDMIOT WICZNIA Celem wiczenia jest zapoznanie si z charakterystykami statycznymi tranzystora bipolarnego w konfiguracji wspólnego emitera (W) oraz ze sposobem wyznaczania jego parametrów małosygnałowych dla niskich czstotliwoci na podstawie charakterystyk statycznych. Przedmiotem wiczenia jest krzemowy tranzystor bipolarny npn małej mocy, dla którego z pomierzonych charakterystyk statycznych wyznaczane s wartoci wybranych parametrów statycznych oraz elementów macierzy [h] e w konfiguracji wspólnego emitera. 3. ZADANIA 3.1. ZADANIA DO WYKONANIA W LABORATORIUM Pomiary charakterystyk statycznych tranzystora bipolarnego naley wykona w układzie, którego schemat ideowy jest przedstawiony na rys.3.2. Na schemacie tym pokazano jedynie mierniki i napiciowe ródła regulowane zasilajce element, pomijajc m.in. układy zabezpieczajce tranzystor przed uszkodzeniem. Naley pamita o doborze zakresów stosowanych mierników do przedziałów oczekiwanych wartoci prdów i napi. Naley zanotowa temperatur otoczenia panujc w laboratorium w trakcie wykonywania pomiarów. ma B µa T 1 C Rys.3.2. Schemat ideowy układu do pomiaru charakterystyk statycznych tranzystora bipolarnego Zmierzy charakterystyki wyjciowe i C (u C ) tranzystora dla prdów bazy I B = 100, 200, 300 µa. Przyj zakres zmian napicia u C od 0 do 12. Mona wybra trzy inne wartoci prdu bazy, stosownie do egzemplarza badanego tranzystora, pamitajc jednak o ograniczeniach dozwolonego obszaru pracy, wynikajcego z wartoci parametrów dopuszczalnych elementu Zmierzy charakterystyki wejciowe i B (u B ), przejciowe prdowe i C (i B ) oraz przejciowe prdowo - napiciowe i C (u B ) dla U C = 3 oraz 10. Naley zmieni (zmniejszy) warto napicia 10, jeeli okae si to konieczne z powodu przekroczenia wartoci parametrów dopuszczalnych przy tym napiciu. Uwaga - 9

10 pomiary naley rozpocz od wartoci prdu bazy równej 1 µa (lub mniejszej), majc na wzgldzie zadanie polegajce na okreleniu zalenoci współczynnika β od prdu kolektora, w szerokim zakresie jego zmian Zmierzy charakterystyki wyjciowe i (u C ) dla I B = 100, 300 µa tranzystora w połczeniu inwersyjnym. W celu wykonania tego pomiaru naley w układzie pomiarowym zamieni miejscami kolektor z emiterem, co uzyskuje si poprzez odwrócenie łczówki z tranzystorem. Naley zwróci uwag na warto dopuszczalnego napicia kolektor emiter w połczeniu inwersyjnym, która typowo wynosi ZADANIA DO WYKONANIA W DOMU Na podstawie uzyskanych wyników pomiarów dla połczenia normalnego wykreli na kolejnych piciu wykresach: - charakterystyki wyjciowe i C (u C ), - charakterystyki wejciowe i B (u B ), - przejciowe charakterystyki prdowe i C (i B ), - przejciowe charakterystyki prdowo - napiciowe i C (u B ), oraz dla połczenia inwersyjnego charakterystyki wyjciowe i (u C ) Na podstawie wykresu charakterystyk wyjciowych wyznaczy warto napicia arly'ego U w zakresie aktywnym, przy polaryzacji normalnej i inwersyjnej Na podstawie pomiarów z punktu wyznaczy, dla jednej wybranej wartoci napicia u C, zaleno współczynnika β (zdefiniowanego wzorem (3.7)) od prdu kolektora. Wykreli zaleno β(i C ) w skali logarytmiczno - liniowej (o prdu i C logarytmiczna) Na podstawie zmierzonych charakterystyk statycznych wyznaczy wartoci elementów macierzy [h] e oraz transkonduktancji g m badanego tranzystora w jednym, dowolnie wybranym punkcie pracy, lecym w zakresie aktywnym normalnym Na podstawie zmierzonych wyjciowych charakterystyk statycznych w połczeniu inwersyjnym wyznaczy metod przyrostów warto współczynnika β I przy napiciu U C = 3. 10

11 WICZNI 4 POLOWY TRANZYSTOR ZŁ CZOWY JFT 1. CL I PRZDMIOT WICZNIA Celem wiczenia jest zapoznanie si z charakterystykami statycznymi polowego tranzystora złczowego JFT oraz z jego parametrami małosygnałowymi dla niskich czstotliwoci. Przedmiotem wiczenia jest polowy tranzystor złczowy JFT małej mocy z kanałem typu n, dla którego na podstawie zmierzonych charakterystyk statycznych wyznaczane s wybrane parametry modelu statycznego oraz parametry małosygnałowe. 3. ZADANIA 3.1. ZADANIA DO WYKONANIA W LABORATORIUM Pomiary charakterystyk statycznych tranzystora JFT naley wykona w układzie, którego schemat ideowy przedstawiono na rys.4.1. Na rysunku zaznaczono jedynie istotne składniki układu: mierniki prdów i napi oraz regulowane ródła napiciowe zasilajce badany element Zmierzy warto napicia odcicia U p badanego egzemplarza tranzystora, zakładajc, e odpowiada ona wartoci napicia u GS, przy której prd drenu wynosi 10 µa. Pomiar wykona przy U DS = 5. Dla tranzystora z kanałem typu n, napicie U p < Zmierzy statyczne charakterystyki wyjciowe i D (u DS ) tranzystora dla trzech wybranych, ujemnych wartoci napicia u GS z zakresu przewodzenia (dla u GS z przedziału od U p do 0) oraz dla napicia U GS = +0,5. Dobór ujemnych wartoci u GS jest uzaleniony od zmierzonej w punkcie wartoci napicia odcicia. Przy pomiarze charakterystyk wyjciowych pierwszy pomiar prdu drenu naley wykona przy moliwie małej wartoci napicia u DS, a ostatni przy napiciu u DS równym 12. Naley zanotowa take wartoci prdu bramki i G odpowiadajce powyszym czterem napiciom U GS oraz dodatkowo zmierzy warto prdu bramki przy U GS = +0,6. Pomiary prdu bramki naley wykona przy U DS = Zmierzy statyczne charakterystyki przejciowe i D (u GS ) dla dwóch wartoci napicia U DS odpowiadajcych zakresowi nasycenia. Zanotowa wartoci prdu drenu przy U GS = 0. ma µa T G D Rys.4.1. Schemat ideowy układu do pomiaru charakterystyk statycznych tranzystora JFT. 11

12 3.2. ZADANIA DO WYKONANIA W DOMU Wykreli na wspólnym wykresie zmierzone charakterystyki wyjciowe i D (u DS ) tranzystora, zaznaczajc na wykresie granic midzy zakresem nasycenia i nienasycenia. Na podstawie otrzymanych charakterystyk wyznaczy warto napicia U Wykreli na wspólnym wykresie zmierzone charakterystyki przejciowe i D (u GS ) tranzystora W dwóch wybranych punktach pracy: jednym lecym w zakresie nasycenia, za w drugim w zakresie nienasycenia, wyznaczy na podstawie definicji (4.6), (4.7) wartoci parametrów małosygnałowych tranzystora transkonduktancji g m oraz konduktancji wyjciowej g ds Na podstawie podanych zalenoci (4.1) oraz (4.2) opisujcych charakterystyki statyczne wyprowadzi wzory na transkonduktancj oraz konduktancj wyjciow dla obu zakresów pracy tranzystora, a nastpnie obliczy wartoci tych parametrów w punktach pracy z zadania W obliczeniach wykorzysta uprzednio zmierzone wartoci napicia odcicia U p, prdu I DSS oraz wyznaczon w punkcie warto U. Skomentowa krótko zaobserwowane ewentualne rónice midzy zmierzonymi i obliczonymi wartociami parametrów małosygnałowych Na podstawie pomiarów prdu bramki przy dwóch dodatnich napiciach u GS wyznaczy warto przyrostowej rezystancji wejciowej tranzystora. Porówna t warto z wartociami rezystancji wejciowej oszacowanymi dla ujemnych napi u GS. Skomentowa krótko posta charakterystyki wyjciowej i D (u DS ), otrzymanej dla dodatniego napicia u GS Korzystajc z pomiarów charakterystyk wyjciowych i D (u DS ) uzyskanych dla małych wartoci napicia u DS, wyznaczy wartoci rezystancji r ds dla rónych napi u GS. Porówna te wartoci z wartociami obliczonymi ze wzoru (4.5). 12

13 WICZNI 5 WŁASNOCI WILKOSYGNAŁOW WYBRANYCH LMNTÓW PÓŁPRZWODNIKOWYCH 1. CL I PRZDMIOT WICZNIA Celem wiczenia jest zapoznanie si z wielkosygnałowymi własnociami wybranych elementów półprzewodnikowych: diody ze złczem pn oraz tranzystora bipolarnego i tranzystora polowego, a take pomiar wartoci wybranych parametrów impulsowych tych elementów. Przedmiotem wiczenia s dwie diody pn: prostownicza i impulsowa (przełczajca) oraz tranzystory pracujce w układzie łcznika: krzemowy tranzystor bipolarny npn małej mocy i polowy tranzystor złczowy JFT z kanałem typu n. 3. ZADANIA 3.1. ZADANIA DO WYKONANIA W LABORATORIUM a) OX D OY e(t) i(t) R = 50 Ω b) f e( t) t r c) i( t) I r = r R I f 0,1I r 0,9 I r t s t f t rr Q t Rys.5.1. Schemat układu do badania własnoci impulsowych diody (a), przebieg napicia e(t) (b) oraz odpowied prdowa i(t) (c) Zmierzy czasowe przebiegi prdu diody przy przełczaniu. Jak wida z rys.5.1a, do obserwacji przebiegów elektrycznych naley uy oscyloskopu dwukanałowego, obserwujc przebieg na wyjciu ródła na jednym kanale, na drugim za spadek napicia na rezystorze R o znanej wartoci rezystancji, co pozwoli na proste odtworzenie przebiegu prdu i(t). Przy pomiarze diody prostowniczej naley tak dobra czstotliwo ródła napicia, aby ujawniła si inercja elektryczna diody (dla badanej diody prostowniczej wynosi ona około 13

14 100 khz), a nastpnie ustawi wartoci napi f oraz r równe (co do modułu) 5 poprzez odpowiednie ustawienie amplitudy i składowej stałej z generatora impulsów prostoktnych. Na ekranie oscyloskopu zaobserwowa i nastpnie naszkicowa przy zachowaniu synchronizacji przebiegi napicia na zaciskach ródła e(t) oraz prdu diody i(t). Odczyta z ekranu oscyloskopu i zanotowa wartoci czasów trwania poszczególnych faz przełczania diody Powtórzy pomiary czasów przełczania diody dla jednej wybranej wartoci napicia f, np. 5, przy trzech wartociach napicia r. Nastpnie powtórzy pomiary dla jednej wybranej wartoci napicia r, np. 5, przy trzech wybranych wartociach napicia f. Przebiegów zaobserwowanych na ekranie oscyloskopu przy pomiarach z tego punktu nie trzeba zamieszcza w protokole Powtórzy pomiar z punktu dla diody impulsowej przy tej samej czstotliwoci pomiarowej Dla tranzystora bipolarnego na podstawie pomiaru stałego prdu kolektora oraz stałego prdu bazy, wykonanego w zakresie aktywnym normalnym, wyznaczy warto współczynnika β badanego elementu. W celu wyznaczenia wymienionych prdów wystarczy zmierzy spadki napicia stałego na rezystorach R oraz R B Zmierzy statyczn charakterystyk u WY (u W ) układu łcznika na tranzystorze bipolarnym, pokazanego na rys.5.2a przy napiciu zasilania = W układzie z rys.5.2a naley odłczy woltomierze napicia stałego oraz ródło wejciowego napicia stałego i jako ródło napicia wejciowego uy generatora fali prostoktnej. Dobra tak czstotliwo przebiegu wejciowego (dla badanego tranzystora wynosi ona około 40 khz), aby ujawniła si inercja elektryczna tranzystora oraz dobra tak amplitud tego przebiegu f, aby nastpowało przełczanie elementu midzy zakresami odcicia i nasycenia. Nastpnie naszkicowa zaobserwowane przebiegi u W (t) oraz u C (t), zachowujc synchronizacj przebiegu napicia wyjciowego wzgldem napicia wejciowego. Pomiary naley wykona przy jednej wybranej wartoci napicia f dla dwóch wybranych wartoci napicia r. Do obserwacji przebiegów napi i pomiarów poszczególnych faz czasu przełczania tranzystora naley uy oscyloskopu dwukanałowego. Odczyta z ekranu oscyloskopu i zanotowa wartoci czasów trwania poszczególnych faz przełczania tranzystora. a) R B u WY u WY R u W b) R B u WY u WY R u W Rys.5.2. Schemat łcznika na tranzystorze bipolarnym (a) oraz na tranzystorze polowym (b). 14

15 Powtórzy wymienione w punktach oraz czynnoci dla układu łcznika na tranzystorze polowym. Najpierw naley zmierzy statyczn charakterystyk u WY (u W ) układu łcznika na tranzystorze polowym, pokazanego na rys.5.1b. Uwaga jak wynika z zasady działania, badany tranzystor polowy JFT z kanałem typu n pracuje poprawnie przy ujemnych napiciach midzy bramk i ródłem ( f = 0). Nastpnie przy pomiarze własnoci impulsowych tak dobra warto napicia r przebiegu prostoktnego, aby nastpowało przełczanie tranzystora midzy zakresami przewodzenia i nieprzewodzenia oraz tak dobra czstotliwo (wynosi ona dla badanego tranzystora około 50 khz), aby ujawniła si inercja elektryczna elementu. Naszkicowa przy zachowaniu synchronizacji zaobserwowane na ekranie oscyloskopu przebiegi napicia wejciowego oraz wyjciowego ZADANIA DO WYKONANIA W DOMU Na podstawie pomiarów z punktu sporzdzi stosown tabelk i skomentowa wpływ napi f oraz r na czas przełczania diody Na wspólnym wykresie przedstawi zmierzon w punkcie oraz obliczon na podstawie wzoru (5.2) charakterystyk statyczn u WY (u W ) łcznika na tranzystorze bipolarnym. Do oblicze uy wyznaczon w punkcie warto parametru β tranzystora oraz wartoci rezystancji rezystorów R, R B i napicia zasilania uyte w badanym układzie. Krótko przedyskutowa zauwaone rónice midzy charakterystyk zmierzon i obliczon Na podstawie pomierzonych przebiegów u C (t) uzyskanych w punkcie odtworzy i naszkicowa przebieg i C (t) dla jednej, wybranej wartoci napicia r na wspólnym wykresie, łcznie z poprzednio naszkicowanymi przebiegami. Skomentowa krótko zaobserwowany wpływ napicia r na czas włczania i wyłczania tranzystora Na wykresie przedstawi zmierzon w punkcie charakterystyk statyczn łcznika z tranzystorem polowym. Zaznaczy granic midzy zakresami pracy tranzystora. Na podstawie otrzymanego z pomiarów impulsowych przebiegu napicia u DS (t) oszacowa wartoci czasu włczania i wyłczania tranzystora, przyjmujc analogiczne definicje tych czasów jak dla tranzystora bipolarnego. 15

16 WICZNI 6 WŁACIWOCI MAŁOSYGNAŁOW TRANZYSTORA BIPOLARNGO 1. CL I PRZDMIOT WICZNIA Celem wiczenia jest zapoznanie si z wybranymi parametrami małosygnałowymi i czstotliwociami charakterystycznymi (granicznymi) tranzystora bipolarnego oraz z jego zastosowaniem w układzie wzmacniacza. Przedmiotem wiczenia jest krzemowy tranzystor bipolarny npn redniej mocy, dla którego wyznacza si wartoci wybranych parametrów dla składowej sygnałowej oraz prosty układ wzmacniacza napiciowego z obcieniem rezystancyjnym, dla którego mierzy si warto wzmocnienia napiciowego UKŁAD WZMACNIACZA Na rys.6.3a podano schemat ideowy układu prostego wzmacniacza napiciowego obcionego rezystorem o rezystancji R2, za na rys.6.3b małosygnałowy schemat zastpczy tego układu dla niskich czstotliwoci, tzn. takich czstotliwoci, dla których mona pomin inercj elektryczn tranzystora. Warto pojemnoci C jest tak dobrana, e stanowi ona zwarcie dla sygnału wejciowego. Wzmocnienie napiciowe K u rozpatrywanego układu wyraa si wzorem K u U = U wy we = ( r + r ) ( G2 + g ) be g b m r be ce (6.12) gdzie G2 = 1/R2. Jak wida ze wzoru (6.12), przeprowadzane w wiczeniu pomiary umoliwiaj okrelenie wystpujcych w tym wzorze wartoci parametrów układu zastpczego tranzystora. a) R 1 R 2 C R B b) r b u we u wy R B R 1 U r be g ce R 2 U wy e(t) U we g m. U Rys.6.3. Układ wzmacniacza badany w wiczeniu (a) oraz jego małosygnałowy układ zastpczy (b) OPIS UKŁADÓW POMIAROWYCH Do realizacji pomiarów modułu parametrów h 21e oraz h 11e naley wykorzysta układ pokazany na rys.6.4. W układzie tym podany punkt pracy, tj. wartoci stałych prdów I B, I C oraz napicia U C, jest zapewniony przez wydajno ródła oraz rezystory R1 i R2. Naley przyj warto napicia = 5,5, natomiast wbudowany w układzie rezystor R2 zapewnia prd I C = 50 ma. Poniewa R1 = 10 Ω, wic U C = 5. Dobór małej wartoci rezystancji rezystora R1 zapewnia, z dobrym przyblieniem, spełnienie warunku zwarcia zacisków emiter kolektor dla składowej sygnałowej, zgodnie z definicj współczynnika h 21e wzór (6.1). 16

17 OX R 2 R 1 A C1 R 3 OY U ce U g U be e(t) Rys.6.4. Układ do pomiaru parametru h 21e oraz rezystancji wejciowej h 11e (po przełczeniu kanału OY do zacisku bazy). Ostatecznie, po pomiarze wartoci amplitud U ce oraz U g, warto modułu współczynnika h 21e mona obliczy według nastpujcego wzoru h 21e U U R R ce 3 = (6.15) g 1 Pomiar parametru h 11e moe by wykonany take w układzie z rys.6.4. W celu zapewnienia braku wpływu inercji elektrycznej tranzystora na wynik pomiaru naley wykona go przy niskiej czstotliwoci. Dla wyznaczenia amplitudy napicia U be naley zmierzy j uywajc oscyloskopu. Jeeli jednoczenie dokonuje si pomiaru napicia U g, to parametr h 11e mona wyznaczy ze wzoru h U = (6.16) be 11e R 3 U g U be Układ pomiarowy do wyznaczania pojemnoci C bc pokazano na rys.6.5. W układzie tym brak ródła zapewniajcego przepływ stałego prdu bazy oraz zwarcie zacisków złcza emiterowego rezystorem R2 o małej wartoci rezystancji powoduj, e tranzystor pracuje w zakresie odcicia (przytkania). Z kolei rezystor R1 o duej wartoci rezystancji zapewnia rozwarcie zacisków wyjciowych dla składowej sygnałowej a jednoczenie umoliwia odpowiedni polaryzacj złcza kolektorowego. Jak wynika z rys.6.3 oraz wzoru (6.10), pomiar amplitud napicia w punktach a i b pozwala wyznaczy warto pojemnoci C bc. C2 OY b OX a R 1 e(t) R 2 C1 Rys.6.5. Układ do pomiaru pojemnoci C bc. 17

18 OX OY A R R 1 2 c e a R 3 C1 e(t) Rys.6.6. Układ do pomiaru konduktancji wyjciowej h 22e. Na rys.6.6 pokazano układ do pomiaru konduktancji wyjciowej g ce tranzystora bipolarnego. Rezystor R2 słuy do ustawienia wartoci stałego prdu bazy zapewniajcego warto stałego prdu kolektora równ I C = 50 ma. Jeeli wydajno ródła napicia stałego wynosi = 10, to przez dobór wartoci rezystancji rezystorów R1 = R3 = 50 Ω zapewnia si warto stałego napicia U C = 5. Składowa sygnałowa napicia jest doprowadzona do kolektora przez pojemno C1 oraz rezystor R1. Rezystor R3 zabezpiecza ródło sygnału e(t) przed zwarciem przez ródło napicia stałego. Pomiar napicia zmiennego w punkcie a oraz na kolektorze tranzystora pozwalaj na okrelenie składowej sygnałowej prdu kolektora, a wic ostatecznie konduktancj g ce mona wyznaczy ze wzoru g ce U ae U = R U 1 ce ce (6.17) 3. ZADANIA DO WYKONANIA W LABORATORIUM W układzie z rys.6.4 wyznaczy zaleno modułu współczynnika h 21e od czstotliwoci z zakresu od 100 Hz do 5 MHz. Jako niskoczstotliwociow warto współczynnika h 21e przyj warto zmierzon przy f = 1 khz. Wyznaczy warto czstotliwoci f β, przy której warto modułu współczynnika h 21e zmaleje 2 -krotnie w porównaniu z wartoci dla f = 1 khz W układzie z rys.6.4 zmierzy warto parametru h 11e przy czstotliwoci f = 1 khz W celu okrelenia wzmocnienia napiciowego naley zmierzy za pomoc oscyloskopu warto napicia wejciowego oraz wyjciowego układu wzmacniacza pokazanego na rys. 3a w punkcie pracy U C = 5, I C = 50 ma, przy czstotliwoci sygnału harmonicznego f = 1 khz oraz rezystancji obcienia równej R2 = 100 Ω. Nastpnie zwikszajc amplitud napicia wejciowego naley zanotowa jego warto, przy której staj si widoczne zniekształcenia sygnału wyjciowego W układzie z rys.6.6 zmierzy warto konduktancji wyjciowej g ce tranzystora przy czstotliwoci f = 1 khz W układzie z rys.6.5 zmierzy warto pojemnoci złcza kolektorowego C bc przy czstotliwoci f = 50 khz ZADANIA DO WYKONANIA W DOMU 18

19 Na podstawie pomiarów wykonanych w punkcie wykreli w skali logarytmiczno liniowej zaleno modułu współczynnika h 21e od czstotliwoci. Na wykresie zaznaczy czstotliwo f β. Nastpnie naley wybra czstotliwo w zakresie opadania charakterystyki h 21e (f) i na jej podstawie z wzoru (6.5) wyznaczy czstotliwo f T. Na podstawie wzoru (6.6) obliczy warto czasu przelotu noników mniejszociowych przez baz tranzystora Obliczy ze wzoru (6.7) warto rezystancji wejciowej r be. Znajc uzyskan z pomiaru warto parametru h 11e, obliczy warto rezystancji rozproszonej bazy r b Na podstawie pomiarów z punktu obliczy warto konduktancji wyjciowej g ce tranzystora Na podstawie pomiarów z punktu obliczy warto pojemnoci C bc. Nastpnie znajc warto tej pojemnoci, obliczy ze wzoru (6.11) warto pojemnoci emitera C e Na podstawie pomiarów z punktu obliczy warto wzmocnienia napiciowego badanego układu wzmacniacza. Nastpnie naley wyznaczy warto wzmocnienia napiciowego K u korzystajc ze wzoru (6.12), znajc wyznaczone uprzednio wartoci elementów układu zastpczego tranzystora w przyjtym punkcie pracy. Warto transkonduktancji g m naley obliczy ze wzoru (6.8). 19

20 WICZNI 7 PÓŁPRZWODNIKOW LMNTY BZZŁ CZOW 1.CL I PRZDMIOT WICZNIA Celem wiczenia jest zapoznanie si z charakterystykami statycznymi oraz parametrami wybranych elementów bezzłczowych. Przedmiotem wiczenia s: termistory NTC oraz PTC, warystor i fotorezystor. 3. ZADANIA 3.1. ZADANIA DO WYKONANIA W LABORATORIUM W układzie z rys.7.1 zmierzy charakterystyki statyczne u(i) termistorów NTC oraz PTC umieszczonych w termostacie zawierajcym grzałk G, zaznaczonym na rys.7.1 lini kreskow, w dwóch temperaturach otoczenia: w temperaturze pokojowej oraz w temperaturze 340 K. Poniewa termiczna stała czasowa, okrelajca czas dochodzenia elementu do stanu termicznie ustalonego, jest rzdu dwóch minut, naley odczyt wartoci prdów i napi dokona po odpowiednio długim czasie, gdy nie bd si one zmieniały w istotny sposób. Jest to szczególnie wane dla wikszych wartoci mocy elektrycznej, kiedy wpływ samonagrzewania na zaleno u(i) termistora staje si istotny. Uwaga: Temperatura w termostacie ustala si po około 10 minutach od chwili jego załczenia. Włczenie termostatu nastpuje w pozycji 1 przełcznika z rys.7.1. a) b) R A R A G NTC G PTC 0 U grz 1 włcznik termostatu 0 U grz 1 włcznik termostatu Rys.7.1. Układ do pomiaru charakterystyk u(i) termistorów NTC (a) oraz PTC (b) W układzie z rys.7.2 zmierzy charakterystyk statyczn i(u) warystora w temperaturze pokojowej. 20

21 R warystor A Rys.7.2. Układ do pomiaru charakterystyk statycznych i(u) warystora W układzie z rys.7.3 zmierzy w temperaturze pokojowej charakterystyki statyczne i(u) fotorezystora nieowietlonego oraz owietlonego. Fotorezystor jest owietlony strumieniem emitowanym przez diod LD w pozycji 1 przełcznika z rys.7.3. R U L A LD R 0 fotorezystor 1 włcznik owietlenia fotorezystora Rys.7.3. Układ do pomiaru charakterystyk statycznych i(u) fotorezystora ZADANIA DO WYKONANIA W DOMU Na wspólnym wykresie wykreli zmierzone dla dwóch temperatur otoczenia charakterystyki u(i) termistora NTC Na podstawie pomiarów zalenoci u(i) w zakresie liniowym wyznaczy wartoci parametrów R 25 oraz B badanego termistora NTC. Korzystajc z wzoru (7.3) obliczy dla tego elementu warto współczynnika TWR w temperaturze pokojowej. W wybranym punkcie pracy z zakresu nieliniowoci charakterystyk u(i) wyznaczy dla dwóch temperatur otoczenia wartoci rezystancji statycznej i rezystancji przyrostowej termistora Na wspólnym wykresie wykreli zmierzone dla dwóch temperatur otoczenia charakterystyki u(i) termistora PTC. W wybranym punkcie pracy z zakresu nieliniowoci charakterystyk u(i) wyznaczy dla dwóch temperatur otoczenia wartoci rezystancji statycznej i rezystancji przyrostowej termistora Wykreli w skali logarytmiczno-logarytmicznej zmierzon charakterystyk i(u) warystora. Na jej podstawie wyznaczy wartoci parametrów α oraz K statycznego modelu warystora Na wspólnym wykresie wykreli zmierzone charakterystyki statyczne i(u) fotorezystora. Wyznaczy wartoci rezystancji fotorezystora nieowietlonego oraz owietlonego. 21

22 WICZNI 8 POJMNO DIODY Z ZŁ CZM PN 1. CL I PRZDMIOT WICZNIA Celem wiczenia jest zapoznanie si z charakterystykami pojemnociowo - napiciowymi C(u) diod ze złczem pn, spolaryzowanych zaporowo, oraz wyznaczenie wartoci parametrów modelu C(u) wybranych diod. Przedmiotem wiczenia s róne typy diod krzemowych: dioda impulsowa, dioda prostownicza, dioda Schottky ego oraz złcze emiterowe tranzystora bipolarnego. 3. ZADANIA 3.1. ZADANIA DO WYKONANIA W LABORATORIUM Zmierzy warto czstotliwoci wyjciowej układu pomiarowego f r przy C1 = 0 oraz f 1 przy podłczeniu pojemnoci o znanej wartoci C2. Nastpnie na podstawie wzorów (8.4) wyznaczy wartoci elementów L oraz C S Po dołczeniu kolejno diod DB pomierzy zalenoci czstotliwoci wyjciowej f(u) układu pomiarowego od napicia polaryzujcego diody. Nastpnie na podstawie wzoru (8.5) wyznaczy charakterystyki C(u) w zakresie zaporowym diod wskazanych przez prowadzcego zajcia ZADANIA DO WYKONANIA W DOMU Wyznaczy warto wykładnika potgowego m dla zmierzonych diod ze wzoru C j0 ln C( u1) m = (8.6) u 1 ln 1 U D gdzie u 1 oraz C(u 1 ) s współrzdnymi wybranego punktu na charakterystyce C(u) badanej diody. W obliczeniach na podstawie wzoru (8.6) przyj warto napicia dyfuzyjnego równ 0,7 oraz uzyskan z pomiaru warto pojemnoci C j0 (odpowiadajc u = 0). Przyj warto napicia u 1 równ około -2. W obliczeniach naley uwzgldni fakt, e napicie na złczu jest ujemne Na podstawie znanych z pomiaru i wyznaczonych wartoci parametrów modelu C(u) diod obliczy i wykreli na wspólnym wykresie obliczone zalenoci C(u) i zalenoci uzyskane z pomiarów. Skomentowa ewentualne rozbienoci. 22

23 LITRATURA POMOCNICZA DO LABORATORIUM Z PRZDMIOTU LMNTY PÓŁPRZWODNIKOW [1] Stepowicz W.J., Zarbski J.: Laboratorium z elementów elektronicznych. Wydawnictwo WSM w Gdyni, Gdynia 1989 (wydanie 1), 1994 (wydanie 2). [2] Stepowicz W.J.: lementy półprzewodnikowe i układy scalone. Wydawnictwo Politechniki Gdaskiej, Gdask, [3] Stepowicz W.J.: lementy półprzewodnikowe. Wydawnictwo Akademii Morskiej, Gdynia, [4] Marciniak W.: Przyrzdy półprzewodnikowe i układy scalone. WNT, Warszawa, [5] Kołodziejski J., Spiralski L., Stolarski.: Pomiary przyrzdów półprzewodnikowych. WKiŁ, Warszawa