E-3A BADANIE CHARAKTERYSTYK DIODY I TRANZYSTORA METODĄ OSCYLOSKOPOWĄ

Transkrypt

1 BADANIE HARAKTERYSTYK DIODY I TRANZYSTORA METODĄ OSYLOSKOPOWĄ I. el ćwiczeia: wyzaczeie charakterystyki diody Zeera, charakterystyk trazystora - oraz -- w układzie wsólego emitera (WE), zaozaie się z odstawowymi właściwościami trazystora i oscyloskoową metodą badaia charakterystyk rądowo-aięciowych. II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wrowadzeie łytka motażowa, trasformator reguloway TRP 200, zasilacz stabilizoway, dzielik aięcia DNa-18, multimetr cyfrowy, mikroameromierz i miliwoltomierz rądu stałego, oscylosko STD 501XY lub HM 303 (lub iy dwukaałowy), mierik arametrów trazystorów MTD W. Marciiak Przyrządy ółrzewodikowe i układy scaloe, WNT, Warszawa R.. Śledziewski Elektroika dla fizyków, PWN, Warszawa I. Rydzewski Oscylosko elektroiczy, WKŁ, Warszawa M. Rusek, R. Ćwirko, W. Marciiak Przewodik o elektroice, WNT, Warszawa IV.1 Półrzewodik Powszechie stosowaym kryterium klasyfikacji ierwiastków (ciał stałych) jako rzewodików, ółrzewodików i izolatorów jest kryterium wyikające z modelu asmowego ciała stałego. Według tego kryterium szerokość asma zabroioego E dla ółrzewodików sełia waruek E < 2eV, a dla izolatorów waruek E > 2eV. W rzewodikach atomiast asma rzewodictwa i walecyje zachodzą a siebie. Podstawowym ółrzewodikiem jaki wykorzystuje obecie elektroika jest krzem, w miejszym stoiu - germa. Krzem i germa to ierwiastki ależące do IV gruy układu okresowego o szerokości asma zabroioego wyoszącej odowiedio 1,1eV i 0,7eV. Idealie czysty, bez domieszek i defektów sieci krystaliczej ółrzewodik to tzw. ółrzewodik samoisty. Elektroy walecyje w ółrzewodiku samoistym mogą,. dzięki eergii drgań cielych rzechodzić do asma rzewodictwa. W wyiku takiego rzejścia w mookrysztale krzemu czy też germau owstaje ara swobodych ośików ładuku: elektro w aśmie rzewodictwa i dziura - czyli ouszczoe rzezeń miejsce w wiązaiu kowalecyjym, osiadające właściwość swobodego ładuku dodatiego. Liczby elektroów i dziur w jedostce objętości (kocetracje) ółrzewodika samoistego są zawsze takie same w rzeciwieństwie do ółrzewodików domieszkowaych. Domieszki dzielimy a doorowe i akcetorowe. Jako domieszek doorowych używa się ierwiastków z gruy V -tej : fosforu, arseu, atymou osiadających elektroy a oziomach eergetyczych, leżących w aśmie zabroioym ółrzewodika samoistego w obliżu graicy asma rzewodictwa. W rzyadku krzemu z domieszką fosforu wystarczy dostarczyć elektroowi walecyjemu fosforu zaledwie 0,044eV dodatkowej eergii, aby stał się o elektroem rzewodictwa. Powstająca wówczas w oziomie doorowym (rys.1) dziura ie osiada właściwości ładuku swobodego i w tak domieszkowaym ółrzewodiku kocetracja elektroów 1

2 swobodych jest większa od kocetracji swobodych dziur ółrzewodik taki azywamy ółrzewodikiem tyu. Wrowadzając w siatkę krystaliczą krzemu atomy ierwiastków z III gruy,. boru czy gliu o oziomie akcetorowym w obliżu graicy asma walecyjego i zabroioego otrzymujemy ółrzewodik tyu o większej w orówaiu z elektroami rzewodictwa kocetracji swobodych dziur. Elektroy rzewodictwa w takim ółrzewodiku azywamy ośikami miejszościowymi, zaś dziury ośikami większościowymi. W temeraturze okojowej eergia drgań cielych jest wystarczająca, aby większość elektroów rzeszła z oziomów doorowych do asma rzewodictwa, a oziom akcetorowy został częściowo zaełioy rzez elektroy walecyje ółrzewodika odstawowego. Przeływ rądu rzez ółrzewodik olegać może zarówo a uoszeiu elektroów i dziur w olu elektryczym (rąd uoszeia) jak i a dyfuzji ośików ładuku wywołaej ierówomierym rozkładem ich kocetracji (rąd dyfuzyjy). Wystęuje rówież zjawisko rekombiacji elektroów i dziur czyli zaikaia swobodych ośików ładuku. eergia elektr. Pasma: rzewodictwa zabroioe walecyje 293 K eergia elektr. Poziomy: doorowy akcetorowy ółrzew. tyu 0 K ółrzew. tyu Rys.1 Poziomy doorowe i akcetorowe w temeraturze zera bezwzględego i w temeraturze okojowej. IV.2 Złącze - Mookrystaliczą róbkę ółrzewodika utworzoą rzez dwie warstwy ółrzewodików tyu i azywamy złączem -. Złącze takie wraz z wyrowadzeiami elektryczymi i obudową tworzy diodę ółrzewodikową. Możemy wyróżić trzy odstawowe stay elektrycze złącza -. IV.2.1 Złącze iesolaryzowae Jeżeli do złącza ie jest rzyłożoe aięcie zewętrze, to rzez złącze łyie rąd dyfuzyjy - elektroy z warstwy rzechodzą do warstwy, a dziury dyfudują z warstwy do. Gdyby elektroy i dziury były cząstkami obojętymi elektryczie, to roces te musiałby dorowadzić do wyrówaia się kocetracji w ółrzewodiku. W rzeczywistości ieskomesowae ładuki rzestrzee, owstające wskutek dyfuzji owodują wytworzeie różicy otecjałów, azwaej aięciem dyfuzyjym lub barierą otecjału (rys.2a). Naięcie dyfuzyje zaobiega 2

3 wyrówaiu się kocetracji - rzez złącze łyie rąd uoszeia o takim samym atężeiu, jak atężeie rądu dyfuzyjego, ale rzeciwym kieruku. ałkowite atężeie rądu łyącego rzez złącze jest rówe zeru. obszar bariery otecjału U + U d b) ρ 0 obszar eutraly x + U U U d V c) 0 a) U d x U + Rys.2 Złącze iesolaryzowae a): ρ gęstość ładuków ieskomesowaych, V otecjał, U d aięcie dyfuzyje; złącze solaryzowae zaorowo b); złącze solaryzowae w kieruku rzewodzeia c) IV.2.2. Złącze solaryzowae w kieruku zaorowym W tym rzyadku aięcie zewętrze jest zgode co do zaku z aięciem dyfuzyjym, a różica otecjałów obu warstw jest rówa sumie obu aięć (rys 2b). Przez złącze łyie rąd uoszeia ośików miejszościowych w rzybliżeiu iezależy od rzyłożoego aięcia (rąd asyceia rys 3). I U z 0 U kieruek zaorowy kieruek rzewodzeia U Rys.3 harakterystyka rądowo - aięciowa złącza -; U z aięcie Zeera dla diody Zeera. 3

4 IV.2.3 Złącze solaryzowae w kieruku rzewodzeia Jeżeli wartość bezwzględa zewętrzej różicy otecjałów jest większa od wartości bezwzględej aięcia dyfuzyjego, a zaki obu aięć są rzeciwe, to rzez złącze łyie rąd uoszeia ośików większościowych o atężeiu zaczie większym od atężeia rądu uoszeia ośików miejszościowych w rzyadku olaryzacji złącza w kieruku zaorowym (rys 3). IV.2.4 Zjawisko Zeera i rzebicie lawiowe Przebiciem złącza azywamy zjawisko gwałtowego wzrostu atężeia rądu o rzekroczeiu ewej wartości aięcia olaryzującego złącza w kieruku zaorowym. Przebicie złącza może mieć charakter lawiowy, gdy wzrost atężeia jest sowodoway lawiową geeracją ar elektro-dziura rzez dostateczie szybko oruszające się ośiki ładuku lub też może być astęstwem zjawiska Zeera olegającego a wyrywaiu elektroów z wiązań kowalecyjych w olu elektryczym o dostateczie wysokim atężeiu. Przebicie złącza może rowadzić do jego ziszczeia, o ile ilość wydzieloego w złączu cieła jest zbyt duża. Oba rodzaje rzebicia - Zeera i lawiowe zalazły owszeche zastosowaie w elektroice. Poieważ zjawisko Zeera wystęuje w diodzie o odowiediej kostrukcji rzy ściśle określoym aięciu (dla daej temeratury), dlatego diody Zeera stosowae są jako źródła aięć odiesieia, jako elemety zabezieczające układy elektroicze rzed uszkodzeiami mogącymi wyikąć z owodu rzekroczeia douszczalego dla ich aięcia oraz jako elemety stabilizujące aięcie. IV.3 Trazystor biolary Najowszechiej stosowaym dziś trazystorem jest trazystor biolary o dwuzłączowej strukturze -- lub --, w którym oszczególe obszary, różiące się stoiem i rodzajem domieszkowaia oszą azwę emitera, bazy i kolektora (rys.4). Zasadiczym rzezaczeiem trazystora jest wzmaciaie sygałów zarówo rądu stałego jak i zmieego, rzy czym tzw. ormaly zakres aktywy racy trazystora, jako wzmaciacza olega a solaryzowaiu złącza emiter-baza w kieruku rzewodzeia, a złącza baza-kolektor w kieruku zaorowym. Większościowe ośiki ładuku od wływem ola elektryczego rzechodzą z emitera do bazy, by astęie wskutek dyfuzji rzejść do kolektora. Natężeie rądu łyącego rzez złącze baza - kolektor raktyczie ie zależy od różicy otecjałów między bazą a kolektorem ( U ), atomiast jest w ierwszym rzybliżeiu wrost roorcjoale do liczby ośików ładuków większościowych (dla emitera) doływających do bazy. Włączeie w obwód kolektora dużej oorości daje możliwość uzyskaia b. dużego wzmocieia aięciowego, gdyż małe zmiay rądu sterującego owodują wówczas b. duże zmiay aięcia wyjściowego. E E B B E E Rys.4 Schematycze rzedstawieie trazystora -- i --: E emiter, B baza, kolektor. 4

5 IV.3.1 Sosoby włączaia trazystora Trazystor biolary osiada trzy odstawowe wyrowadzeia elektrycze, iemiej włączoy w dwurzewodową liię rzekazującą sygały staje się czwórikiem czyli układem o dwóch arach wyrowadzeń arze wyrowadzeń wejściowych i arze wyrowadzeń wyjściowych (rys.5). Wyika stąd wiosek, iż jedo z odstawowych wyrowadzeń elektryczych trazystora musi być wyrowadzeiem wsólym dla wejścia i wyjścia trazystora ełiącego fukcję czwórika. 1 2 U we I we Wejście ZWÓRNIK Rys.5 zwórik: U we aięcie wejściowe, U wy aięcie wyjściowe, K u = U wy /U we wsółczyik wzmocieia aięciowego, K i = I wy /I we wsółczyik wzmocieia rądowego, R we oorość wejściowa (między zaciskami 1, 2), R wy oorość wyjściowa (między zaciskami 3, 4) I wy U wy Wyjście 3 4 WE WB a) W b) c) +U (zasilaie) R R źródło sygału ~ Wejście R 2 R E Wyjście E oór obciążeia d) Rys.6 Układ wsólego emitera a), wsólej bazy b) i wsólego kolektora c), schemat ajrostszego wzmaciacza zbudowaego a trazystorze racującym w układzie WE d). 5

6 W zależości od tego, czy jest to wyrowadzeie emitera, bazy lub kolektora układ osi azwę układu wsólego emitera (WE rys.6a), wsólej bazy (WB rys.6b), lub wsólego kolektora (W rys.6c). Schemat wzmaciacza aięciowego z trazystorem -- w układzie wsólego emitera jest rzedstawioy a rys.6d. Właściwości oszczególych układów są rzedstawioe w tabeli I. Tabela I Właściwości odstawowych układów trazystora biolarego Układ Wzmocieie rądowe K i Wzmocieie aięciowe K u Imedacja wejściowa R we Imedacja wyjściowa WE duże duże mała duża W ajwiększe małe ajwiększa ajmiejsza WB małe ajwiększe ajmiejsza ajwiększa IV.3.2 harakterystyki statycze trazystora w układzie WE Najbardziej istotymi charakterystykami są : charakterystyka rzejściowa I c = f (IB) UE = cost I E I B = cost czyli zależość atężeia rądu kolektora od rądu bazy rzy stałym aięciu kolektor emiter oraz charakterystyka wyjściowa = f (U ) w ostaci zależości rądu kolektora od aięcia kolektor emiter rzy stałym atężeiu rądu bazy. Rodzia charakterystyk wyjściowych rzedstawioa jest a rys.7. W tabeli II rzedstawioo klasyfikację zakresów racy trazystora w zależości od rodzaju olaryzacji jego złącz. Tabela II Polaryzacja złącza E B P P Z Z B Z P Z P Zakres racy aktywy ormaly asyceia zatkaia aktywy iwersyjy Symbole w tabeli ozaczają: P olaryzację w kieruku rzewodzeia, a Z olaryzację w kieruku zaorowym. W ormalym zakresie racy otecjały emitera, bazy i kolektora owiy sełiać waruek : V > V B > V E dla trazystora -- i V < V B < V E dla trazystora --. Badaie charakterystyk za omocą mierików i źródeł rądu stałego jest metodą racochłoą (o ile ie korzysta się ze secjalych mierików rzezaczoych wyłączie do tego celu), a w dodatku może być mało dokłade ze względu a wzrost temeratury badaego trazystora odczas długotrwałego omiaru. Zaczie szybszą metodą jest omiar secjalym oscyloskoem, 6

7 zwaym charakterografem lub też zwykłym oscyloskoem wyosażoym dodatkowo w odowiedi układ omociczy. I [ma] 30 µa U E 20V 20 µa I B 10V 10 µa I B [µa] 0 µa 1 µa 5 µa 30 µa U E [V] I B U E 10V 20V U BE [V] V. Pomiary Rys.7 harakterystyki trazystora biolarego w układzie wsólego emitera. V.1 Srawdzaie układu do wyzaczaia charakterystyk rądowo-aięciowych Metoda oscyloskoowa wyzaczaia charakterystyk rądowo aięciowych olega a zasilaiu obwodu aięciem okresowo zmieym (dodatim, ujemym, rzemieym), rzy czym aięcie owstające a badaym elemecie dorowadzae jest do toru odchylaia oziomego oscyloskou, atomiast aięcie a ooriku włączoym w szereg z badaym elemetem do toru odchylaia ioowego (rys.8 i 11). Poieważ to ostatie aięcie jest roorcjoale do atężeia rądu łyącego rzez baday elemet, a oadto osiada tą samą fazę co rąd a ekraie oscyloskou owstaje liiowe odwzorowaie wykresu I = f(u) w skali jedozaczie określoej rzez wartości wsółczyików odchylaia torów X i Y oraz oorość oorika szeregowego. Gdy badamy elemety ółrzewodikowe, to zawsze włączamy w obwód oór obciążeia, ograiczając moc strat cielych w badaej diodzie czy trazystorze. Dla tyowych elemetów oraz aięć ie rzekraczających 24 V wartość ooru obciążeia ie owia być miejsza od 2 kω. Podczas badaia charakterystyki owiie być sełioy jeszcze jede waruek. Otóż faza sygału elektryczego, dorowadzoego do wejścia Y oscyloskou ie może ulec zmiaie odczas rzejścia rzez tor odchylaia (w stosuku do sygału, dorowadzoego do wejścia X). Iymi słowy oba tory odchylaia ie mogą wrowadzać dodatkowych rzesuięć fazowych. Dlatego też odczas omiarów oba wejścia oscyloskou owiy być wejściami stałorądowymi (" = ", "D ") a jeśli oscylosko wyosażoy jest w ograicziki asma rzeoszeia to ograiczeia owiy być takie same dla wejść X i Y. W celu srawdzeia układu omociczego ależy w ierwszej kolejości wyzaczyć (multimetrem cyfrowym omomierzem) oorość oorika szeregowego, dołączoego do zacisku rzezaczoego dla emitera trazystora (rys.9). 7

8 A E a) R V Z x Z x b) We =X Z X c) We =Y We =X Z X d) We =Y Rys.8 Wyzaczaie charakterystyki rądowo aięciowej elemetu Z X metodą "ukt o ukcie" (a), metodą oscyloskoową aięciem rzemieym (b), aięciem dodatim (c) i aięciem ujemym (d). Nastęie ustalamy określoą wartość ooru obciążeia amiętając, iż ie może być oa miejsza od 2kΩ. Koleją czyością jest srawdzeie, czy oscylosko ie wrowadza dodatkowych rzesuięć fazowych. W tym celu do zacisków E i (rys. 9) dołączamy oorik o wyzaczoej orzedio oorości i budujemy obwód, rzedstawioy schematyczie a rys.9b. Na odstawie obrazu otrzymaego a ekraie oscyloskou ależy oceić, czy oscylosko ie wrowadza rzesuięć fazowych (w rzyadku braku rzesuięcia fazowego a ekraie ojawia się odciek liii rostej; jeśli rzesuięcie fazowe istieje, ojawia się elisa rys.10), jaki jest kie- 8

9 ruek włączeia diody rostowiczej, a oadto obliczyć oorość badaego oorika i orówać ją z wartością wyzaczoą za omocą omomierza cyfrowego. UWAGA! Dołączeie elemetu zajdującego się od aięciem do wejścia omomierza grozi jego uszkodzeiem. Podczas omiaru oorości elemetu wchodzącego w skład układu, układ te musi być odłączoy od zewętrzych źródeł aięcia, a baday elemet ie może wchodzić w skład obwodu zamkiętego. R B B E a) TRP 200 We =X 230V R b) E We =Y Rys.9 Schemat ołączeń wewętrzych łytki motażowej (a) oraz schemat obwodu rzezaczoego do srawdzaia układu omiarowego metodą wyzaczaia charakterystyki rądowo-aięciowej oorika (b) : giazdka radiowe izolowae, giazdka radiowe, zaciski. Wartości elemetów łytki motażowej: = 2kΩ (w obwodzie kolektora), ołączoy z im szeregowo otecjometr 0 4 kω; R B = 5,4 kω (w obwodzie bazy), ołączoy z im szeregowo 10 cio obrotowy otecjometr 10 kω; = 210 Ω, (w obwodzie emitera). H h Y h ϕ = arcsi H X Rys.10 Sosób określaia faz (rzesuięcia fazowego) dwóch siusoidalie zmieych w czasie sygałów elektryczych dorowadzoych do układów odchylaia oziomego i ioowego lamy oscyloskoowej. 9

10 V.2 Wyzaczaie charakterystyki diody Zeera i trazystora 1. Wyzaczyć charakterystykę diody Zeera w kieruku rzewodzeia, w kieruku zaorowym oraz w obu kierukach jedocześie. Zmierzyć dokładie wartość aięcia Zeera. 2. Srawdzić za omocą omomierza, które z zacisków dzielika aięć są ołączoe bezośredio ze sobą (oorością bliską zera) iezależie od stoia odziału aięcia wejściowego. Zaciski te owiy być uziemioe odczas zasilaia obwodu bazy z zasilacza stabilizowaego rzez dzielik (rys.11). TRP 200 = 2 kω We X = 230V a) We +Y = TRP V U B mv µa B E We X = We +Y = b) Zasil. stabil. U B + dzielik aięcia Rys. 11 Schemat układu do badaia: (a) charakterystyki diody Zeera w kieruku rzewodzeia, (b) trazystora Za omocą mierika MTD określić ty badaego trazystora i srawdzić, czy ie jest o uszkodzoy. zyości te wykoać według osobej istrukcji, dostęej a racowi. 4. Wyzaczyć charakterystyki wyjściowe I = f (U E ) trazystora --, a astęie -- dla miimum ięciu wartości atężeia rądu bazy i tego samego, zaego ooru obciążeia. 5. Po zakończeiu omiarów srawdzić, jaki wływ a charakterystyki wywiera zmiaa ooru obciążeia. 10

11 TRP V +U B mv µa B E We +X = We Y = Zasil. stabil. + + U B c) dzielik aięcia Rys.11c Schemat układu do badaia charakterystyki trazystora --. VI. Oracowaie wyików 1. Wykreślić otrzymae charakterystyki rądowo-aięciowe z odaiem tyu elemetu i wartości ooru obciążeia, a w rzyadku diody Zeera odać wartość aięcia Zeera wraz z oceą błędu. Oszacować wartość oorości dyamiczej diody R d = du/di oraz oorości statyczej R s = U/I, gdzie U jest sadkiem otecjału a diodzie, atomiast I atężeiem łyącego rzez ią rądu. 2. Dla każdego z badaych trazystorów wykreślić charakterystykę I = f (IB) UE = cost (rzej- β =. ściową) i obliczyć wartość wsółczyika wzmocieia rądowego ( I I B ) = cost 3. Przerowadzić dyskusję wyików. UE 11