Wydział lektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STDA DZNN LABORATORM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZWODNKOWYCH Ćwiczenie nr 1 Badanie tranzystora jednozłączowego Wykonując pomiary PRZSTRZGAJ przepisów BHP związanych z obsługą urządzeń elektrycznych. szkodzenia bądź nieprawidłowości w funkcjonowaniu urządzeń ZGŁOŚ prowadzącemu zajęcia. rządzenia uszkodzone ODSTAW na stół z opisem Po wykonaniu pomiarów: ROZŁĄCZ układy pomiarowe. WYŁĄCZ zasilanie urządzeń i stołu, ŁÓŻ przewody w uchwytach, ODSTAW urządzenia przestawione z innych stanowisk na ich pierwotne miejsce. Wrocław 2009
2 Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych Badanie tranzystora jednozłączowego Ćwiczenie nr 1 1. Cel ćwiczenia W trakcie ćwiczenia badane będą charakterystyki prądowo-napięciowe tranzystora jednozłączowego oraz praca tego tranzystora w układzie prostego generatora relaksacyjnego. Na ich podstawie możliwe będzie wyznaczenie podstawowych parametrów tranzystora: p, v, p, v, η oraz porównanie ich wartości w zależności od sposobu wyznaczania. 2. Zagadnienia do przygotowania Budowa i zasada działania tranzystorów jednozłączowych (JT). Definicje parametrów tranzystora jednozłączowego. Zasada pracy tranzystora jednozłączowego: - w układach przełączania - w układach generatora oscylacyjnego 3. Literatura pomocnicza: [1] F.F. Driscoll, R.F. Coughlin - Przyrządy półprzewodnikowe i ich zastosowanie, WNT, Warszawa 1978 [2] Praca zbiorowa Poradnik inżyniera elektronika [3] W. Marciniak - Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, Warszawa 1984 [4] T. Ohly, Z. Radzimski - lementy elektroniczne Pomoce do laboratorium, cz., skrypt, Wrocław 1980, s.39-42.
3 4. Wstęp Jednym z interesujących przyrządów półprzewodnikowych jest tranzystor jednozłączowy JT (nijunction Transistor), zwany także czasami dwubazową diodą. Jest to trójzaciskowy przyrząd bipolarny, którego charakterystyka prądowo-napięciowa typu S posiada zakres ujemnej rezystancji (w odróżnieniu od diody tunelowej, której charakterystyka jest typu N i również posiada odcinek o ujemnej rezystancji). Schematyczną ideę budowy, sposób polaryzacji, symbole oraz schemat zastępczy tranzystora jednozłączowego pokazano na Rys.1. lementy te mogą posiadać obszary baz typu p lub n oraz obszar emitera tworzący z bazami złącze typu p-n. Ze względu jednak na zasadę działania i związane z tym uzyskiwane parametry tranzystorów przeważnie wykonuje się je jako elementy z bazami typu n, w związku z tym dalsze rozważania przedstawione zostaną dla takiego typu tranzystora. a) B2 b) B2 + p a b + B B bazy typu n B2 n bazy typu p c) B2 R2 B B B R1 B B 1 Rys.1. Tranzystor jednozlączowy: a) idea budowy i polaryzacja; b) symbole graficzne; c) schemat zastępczy., BB - napięcia polaryzujące, odpowiednio emiter i bazę; R 1, R 2 - rezystancja obszaru odpowiednio bazy pierwszej i drugiej; spadek napięcia na złączu baza-emiter, B spadek napięcia na bazie pierwszej, b całkowita długość bazy, a - długość bazy o modulowanej rezystancji
4 Tranzystor jednozłączowy należy zawsze polaryzować w następujący sposób: 1) do bazy drugiej B2 doprowadza się wyższy potencjał niż do bazy pierwszej co powoduje dla bazy typu n, że złącze emiter-baza pierwsza polaryzuje się wstępnie zaporowo; 2) złącze emiter-baza pierwsza polaryzujemy tak, aby to złącze pracowało w kierunku przewodzenia. Charakterystyka prądowo-napięciowa tranzystora jednozłączowego jest przedstawiona na Rys.2. Jeżeli napięcie BB między bazami będzie miało wartość zero, to charakterystyka prądowo-napięciowa obwodu emiter-baza pierwsza tego tranzystora będzie charakterystyką diody (krzywa 1). Przyłożone do obszaru bazy drugiej napięcie BB powoduje przepływ prądu przez bazę. Prąd ten zależy od wartości rezystancji bazy R BB i powoduje, że w punkcie B przy złączu emiter-baza pierwsza odkłada się napięcie B wynikające z dzielnika napięcia R 1 /(R 1 +R 2 ). Wartość tego napięcia zależy od napięcia BB i wynosi B' = R1 R + R 1 2 BB Dla wartości napięć między emiterem a bazą pierwszą mniejszych od wartości B złącze emiterowe spolaryzowane jest w kierunku zaporowym i w tym obwodzie płynie prąd zaporowy, a tranzystor jest w stanie nieprzewodzenia. Gdy B, złącze emiter-baza pierwsza polaryzuje się w kierunku przewodzenia i zaczyna przewodzić prąd. Jeżeli rezystancje bazy byłyby stałe, to przy wzroście napięcia zasilania, prąd emitera rósłby zgodnie z krzywą 2. Wzrost prądu emitera powoduje jednak wzrost poziomu wstrzykiwanie nośników ( w przypadku emitera typu p dziur ), co zmienia koncentrację nośników w bazie ( zwiększa ją ). Wstrzykiwane w obszar bazy nośniki unoszone są w polu elektrycznym w stronę bazy pierwszej zmniejszając jej rezystancję R 1, co z kolei zmniejsza polaryzację zaporową B, zwiększa spadek napięcia na złączu i powoduje odpowiedni (eksponencjalny) wzrost gęstości prądu nośników wstrzykiwanych do bazy. stnieje więc tutaj klasyczny mechanizm dodatniego sprzężenia zwrotnego, działającego do momentu kiedy wartość rezystancji R 1 przestanie się zmieniać i osiągnie określoną wartość równowagową. Ten mechanizm odpowiedzialny jest za odcinek ujemnej rezystancji na charakterystyce prądowo-napięciowej. Od tego momentu kształt charakterystyki prądowo-napięciowej jest podobny kształtem do charakterystyki klasycznej diody półprzewodnikowej.
5 m a x v p v p s a t 1 3 2 B 1 Rys.2 Charakterystyka prądowo-napięciowa tranzystora jednozłączowego. max - maksymalny prąd emitera, v - prąd doliny i odpowiadające mu napięcie doliny v,, p - prąd szczytu i odpowiadające mu napięcie szczytu p, sat - napięcie nasycenia emitera, 1 - charakterystyka diody, 2 hipotetyczna charakterystyka w przypadku stałych rezystancji bazy, 3 rzeczywista charakterystyka tranzystora jednozłączowego. Najważniejszymi parametrami tranzystora jednozłączowego są: wewnętrzny współczynnik blokowania η, inaczej nazywany współczynnikiem podziału napięć i definiowany jako: η = p - BB rezystancja międzybazowa R BB =(R 1+R 2,); napięcie nasycenia sat (napięcie emiter-baza pierwsza) przy maksymalnym prądzie emitera max ; napięcie i prąd doliny v, v ; napięcie i prąd szczytu p, p Tranzystorów jednozłączowych używa się do budowy przerzutników astabilnych, bistabilnych i monostabilnych oraz w układach generatorów piłokształtnych. Przerzutnikowe działanie tych tranzystorów polega na włączaniu lub wyłączaniu określonych obwodów przy odpowiednio wysokim sterowaniu napięciowym. Najczęściej tę przerzutnikową właściwość stosuje się w układach włączających tyrystory lub triaki. Podczas ćwiczenia badany będzie najprostszy układ generatora, który jest przedstawiony na Rys.5. Generacja w takim układzie pojawia się tylko wtedy, gdy tranzystor pracuje w zakresie ujemnej rezystancji. Dla odpowiednio wybranych wartości rezystancji R w układzie generatora kondensator C będzie ładował się do wartości p, po czym rozładowuje się przez złącze emiterowe i rezystor R L do wartości v. mpulsy prądowe pojawiające się w trakcie rozładowywania się kondensatora C pojawią się tylko wtedy, gdy punkt pracy tego tranzystora v
6 będzie znajdował się między punktami szczytu ( p, p ) a doliny ( v, v ) na charakterystyce prądowo-napięciowej. Jeżeli wartość rezystora R będzie za duża w obwodzie ładowania kondensatora C nie przekroczymy poziomu prądu szczytu p i tranzystor będzie pracował w stanie zablokowania. Jeżeli wartość R będzie za mała tranzystor będzie pracował w stanie nasycenia i również nie będzie zachodziła generacja. Wartości tej rezystancji zależą od parametrów tranzystora jednozłączowego, a dokładniej od położenia punktów szczytu i doliny na charakterystyce prądowo-napięciowej według następujących zależności: R min = BB v v Częstotliwość generacji zależeć będzie od stałej ładowania kondensatora, czyli od stałej R C oraz od zakresu napięć szczytu i doliny tranzystora jednozłączowego ( a więc zakresu napięć ładowania i rozładowywania się kondensatora). Okres drgań można określić wzorem: T R BB v = RC ln. BB p Tranzystory jednozłączowe są wytwarzane z wysokorezystywnego krzemu (ρ> 40 Ω cm), co stwarza problemy z dużym uzyskiem w procesach technologicznych i powtarzalnością wynikowych parametrów wykonywanych elementów (patrz Tabela), dlatego też coraz częściej przyrząd ten jest wypierany przez PT (Programmable nijunction Transistor). Jest to para komplementarnych tranzystorów bipolarnych odpowiednio połączonych. Strukturę, zarówno rzeczywistą jak i ideową, schemat zastępczy oraz symbol takiego przyrządu przedstawiono na Rys.3. Należy podkreślić, że PT, mimo że posiada charakterystykę prądowo-napięciową bardzo zbliżoną do JT, to ze względu na swą budowę jest zaliczany do grupy prostowników sterowanych, czyli tyrystorów (diód czterowarstwowych). Jego cecha charakterystyczna to zastosowanie do konstrukcji standardowego materiału identycznego ze stosowanym w produkcji max klasycznych tranzystorów. Pozostałe przewagi w stosunku do JT to: większe napięcia przebicia możliwość pracy przy małych napięciach programowalne napięcia przełączające sygnał wyjściowy o większej amplitudzie mały koszt i małe rozmiary = BB p p
7 Rys.3. PT budowa, model, schemat zastępczy i symbol
8 5. Pomiary 5.1. Charakterystyka prądowo-napięciowa JT = f ( ) Pomiar przeprowadzamy w układzie z charakterografem K 3022A (opis działania w nstrukcji wstępnej do LAB. ) i oscyloskopem (tryb pracy X-Y). stawienia charakterografu: Tranzystor npn SGNAL =10V, XT. BAS: (+ B2 ) zewnętrzny zasilacz dc, np. P316 Podłączenie wyprowadzeń mierzonego tranzystora JT do wejścia charakterografu: C/D /S B2 B/G - to gniazdko jest zasilane z zasilacza (XT. BAS) Takie podłączenie jest optymalne ze względu na wymaganą polaryzację >0 dla tranzystora jednozłączowego z emiterem typu-p. Baza 1 jest wówczas podłączona do masy układu, a na emiter podawane jest przemiatane napięcie dodatnie z charakterografu. Wyznaczyć charakterystyki = f ( ) dla polaryzacji B2 = 0V, 5V, 10V. Zmieniając płynnie wartość napięcia polaryzacji zewnętrznej B2 obserwować zmianę kształtu charakterystyki. Ze względu na niewielką katalogową wartość prądu p (mikroampery) i małą czułość wejścia oscyloskopu zakres ujemnej rezystancji charakterystyki - jest słabo widoczny, co nie przeszkadza w wyznaczeniu charakterystycznych parametrów napięciowych tranzystora. Przy ustalonych napięciach B2 zmierzyć wartość p oraz v. Obliczyć współczynnik η.
9 5.2. Praca JT w układzie generatora relaksacyjnego Pomiar wykonujemy w układzie przedstawionym na Rys.4. R + B B 100 3.3k w y j 3 w y j 1 33k w y j 2 C R L - GND Rys.4. kład generatora z użyciem mierzonego JT W ramach ćwiczenia należy: wydrukować (lub naszkicować) uzyskane na oscyloskopie przebiegi napięcia wyj1, wyj2, wyj3 dla wartości BB =10V, R L =100Ω, C = 0.033µF, R 100kΩ (wartość tę ustawiamy przy użyciu omomierza przed zmontowaniem układu). WAGA: wydruk wykonać przy takim ustawieniu Menu ekranu oscyloskopu, które odczytuje wartości Pk-Pk, częstotliwość i okres zdejmowanych przebiegów. wykorzystywać równocześnie oba kanały oscyloskopu drukując równocześnie dwa przebiegi, np. wyj1 i wyj2, wyj2, i wyj3 Korzystając z układu generatora określić wartość v i p dla BB = 10V, R L = 100Ω, C = 0.033µF, R 100kΩ. zmierzyć napięcie wyj2 w funkcji C dla: BB = 10V, R L =20Ω, 100Ω, R =100 kω oraz podać częstotliwość oscylacji. Wyznaczoną częstotliwość oscylacji porównać z częstotliwością obliczoną teoretycznie. Tranzystory jednozłączowe ( Motorola ) - parametry Typ η min. η max. p (µa) max. v (ma) min. 2N2646 0.56 0.75 5 4 2N2647 0.68 0.82 2 8