Badanie charakterystyk elementów półprzewodnikowych W ramach ćwiczenia student poznaje praktyczne właściwości elementów półprzewodnikowych stosowanych w elektronice przez badanie charakterystyk diody oraz tranzystora bipolarnego w układzie wspólnego emitera. 1. Wstęp teoretyczny Działanie większości półprzewodniowych elementów elektronicznych opiera się na tzw. złączach. Złącze jest stykiem dwóch kryształów ciała stałego różniących się właściwościami elektrycznymi. Najszersze zastosowania znajdują złącza półprzewodnik-półprzewodnik oraz metalpółprzewodnik (m-p). Diody półprzewodnikowe są najprostszymi złączowymi elementami elektronicznymi. Tranzystory, które są kluczowym elementem dla nowoczesnej elektroniki są elementami zbudowanymi z dwóch złącz. 1.1. Dioda. Dioda półprzewodnikowa jest dwukońcówkowym, pasywnym, nieliniowym elementem elektronicznym. Dwa podstawowe typy diod (klasyfikowane ze względu na konstrukcję) to diody ostrzowe oraz warstwowe. Pierwszą wykonuje się przez wtopienie metalowego ostrza w kryształ półprzewodnika typu N. Podczas zgrzewania pod ostrzem tworzy się obszar typu P. Granica obszarów P oraz N stanowi złącze diody. Charakterystyczną cechą diod ostrzowych jest mała powierzchnia złącza, dzięki której pojemność diody jest niewielka. Z tego względu diody ostrzowe znajdują zastosowanie w układach wielkich częstotliwości (w.cz.). Diody warstwowe uzyskuje się technologią stopową i dyfuzyjną. Często stosowana jest metoda epitaksjalno-planarna która jest odmianą metody dyfuzyjnej. Na podłożu z materiału typu N, który jest silnie domieszkowany naniesiona zostaje cienka warstwa epitaksjalna o mniejszym domieszkowaniu tego samego typu. Kluczową cechą diod jest to, że prąd może przez nie płynąć w jednym kierunku przy właściwej polaryzacji (kierunek przewodzenia). Przy odwrotnej biegunowości napięć na diodzie znajduje się ona w stanie zaporowym. Na Rys. 2. przedstawiono charakterystykę napięciowo-prądową diody prostowniczej. Rys. 1. Symbole różnych typów diod.
Rys. 2. Charakterystyka napięciowo-prądowa przykładowej diody prostowniczej: U RWM - maksymalne napięcie wsteczne, U F - napięcie przewodzenia, I O - maksymalny prąd przewodzenia. 1.2. Budowa tranzystora bipolarnego. Tranzystor bipolarny składa się z trzech warstw półprzewodnika. Pary sąsiednich warstw tworzą złącza. Zjawiska zachodzące w jednym złączu wpływają na drugie. Nośnikami ładunku elektrycznego w tranzystorze tego typu są elektrony oraz dziury i z tego względu element nazwano bipolarnym. Rys. 3. Tranzystor bipolarny konstrukcja elementu i oznaczenia końcówek. Poszczególne warstwy półprzewodnika mogą być uszeregowane w dwojaki sposób: PNP oraz NPN (litery N oraz P oznaczają półprzewodnik domieszkowany różnymi pierwiastkami). Dla obu sposobów uszeregowania warstw półprzewodnika uzyskuje się tranzystory działające w oparciu o te same zasady. Różnią się one jedynie polaryzacją zewnętrznych sygnałów wymaganych do właściwej pracy.
Rys. 4. Symbole bipolarnych tranzystorów NPN i PNP. 1.3. Tranzystor w układzie wspólnego emitera (WE) Układ wspólnego emitera (Rys. 7.) jest najczęściej stosowaną konfiguracją wzmacniacza małej częstotliwości z wykorzystaniem tranzystora bipolarnego. W układzie tym emiter oraz baza tranzystora są polaryzowane stałym napięciem tak by tranzystor znajdował się w stanie aktywnym. Sygnał wejściowy doprowadza się pomiędzy bazę a emiter tranzystora, natomiast wyjściem wzmacniacza jest kolektor. Prąd wpływający do kolektora zależy od wartości prądu bazy, który jest dziesiątki lub setki razy mniejszy. Stosunek prądu kolektora do prądu bazy nazywamy wzmocnieniem prądowym tranzystora: h 21 = I C I B. Powyższe równanie pozwala wyznaczyć wzmocnienie jeśli tranzystor jest w stanie nasycenia, tzn. gdy U CE =0. Istotne znaczenie dla analizy wzmacniaczy tranzystorowych mają cztery rodziny charakterystyk statycznych: 1. wejściowa U BE = f I B dla U CE =const, 2. przejściowa I C = f I B dla U CE =const, 3. wyjściowa I C = f U CE dla I B =const, 4. zwrotna U BE = f U CE dla I B =const. Charakterystyki przykładowego tranzystora przedstawiono na Rys. 5.
Rys. 5. Charakterystyki przykładowego tranzystora w układzie WE 2. Przebieg ćwiczenia 2.1. Badanie charakterystyki diody półprzewodnikowej. Badanie charakterystyki diody I d = f U d odbywa się w układzie przedstawionym na Rys. 6. Wykorzystywany jest oscyloskop pracujący w trybie X-Y oraz generator. Do pomiaru prądu diody wykorzystano rezystor. Prąd płynący przez diodę można obliczyć wykorzystując prawo Ohma: I d = U R R, gdzie U R jest spadkiem napięcia na rezystorze pomiarowym R. Parametry elementów: D dioda prostownicza, R 270Ώ. Rys. 6. Układ pomiarowy dla diody półprzewodnikowej.
2.1.1. Wyznaczenie charakterystyki napięciowo-prądowej Do zacisku WE należy doprowadzić sygnał okresowo liniowo narastający/opadający (trójkątny) z generatora. Do kanału X oscyloskopu należy podłączyć parę zacisków PD3 PD4. Do kanału Y oscyloskopu należy podłączyć parę zacisków PD1 - PD2. Uzyskany przebieg należy naszkicować na papierze i nanieść właściwą skalę na osie układu korzystając z podanych wyżej zależności. 2.2. Badanie charakterystyk: wejściowej, wyjściowej i przejściowej tranzystora bipolarnego w układzie WE. Badanie charakterystyk odbywa się w układzie przedstawionym na Rys. 7. Wykorzystywany jest oscyloskop pracujący w trybie X-Y, generator oraz zasilacz. Do pomiaru prądów bazy oraz kolektora wykorzystywane są spadki napięcia na rezystorach, odpowiednio R 1 oraz R 3. Parametry elementów: R1 330kΏ R2 30kΏ R3 240Ώ Tranzystor BC 141 Rys. 7. Układ pomiarowy tranzystora. Prądy bazy i kolektora można wyznaczyć korzystając z prawa Ohma: I b = U b R 1 oraz I c = U c R 3, gdzie napięcie U b jest mierzone między punktami pomiarowymi PB1 - PB2, zaś napięcie U c między PC1 PC2. 2.2.1. Wyznaczenie charakterystyki wejściowej
Do wejścia wzmacniacza należy doprowadzić sygnał okresowo liniowo narastający i opadający (trójkątny). Należy dodać składową stałą tak by sygnał wejściowy nie przyjmował wartości ujemnych. Do zacisku Vcc należy podłączyć stałe napięcie o wartości +10V. Kanał X oscyloskopu należy podłączyć między zaciski PB1 PB2. Kanał Y oscyloskopu należy podłączyć między zacisk PB2 a masę układu. Uzyskany przebieg należy naszkicować na papierze i nanieść skalę na osie układu korzystając z zależności podanych w części teoretycznej opracowania. Rys. 8. Widok płytki układu testowego tranzystora. 2.2.2. Wyznaczenie charakterystyki przejściowej Do wejścia wzmacniacza należy doprowadzić sygnał okresowo liniowo narastający i opadający (trójkątny). Należy dodać składową stałą tak by sygnał wejściowy nie przyjmował wartości ujemnych. Do zacisku Vcc należy podłączyć stałe napięcie o wartości +10V. Kanał X oscyloskopu należy podłączyć między zacisk PB2 a masę układu. Kanał Y oscyloskopu należy podłączyć między zaciski PC1 PC2. Uzyskany przebieg należy naszkicować na papierze i nanieść skalę na osie układu korzystając z zależności podanych w części teoretycznej opracowania. Wyznaczyć wzmocnienie prądowe badanego tranzystora. 2.2.3. Wyznaczenie charakterystyki wyjściowej Do wejścia wzmacniacza należy doprowadzić sygnał okresowo liniowo narastający i opadający (trójkątny). Należy dodać składową stałą tak by sygnał wejściowy nie przyjmował wartości ujemnych. Do zacisku Vcc należy podłączyć stałe napięcie o wartości +10V. Kanał X oscyloskopu należy podłączyć między wyjście a masę układu. Kanał Y oscyloskopu należy podłączyć między zaciski PC1 PC2. Uzyskany przebieg należy naszkicować na papierze i nanieść skalę na osie układu korzystając z zależności podanych w części teoretycznej opracowania.
Przykładowe pytania: 1. Narysuj charakterystyki tranzystora bipolarnego. 2. Narysuj schemat układu WE. 3. Co to jest wzmocnienie prądowe tranzystora? Jak je wyznaczyć? 4. Jakie znasz typy tranzystorów? Czym one się różnią?