Badanie charakterystyk elementów półprzewodnikowych 1. Wstęp

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:
IC
h 21=
.
IB
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:
U
I d = R , gdzie U R jest spadkiem napięcia na rezystorze pomiarowym R.
R
Rys. 6. Układ pomiarowy dla diody półprzewodnikowej.
Parametry elementów:
D – dioda prostownicza,
R – 270Ώ.
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 R1
oraz R3 .
Rys. 7. Układ pomiarowy tranzystora.
Parametry elementów:
R1 – 330kΏ
R2 – 30kΏ
R3 – 240Ώ
Tranzystor – BC 141
Prądy bazy i kolektora można wyznaczyć korzystając z prawa Ohma:
U
U
I b= b oraz I c= c , gdzie napięcie U b jest mierzone między punktami pomiarowymi
R1
R3
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?