Termin wprowadzający

LABORATORIUM
PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH
Termin wprowadzający
Zapoznanie z Laboratorium oraz szkolenie BHP
Z tą instrukcją studenci przychodzą już na pierwsze zajęcia.
Dostępna jest na stronie: http://156.17.46.1/lpp/ oraz w punkcie ksero w budynkuC-1.
1
Ustalenia organizacyjne
Obecność na pierwszym terminie zajęć jest bezwzględnie obowiązkowa ze względu
na szkolenie BHP. Bez zaliczenia szkolenia nie można uczestniczyć w dalszych zajęciach.
Kierownik Laboratorium:
Opiekun Laboratorium:
dr inż. Waldemar Oleszkiewicz, p. 206, C-2
Piotr Nowacki, p. 413a, C-2
Przebieg ćwiczeń i warunki zaliczenie laboratorium
A. Organizacja grupy - studenci wykonują ćwiczenia w Laboratorium (sala 218 oraz sala
413, C-2) w zespołach 2-osobowych. W terminie określonym harmonogramem grupa
studencka wykonuje ćwiczenie wg numeracji zgodnej z programem Laboratorium
Przyrządów Półprzewodnikowych oraz w sali zgodnie z harmonogramem.
1.1
B. Realizacja programu Laboratorium
1. Studenta obowiązuje, po uprzednim przygotowaniu się, wykonanie i zaliczenie
ośmiu ćwiczeń określonych programem LPP.
Instrukcje do ćwiczeń udostępnione są na stronie laboratorium
http://156.17.46.1/lpp/ oraz w punkcie ksero w budynku C-1.
2. Student nie może w semestrze przekroczyć dwóch nieobecności. Przekroczenie tej
liczby wymagać będzie (w sytuacjach szczególnych i udokumentowanych) zgody
Dziekana na kontynuację zajęć w semestrze.
3. Sprawdzenie stopnia przygotowania do zajęć odbywać się będzie w postaci
kartkówek bądź odpowiedzi ustnych. Oceniana też będzie poprawność oraz
sprawność wykonania ćwiczenia.
4. Grupa ćwiczeniowa wykonuje jedno sprawozdanie oddawane w terminie zajęć
(papier formatu A3 - papier kancelaryjny, opieczętowany pieczątką dostępną
w laboratorium).
Sprawozdanie powinno zawierać:
zapis wyników pomiarów wykreślonych w czasie trwania laboratorium i opisanych
zależności funkcyjnych (typ badanego elementu, właściwy opis osi wykresu
z podaniem wielkości mierzonych i ich jednostek},
1
wyniki obliczeń wykonanych na polecenie prowadzącego zajęcia (dokumentowane
podpisem) z przedstawieniem sposobu obliczania oraz określeniem na wykresach
przedziałów zmian wartości mierzonych, które są w nich wykorzystywane,
ocenę pomiarów i wnioski odnoszące się do poprawności wykonania pomiarów,
właściwości badanych elementów (z uwzględnieniem danych katalogowych badanych
elementów).
Sprawozdanie, po ocenie przez prowadzącego, jest udostępnione do wglądu
studentom w terminie następnych zajęć, po czym przechowywane jest przez
Prowadzącego do końca semestru.
5. Odrabianie ćwiczeń nie zrealizowanych możliwe jest tylko w „tygodniu
odróbczym”. Terminy zajęć odróbczych określone zostaną w tygodniu
poprzedzającym ostatnie zajęcia kursowe w semestrze.
6. W czasie trwania ostatnich zajęć kursowych przeprowadzona zostanie wśród studentów,
zgodnie z zaleceniem Dziekana Wydziału, anonimowa ankieta dotycząca oceny zajęć.
C. Zasady porządkowe obowiązujące w Laboratorium.



Studenta
wykonującego
pomiary
w
Laboratorium
Przyrządów
Półprzewodnikowych obowiązuje przestrzeganie przepisów BHP związanych
z obsługą urządzeń elektrycznych.
Informacje dotyczące uszkodzeń bądź nieprawidłowości w funkcjonowaniu
urządzeń studenci zgłaszają prowadzącemu zajęcia.
Urządzenia uszkodzone należy odstawić na miejsce oznaczone „Urządzenia
uszkodzone”
D. Do dyspozycji studentów wykonujących ćwiczenia pozostają:




urządzenia do sprawdzenia poprawności działania badanych elementów (zaleca się
sprawdzanie elementów przed zmontowaniem układu pomiarowego),
podręczny katalog elementów elektronicznych,
instrukcje obsługi urządzeń wykorzystywanych w pomiarach (wydawane przez
prowadzącego),
stanowisko do wylutowywania bądź wlutowywania elementów (po operacji lutowania
na płytce pomiarowej przez studentów płytka powinna być koniecznie skontrolowana
przez prowadzącego zajęcia).
Studenci zobowiązani są do posiadania papieru milimetrowego, papieru do drukarki oraz
papieru z podziałką w układzie logarytmicznym oraz logarytmiczno-liniowym (wzorzec
A4 do skopiowania dostępny w punkcie ksero C-1, na stronie internetowej
laboratorium), na każdych zajęciach laboratoryjnych.
Studenci zgłaszają prowadzącemu zajęcia uzyskane wyniki pomiarów (nawet
cząstkowe) przy zestawionym układzie i włączonym stanowisku pomiarowym.
Po wykonaniu pomiarów grupa laboratoryjna zobowiązana jest do pozostawienia
porządku na stanowisku tj.: rozłączenia układów pomiarowych, wyłączenia zasilania
urządzeń, ułożenia przewodów (wg ich kolorów) w uchwytach,
Prowadzący odbiera wykonane sprawozdania przy stanowisku pomiarowym
sprawdzając czy pozostawiono porządek i czy zostało ono wyłączone.
2
1.2 Tematyka ćwiczeń
Poszczególne ćwiczenia poświęcone są badaniu parametrów typowych przyrządów
półprzewodnikowych (elementów elektronicznych i optoelektronicznych) oraz układów
scalonych.
Charakteryzacja (opis) elementu elektronicznego polega najczęściej na przedstawieniu jego
charakterystyki prądowo-napięciowej, oznaczanej jako I-U lub I=f(U), a także określeniu
parametrów (dopuszczalnych, typowych), które są ważne z punktu widzenia zastosowania
danego elementu w układach.
Oprócz elementarnych charakterystyk I-U, w kolejnych ćwiczeniach, będą mierzone także
charakterystyki częstotliwościowe i parametry układów wzmacniających oraz charakterystyki
przełączania elementów i układów cyfrowych.
2
Przyrządy pomiarowe
Stanowiska pomiarowe w laboratorium zestawione są z typowych przyrządów pomiarowych
i urządzeń, z których działaniem i obsługą należy się bezwzględnie zapoznać.
Do podstawowych przyrządów należą:
- zasilacze napięcia stałego pracujące ze stabilizacją napięcia lub prądu
- multimetry cyfrowe, z możliwością pomiaru wartości: I, U, R
- źródła sygnałów zmiennych – generatory
- oscyloskopy cyfrowe połączone z drukarkami do kopiowania obrazu ekranu
3
Pomiary charakterystyki prądowo-napięciowej
Pomiar charakterystyki I-U danego elementu polega na wymuszeniu przepływu prądu przez
element poprzez przyłożenie do elementu napięcia. Wykonując, w określony sposób,
sekwencję pomiarów otrzymuje się zbiór odpowiadających sobie wartości prądów i napięć
tworzące punkty charakterystyki I-U.
Pomiar można wykonać w sposób dyskretny – poprzez ustalanie konkretnych wartości prądu
lub napięcia i odczytywanie tej drugiej (napięcia lub prądu) lub w sposób ciągły – korzystając
z zasilacza dającego narost napięcia lub prądu w z góry ustalony sposób.
Charakterystyki I-U - jak mówimy popularnie - „zdejmuje się” umieszczając badany element
w układzie pomiarowym, który z reguły zawiera zasilacz (źródło napięcia lub prądu),
rezystory pomocnicze ( np. ograniczające prąd w obwodzie) oraz mierniki prądu i napięcia.
W zależności od stosowanej metody pomiarowej wykorzystuje się różne zasilacze oraz
przyrządy pomiarowe. Na przykład: przyrządem do pomiaru napięcia może być woltomierz
cyfrowy, ale także oscyloskop lub rejestrator przebiegu napięciowego.
Wykonując pomiary PRZESTRZEGAJ PRZEPISÓW BHP związanych z obsługą
urządzeń elektrycznych.
W kolejnych punktach zostaną omówione metody pomiaru charakterystyk I-U stosowane
podczas ćwiczeń.
3
Metoda techniczna pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych
Prostą metodą wykorzystywaną do pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych jest
metoda techniczna. Polega ona na wykonaniu szeregu pomiarów prądów i napięć dla
kolejnych punktów charakterystyki, a następnie naniesieniu wyników tych pomiarów na
wykres I-U.
Jako źródło zasilania układu pomiarowego używa się zasilacza laboratoryjnego
z regulowanym napięciem wyjściowym, z możliwością ustawienia ograniczenia prądowego
(np. zasilacz P317). Schemat układu pomiarowego, stosowanego w tej metodzie,
przedstawiono na rys.1. Zastosowane mierniki prądu i napięcia to multimetry cyfrowe.
3.1
1k
Zasilacz
P317
mA
badany
element
?
V
Rys. 1: Schemat układu do pomiaru charakterystyki I-U metodą techniczną.
Szeregowo włączony do obwodu rezystor 1 k ułatwia płynne wymuszenie przepływu
przez badany element prądu o wymaganym natężeniu. Jednocześnie rezystor ogranicza prąd
w obwodzie dla danego napięcia zasilacza, przez co zmniejsza prawdopodobieństwo
przypadkowych uszkodzeń elementu badanego wynikających z nieprawidłowości zestawienia
układu pomiarowego.
Odpowiednią wartość natężenia prądu uzyskuje się przez regulację napięcia zasilacza
laboratoryjnego. Wartość natężenia prądu płynącego w układzie będzie wynikała ze spadku
napięcia na rezystorze 1 k.
Należy zwrócić uwagę na nominalną moc rezystora. Najczęściej stosowane w tym układzie są
rezystory o mocy 1 W. Wówczas uwaga: nie wolno przekroczyć 1 W mocy traconej
w rezystorze.
Wiadomo, że dla rezystora moc, P:
Pmax
1W

 0,032 A  32mA  30 mA
R
1000
Wynika z tego, że w czasie pomiarów konieczne jest ustawienie ograniczenia
prądowego w zasilaczu na 30 mA, lub mniej, gdy badany element wymaga ograniczenia
prądowego na niższym poziomie.
Jeżeli potrzebne jest zbadanie charakterystyki dla większych wartości natężenia prądu niż
30 mA, można zamienić rezystor na 100  (zastanówmy się, jaki będzie wówczas
dopuszczalny prąd w obwodzie?) lub usunąć z układu rezystor, a wymagane natężenie prądu
uzyskać przez odpowiednie ustawienie ograniczenia prądowego w zasilaczu pracującym stale
w trybie ograniczenia prądowego.
P  I 2 R  I max 
4
3.2
Rejestrator
Rejestrator jest urządzeniem zapisującym przebiegi zmian napięcia podawanego na
dwa wejścia rejestratora: X oraz Y. Zapis za pomocą pisaka dokonywany jest w układzie
współrzędnych Y-X. Jeśli chcemy zmierzyć i wyrysować charakterystykę prądowonapięciową elementu elektronicznego (np. diody), to możemy posłużyć się układem
przedstawionym na rys.3.
Ponieważ rejestrator, podobnie jak oscyloskop, posiada jedynie wejścia napięciowe
pomiar prądu elementu badanego musi się odbywać metodą pośrednią, przy użyciu rezystora
pomiarowego (analogicznie jak w przypadku omówionym dla charakterografu). Prąd I
płynący przez rezystor R, włączony szeregowo z elementem badanym D, wywołuje spadek
napięcia Uy, który jest mierzony na wejściu Y rejestratora. W zależności od spodziewanej
wartości prądu dobieramy wartość rezystora R oraz czułość napięciową wejścia Y. Na
przykład: w zakresie wartości prądu kilku mA, stosując rezystor R=10  i czułość wejścia
10 mV/cm uzyskujemy czułość prądową przebiegu 1 mA/cm na osi Y wykresu
charakterystyki I-U. Natomiast spadek napięcia Ux na elemencie badanym D mierzony jest
bezpośrednio na wejściu X rejestratora. Konieczny jest dobór właściwej czułości napięciowej
wejścia X (na przykład 50 mV/cm dla diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia).
Rys.3. Układ do pomiaru charakterystyki I-U diody z wykorzystaniem rejestratora.
5
Wykorzystanie multimetru VC-10T, 1321 lub 1331 jako źródła prądowego
Większość multimetrów cyfrowych (np. VC-10T, 1321, 1331) pracując w trybie
pomiaru rezystancji, (czyli jako omomierz) mierzy i pokazuje na wyświetlaczu spadek
napięcia na badanym elemencie wywołany przepływem prądu ze źródła prądowego
wbudowanego w multimetr. Oprócz funkcji pomiaru rezystancji można tę cechę przyrządu
wykorzystać do pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych dla bardzo małych prądów.
Multimetry VC-10T, 1321 i 1331 posiadają wewnętrzne źródło prądowe o wydajności
zależnej od wybranego zakresu pomiarowego rezystancji; patrz tabela 2.
Tabela 2. Wartości natężenia źródła prądowego multimetrów cyfrowych.
Zakres
200 
2 k
20 k
200 k
1 M
2 M
20 M
omomierza
VC-10T
10 mA
1 mA
100 A
10A
1A
1321
10 mA
1 mA
100 nA
100 A
10A
1A
1331
10 mA
1 mA
100 nA
100A
10A
1A
3.3
Badany element podłączany jest pomiędzy zaciski „HI” („W” w miernikach 1321,
1331) i „LO” (odpowiednio: „N”). Przepływający prąd wywołuje na badanym elemencie
spadek napięcia o polaryzacji przeciwnej, niż wynikałoby to z oznaczeń zacisków multimetru,
czyli: + na zacisku „LO” („N”),  na zacisku „HI” („W”).
Liczba wyświetlana przez multimetr odpowiada napięciu mierzonemu na
badanym elemencie, wyrażonemu w miliwoltach, przy czym należy brać pod uwagę
jedynie cyfry, a nie przecinek, np. wyświetlana wartość 12,34 oznacza, że spadek napięcia
na badanym elemencie, przy natężeniu prądu wynikającym z wybranego zakresu
pomiarowego, wynosi 1234 mV, wyświetlana wartość 0076 oznacza spadek napięcia 76 mV.
Ponieważ dla tych multimetrów, pracujących w trybie pomiaru rezystancji, zakres
prawidłowo wskazywanych napięć wynosi 0÷2,999 V nadają się one do pomiaru spadku
napięcia na półprzewodnikowych złączach p-n spolaryzowanych w kierunku przewodzenia.
Przekroczenie zakresu wskazań woltomierza, 2999 mV (a praktycznie
wyświetlenie liczby 3000) oznacza, że źródło prądowe nie zapewnia ustalonej dla danego
zakresu wartości prądu.
4
Rezystory i kondensatory
4.1 Rezystory
Rezystory (oporniki) to najczęściej spotykane elementy bierne w układach. Wykonywane są
w różnych odmianach, przeważnie jako:
- warstwowe metalowe – cienka warstwa naparowanego metalu (np. CrNi) na korpusie
ceramicznym, może być nacinana w celu zwiększenia długości ścieżki rezystywnej
- rezystory węglowe - cienka warstwa grafitu na korpusie ceramicznym,
- grubowarstwowe –rezystywna warstwa cermetowa (cermet - mieszanina ceramiki
i tlenków metali) nakładana np. metodą sitodruku na korpusy ceramiczne. W ten sposób
wytwarzane są także rezystory miniaturowe do montażu powierzchniowego.
- rezystory nawijane drutowe - szczególnie wytrzymałe dla dużych mocy.
6
Rezystor jest elementem liniowym, tzn jego charakterystyka I-U jest prostą, co oznacza, że
rezystancja (oporność) jest stała i nie zależy od wartości prądu, napięcia czy innych
czynników. Innymi słowy, niezależnie od warunków, spełnione jest prawo Ohma:
R = U/I
[ =V/A]
W innym przypadku mamy do czynienia z rezystorami nieliniowymi, np.: fotorezystory,
termistory, warystory. Elementy te będą również badane w czasie ćwiczeń.
Podstawowe parametry oporników to: rezystancja nominalna, tolerancja (maksymalna
odchyłka od rezystancji nominalnej wyrażona w procentach), moc dopuszczalna, napięcie
graniczne (dopuszczalne), temperaturowy współczynnik rezystancji (TWR), który określa
zmiany rezystancji zachodzące pod wpływem temperatury.
Rezystory produkuje się masowo i klasyfikuje w standardowych szeregach wartości
rezystancji i związanych z nimi określonych tolerancjach.
Wartości znamionowe rezystancji ułożone są w szeregi (E) z dzielnikiem : q=√10, gdzie
n=6,12,24,48,96,192; n oznacza liczbę wartości nominalnych w ramach jednej dekady
uzyskanych przez kolejne dzielenie, poczynając od 10/q, 10/q2, 10/q3 itd. Przykładowo,
szeregowi o oznaczeniu E12 odpowiadają wielkości: n=12, q=1,21 i wartości nominalne:
1 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3
3,9 4,7 5,6 6,8 8,2 …10
wyrażające liczbę jednostek (, k lub M) oraz tolerancja: 10% (zwróćmy uwagę jaki
jest możliwy maksymalny rozrzut sąsiadujących wartości nominalnych dla tej tolerancji).
Biorąc pod uwagę zakres wymaganych wartości rezystorów do różnych zastosowań od 10 
do 100 M, daje to siedem dekad, czyli 84 wartości oferowanych oporników w tym
typoszeregu.
Szereg E48 będzie miał 48 nominalnych wartości w ramach jednej dekady, a tolerancję 5%,
(Jaka tolerancja będzie dla szeregu E96?). Istnieje też szereg R40 gdzie n=40.
Typowe moce nominalne to 0,125 W, 0,25 W, 0,5 W, 1 W oraz 2 W. Ze względu na różną
moc nominalną rezystory maja różne gabaryty.
Oznaczenia (cechy) na rezystorach o dużych rozmiarach nanoszone są za pomocą symboli
np.: 120 = 120, 15k = 15k, 1k1 = 1,1k, 1M =1M, ale 0R1 = 0,1 oraz 0E5 = 0,5.
Na małych opornikach zazwyczaj nanosi się kody paskowe w postaci 3 lub 4 barwnych
pasków. Pierwsze dwa paski oznaczają dwie znaczące cyfry wartości, trzeci pasek mnożnik
wartości, a czwarty oznacza tolerancję. Poniżej, w tabeli 2, podano znaczenie barw pasków.
Tabela 2. Kody paskowe oznaczeń rezystorów
cyfra
mnożnik
tolerancja [ %]
0
100
20
brązowy
1
10
1
1
czerwony
2
102
2
pomarańcz.
3
10
3
3
żółty
4
104
zielony
5
10
5
niebieski
6
106
fioletowy
7
10
7
szary
8
10-2
-
biały
9
10
-1
-
złoty
-
10-1
5
-
-2
kolor paska
czarny
srebrny
10
0..+100
0,5
0,25
0,1
10
7
Osobnym rodzajem rezystorów są rezystory regulowane: potencjometry lub reostaty,
posiadające trzy wyprowadzenia, jedno podłączone do ślizgacza przesuwanego po ścieżce
rezystywnej.
4.2 Kondensatory
Kondensator składa się z dwóch przewodzących płytek (okładek) i dielektryka
wypełniającego przestrzeń między płytkami. Właściwością kondensatora jest zdolność
ładowania go ładunkiem elektrycznym pod wpływem przyłożonego napięcia. Pojemność
kondensatora C wyraża się wzorem:
C = Q/U,
jednostka pojemności to farad
[F = C/V] (kulomb/wolt)
Pojemności kondensatorów spotykanych w układach elektronicznych są dużo mniejsze niż
1 F, i wyrażane są zazwyczaj w pF, nF oraz F.
Szeregi wartości nominalnych kondensatorów ułożone są podobnie do omówionych dla
rezystorów.
Do najważniejszych parametrów kondensatorów, oprócz wartości znamionowej pojemności,
należą: dopuszczalne napięcie pracy (dla większych grozi przebicie), tolerancja, stratność
(tg) oraz temperaturowy współczynnik pojemności (TWC).
Wyróżnia się wiele typów kondensatorów związanych z konstrukcją i zastosowanym
rodzajem dielektryka, (od którego bierze się ich nazwa):
-
-
-
Kondensatory z tworzywa sztucznego (stała dielektryczna 2-3); dielektryk w postaci folii
poliestrowej, polistyrenowej, poliwęglanowej (te mają szczególnie małą stratność i dobrą
stabilność):
elektrody
z
folii
metalowej
lub
plastikowej
metalizowanej.
Najczęściej mają konstrukcję zwijanego rulonu folii, dzięki czemu uzyskuje się duże pojemności
(zakres od 10 pF do 100 F) oraz wysokie napięcia pracy do 1000 V. Popularne, bo tanie w
produkcji.
Kondensatory papierowe, historycznie bardzo popularne, obecnie stosowane wyłącznie jako k.
odkłócające, a to dzięki właściwości samoregeneracji (odporność papieru na przebicia impulsowe)
Kondensatory ceramiczne produkowane z jednej lub wielu płytek ceramicznych. Stosowana
ceramika dzieli się na trzy klasy: klasa 1 – o małej stałej dielektrycznej, pojemności od 0,47 pF do
560 pF, klasa 2 - o dużej stałej dielektrycznej, pojemności od 10 pF do 10 F, klasa 3 – ceramika z
materiałów ferroelektrycznych o ekstremalnie wysokiej stałej dielektrycznej; pojemności nawet do
100 mF, ale niskie napięcia pracy.
Kondensatory mikowe (mika to minerał pozwalający łupać się na cienkie płatki) o bardzo dobrych
właściwościach: mała stratność, wysoka stabilność, wysokie napięcia pracy. Są jednak duże i
stosunkowo drogie.
Powyższe typy kondensatorów są niepolaryzowalne, to znaczy biegunowość podłączenia
nie odgrywa roli. Inaczej jest z kondensatorami elektrolitycznymi.
-
Kondensatory elektrolityczne (elektrolity) o elektrodach aluminiowych lub tantalowych. Jedna z
elektrod (anoda) jest pokryta tlenkiem, a przestrzeń pomiędzy elektrodami jest wypełniona
elektrolitem. Konieczne jest, więc zachowanie biegunowości kondensatora. Obudowa
kondensatora połączona jest do wyprowadzenia bieguna ujemnego (katody). W przypadku
odwrotnego podłączenie istnieje groźba rozerwania obudowy ze względu na gazowanie
elektrolitu. Kondensatory aluminiowe osiągają bardzo duże pojemności, nawet do 500 mF, ale
mają niskie napięcia pracy, duże wymiary i ulegają starzeniu (ich parametry pogarszają się z
upływem czasu).
Nowsze rozwiązania to tzw „elektrolity suche” wytrzymałe na zmiany temperatur i odporne dużo
bardziej na starzenie. Wytwarzane o pojemnościach do 2200 F. Natomiast kondensatory
elektrolityczne tantalowe mają dużo lepsze parametry od aluminiowych: wyższe napięcia
przebicia, mniejsze upływności i stratność oraz znacznie mniejsze wymiary (większa stała
dielektryczna). Produkowane w zakresie pojemności do 1000 F.
8