Pojemność złącza - Scalak

ELEMENTY ELEKTRONICZNE – LAB.: Pojemność złącza p-n – diody pojemnościowe
Ćwiczenie 2
POJEMNOŚĆ ZŁĄCZA P-N
diody pojemnościowe
Wstęp
Celem ćwiczenia są pomiary pojemności złącz półprzewodnikowych oraz wyznaczenie
charakterystycznych parametrów tych złącz.
W ćwiczeniu zastosowano rezonansową metodę pomiaru pojemności – badane złącze pracuje
w układzie rezonansowym LC jako pojemność – zatem możliwe jest badanie pojemności
złączowej.
Konspekt – przygotowanie przed zajęciami
Konspekt, który należy przygotować na zajęcia składa się z części teoretycznej związanej
z tematem ćwiczenia.
Przebieg ćwiczenia
1 . S T A N O W IS K O P O M IA R O W E
Stanowisko pomiarowe składa się z: dydaktycznego modelu pomiarowego DMP2 do badania
pojemności złącza, zasilacza dwukanałowego Agilent E3646A, woltomierza (multimetr Agilent
34401A) i częstościomierza Agilent 53131. Model dydaktyczny do badania pojemności złączowej
złącz należy połączyć wg rysunku 1 i zasilić napięciem -6V.
Wykorzystując zasilacz Agilent E3646A zasilanie modelu można podłączyć do wyjścia 2, a
wyjście 1 wykorzystać jako źródło napięcia polaryzującego złącze (UREG).
Dydaktyczny model DMP2 do
badania poj. złącza p-n
UREG
0...20V
UD
V
fOUT
ZAS.
6V
+
Hz
Rys. 1. Schemat połączeń stanowiska do badania pojemności złącza p-n
Katedra Elektroniki AGH
1
ELEMENTY ELEKTRONICZNE – LAB.: Pojemność złącza p-n – diody pojemnościowe
2. KALIBRACJA UKŁADU
Zastosowany układ pomiarowy wymaga uprzedniej kalibracji, aby można było prawidłowo
obliczyć rzeczywistą pojemność złącza.
Pomiary
Wykorzystując dostępne kondensatory wzorcowe (tzn. o znanej pojemności lub
dokładnie zmierzonej) zmierzyć częstotliwość generowanych drgań w obwodzie.
Pomiary wykonać dla kilku (najlepiej wszystkich dostępnych) kondensatorów.
Opracowanie wyników
W sprawozdaniu sporządzić tabelę z pojemnością kondensatorów i zmierzoną
częstotliwością.
Wykorzystując metodę regresji liniowej wyznaczyć pojemność pasożytniczą układu Cp i
indukcyjność L. Sporządzić stosowny wykres.
Kalibracja polega na wyznaczeniu pasożytniczej pojemności występującej w obwodzie rezonansowym, która jest
załączona równolegle do badanego złącza. Jeśli dla kilku (co najmniej dwóch) wzorcowych kondensatorów zostanie
zmierzona częstotliwość to bazując na wzorze Thomsona można obliczyć pojemność pasożytniczą i indukcyjność
obwodu rezonansowego:
1
(2.1)
f
2
L(C p
C)
gdzie: L – indukcyjności, C – znana pojemność, Cp – pojemność pasożytnicza. Wykonując pomiary częstotliwości
dla dwóch różnych pojemności wzorcowych Cw1 Cw2 i wykorzystując równanie (2.1) można obliczyć pojemność
pasożytniczą Cp jako:
Cp
f 22Cw 2
f12
f12Cw1
f 22
(2.2)
gdzie: f1 i f2 to odpowiednio częstotliwości dla pierwszej i drugiej pojemności wzorcowej. Przekształcając równanie
(2.1) można także obliczyć indukcyjność obwodu L. Zatem wystarczy dokonać dwóch pomiarów częstotliwości dla
dwóch kondensatorów wzorcowych, jednak taka kalibracja może być
C
1 1
obarczona dużym błędem. Wykonując kilka bądź kilkanaście
C
C
p
L 2
pomiarów dla różnych kondensatorów wzorcowych można zmniejszyć
błędy przez uśrednienie wyników i zastosowanie metody regresji
1
liniowej. Równanie (2.1) można przekształcić do postaci funkcji
L
1
liniowej typu: y=ax+b po to, aby zastosować metodę regresji liniowej.
Wtedy otrzymujemy np.:
1 1
(2.3)
C
Cp
-Cp
L 2
przy czym
= 2 f. Przedstawiając (nieco odwrotnie) pojemność
wzorcową jako funkcję odwrotności kwadratu pulsacji można
Rys. 2. Pojemność wzorcowa jako funkcja
bezpośrednio z wykresu (równania prostej) odczytać wartość
odwrotności pulsacji – kalibracja układu
pojemności pasożytniczej (Rys.2).
2
3 . P O M IA R P O J E M N O Ś C I Z Ł Ą C Z P - N
Charakterystyka pojemności złączowej złącza w funkcji napięcia pozwala na wyznaczenie
szeregu parametrów konstrukcyjnych złącza półprzewodnikowego.
Pomiary
Wykonać pomiary częstotliwości generowanych sygnałów zmieniając napięcie
polaryzujące złącze dla różnych diod bądź złącz tranzystorów (w zakresie napięć od
0 do 1V zmieniać napięcie co 0,1V następnie co 0,2V do 2V i później co 0,5V do 20V)
Zwrócić uwagę na kierunek polaryzacji złącza – powinien być zaporowy.
Można również wykorzystać program DP pozwalający na automatyczne pomiary
z zadanym krokiem napięcia.
Katedra Elektroniki AGH
2
ELEMENTY ELEKTRONICZNE – LAB.: Pojemność złącza p-n – diody pojemnościowe
Opracowanie wyników
Na podstawie zebranych wyników obliczyć pojemność złączową badanych złącz i
wykreślić zależności Cj=C(uD) w liniowym układzie współrzędnych.
Wykreślić zależności Cj=C(uD) w logarytmicznym układzie współrzędnych i na ich
podstawie określić wartość napięcia dyfuzyjnego dla poszczególnych badanych złącz.
Wyznaczyć parametry B i m równania empirycznego [1] wykorzystując metodę regresji
liniowej i wykreślić otrzymane proste. Na podstawie otrzymanych wartości wskazać
charakter rozkładu domieszek w badanych złączach.
Wyznaczyć wartość napięcia dyfuzyjnego.
Określić pojemność złącza przy polaryzacji 0V i wartość pojemności pasożytniczej
oprawy złącza
Porównać wyznaczone parametry z danymi katalogowymi badanych diod.
Kierunek polaryzacji złącza. Po włączeniu diody należy powoli zwiększać napięcie polaryzujące złącze (zasilacz)
i obserwować napięcie UD (woltomierz). Jeśli wraz ze wzrostem napięcia UREG napięcie na złączu „zatrzymało” się
w okolicy 0,7V to oznacza, że złącze jest spolaryzowane przewodząco. W przypadku polaryzacji zaporowej napięcie
UD podąża za napięciem UREG. Dla diod stabilizacyjnych oraz złącza B-E tranzystora bipolarnego następują pewne
oczekiwane „anomalie”. Należy zastanowić się nad ich przyczyną.
Obliczanie pojemności złączowej. Wykorzystując wyniki pomiarów częstotliwości dla różnych napięć
polaryzujących złącze oraz znając parametry obwodu rezonansowego wyznaczone w czasie kalibracji można obliczyć
pojemność złączową złącza p-n na podstawie przekształconego wzoru (2.1):
1
(2.4)
Cj
Cp
4 2 f 2L
Wyznaczanie napięcia dyfuzyjnego o [2]. Na
podstawie ch-ki pojemności złączowej w funkcji
napięcia przedstawionej w skali logarytmicznej można
wyznaczyć potencjał kontaktowy (dyfuzyjny) złącza o
korzystając z rysunku obok (rys. 3).
Nachylenie odcinka prostego zależy od rodzaju
rozkładu domieszek w złączu. Dla rozkładu skokowego
parametr m=1/2, a dla liniowego m=1/3.
lnCj
U-m
lnUD
o
Rys. 3. Sposób wyznaczania napięcia dyfuzyjnego złącza
Równanie empiryczne opisujące pojemność złączową [1]. W przypadku ogólnym pojemność złączową można
przedstawić w zależności empirycznej:
(2.5)
C j (0)
m
C j (u D )
m
uD
1
B
uD
o
0
gdzie B=Cj(0)
m.
o .
Natomiast całkowitą pojemność diody zapiszemy jako sumę pojemności złączowej i pasożytniczej
obudowy:
C( u D )
Y BX
Jeżeli tę zależność zapiszemy w postaci:
w nowym układzie współrzędnych: Y=C(uD)–Cc oraz X=
B
o
uD
m
Cc
(2.6)
m
(2.7)
uD, to po zlogarytmowaniu uzyskamy zależność liniową:
(2.8)
ln Y ln B m ln X
która pozwala na wyliczenie parametrów B i m metodą regresji liniowej funkcji w układzie współrzędnych {X,Y}.Tak
wyliczona wartość m pozwala określić charakter rozkładu domieszek w obszarze złącza.
o–
LITERATURA
[1] J. Koprowski „Podstawowe przyrządy półprzewodnikowe”, Skrypt uczelniany SU1668,
Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2005, str. 80.
[2] H. Wolf „Półprzewodniki”, WNT, Warszawa 1975, str. 417.
Katedra Elektroniki AGH
3