Laboratorium Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

dla studentów WIP

Temat:

BADANIE ELEMENTÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

materiały pomocnicze do laboratorium elektroniki, elektrotechniki i energoelektroniki
wyłącznie do użytku wewnętrznego przez studentów WIP PW
bez prawa kopiowania i publikowania

Zakład Trakcji Elektrycznej

IME PW

2002

-

2

-

1. Podstawowe wiadomości o elementach półprzewodnikowych

1.1 Półprzewodniki, izolatory i metale
Przyjmując za podstawę wykresy pasm energetycznych można wyróżnić trzy grupy
materiałów krystalicznych. Na rys 1.1.a przedstawiono wykres pasm energetycznych w
izolatorze, a na rys. 1.1.b w półprzewodniku.

Rys. 1.1 Układ pasm energetycznych spotykanych w ciałach stałych dla T - 0 K: a) izolatory,

b) półprzewodniki, c) metale

W obu przypadkach pasma walencyjne są zapełnione elektronami tworzącymi wiązania
atomowe, natomiast pasma przewodnictwa są puste. Tak wiec zarówno izolatory, jak i
półprzewodniki, w temperaturze zera bezwzględnego nie posiadają żadnych nośników i nie
przewodzą prądu elektrycznego. Istotna różnica między nimi polega na różnej szerokości
pasma zabronionego W

g

. Dla izolatorów W

g

~ 10 eV, a dla półprzewodników — 1 eV.

Dlatego przeskok elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa - czyli
uzyskanie nośników prądu elektrycznego - wymaga dostarczenia z zewnątrz o wiele mniejszej
energii jonizacji w półprzewodnikach, aniżeli w przypadku izolatorów.
W normalnej temperaturze (T > 0 K) w półprzewodnikach poziomy energetyczne w paśmie
walencyjnym są częściowo nie obsadzone (dziury), a w paśmie przewodnictwa znajduje się
pewna liczba elektronów swobodnych, dzięki czemu możliwe jest przewodzenie pod
wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Stąd rezystywność półprzewodników wynosi
10...10

5

Ωm i jest stosunkowo mała w porównaniu z rezystywnością izolatorów, wynoszącą

około 10

10

-10

20

Ωm.

W metalach (rys.1.c) pasma przewodnictwa i walencyjne nakładają się na siebie. Oznacza to,
że istnieją elektrony swobodne w paśmie przewodnictwa nawet bez doprowadzania energii z
zewnątrz.
Półprzewodnik typu N uzyskuje się przez dodawanie w procesie wzrostu kryształu krzemu
małej ilości (10

-3

-10

-5

%) pięciowartościowego pierwiastka antymonu, arsenu lub fosforu.

Niektóre atomy krzemu zostaną teraz zastąpione w sieci krystalicznej atomami domieszki
zwanymi donorami. Wskutek małej różnicy energii poziomu donorowego względem pasma
przewodnictwa (zależnej od rodzaju domieszki 1 materiału półprzewodnikowego) energia
cieplna kT - wynosząca ok. 0,025 eV w temperaturze pokojowej tj. ok. 300 K wystarcza do
całkowitego zjonizowania atomów domieszki.
Półprzewodnik typu P uzyskuje się przez zastąpienie niektórych atomów krzemu atomami
pierwiastków trójwartościowych, takich jak np. glin, ind lub gal.

Elementy półprzewodnikowe są przedmiotem Polskiej Normy PN-78/T-01500.

-

3

-

1.2 Dioda prostownicza
Dioda jest elementem elektronicznym o nieliniowej charakterystyce - zależności prądu od
napięcia. Działanie diody półprzewodnikowej oparte jest o złącze p-n dwóch materiałów o
różnym typie przewodnictwa. Działanie diody pozwala na przepływ dużego prądu przy
niskim napięciu w kierunku przewodzenia oraz nie dopuszcza do przepływu prądu nawet przy
wysokim napięciu w kierunku zaporowym.
Diody krzemowe i germanowe wytwarzane są przy wykorzystaniu jednej z dwóch
powszechnie stosowanych metod; metody stopowej i metody dyfuzyjnej.

Kierunek zaporowy

(p)

(n)

+

(p)

(n)

+

Kierunek przewodzenia

obszar

zniszcze nia

Rys. 1.2. Zależność prądu od napięcia diody

Charakterystyka anodowa diody krzemowej, z uwzględnieniem pełnego zakresu napięć
wstecznych, pokazuje rys. 1.3. Prąd zaporowy nie osiąga nasycenia przy zwiększaniu
polaryzacji wstecznej lecz zwiększa się (w przybliżeniu parabolicznie) w miarę zwiększania
napięcia zaporowego.

Rys. 1.3. Wpływ temperatury na charakterystykę diody

Maksymalny prąd przewodzenia diody ograniczony jest wartością mocy diody, która na
rysunkach 2 i 3 miałaby przebieg hiperboli (P=U*I). U

F

, I

F

- napięcie w kierunku

-

4

-

przewodzenia i ustalonej temperaturze (indeks F - od angielskiego forward - naprzod oznacza
zakres przewodzenia); U

R

, I

R

- prąd wsteczny przy określonej wartosci napięcia wstecznego i

ustalonej temperaturze indeks R - od ang. reverse - przeciwny, odwrotny - oznacza zakres
zaporowy) .

Rys. 1.4. Interpretacja graficzna rezystancji dla prądu stałego i rezystancji dynamicznej

W wielu zastosowaniach korzysta się z definicji określających wartość rezystancji diody dla
danego punktu charakterystyki Q (rys. 1.4):

gdzie:
k - współczynnik skali,
R jest wartością rezystancji diody dla prądu stałego, zaś r jest nazywana rezystancją
dynamiczną lub przyrostową.

Rys. 1.5. Modele diod: a) idealnej, b) z napięciem progowym, i r=0, c) z napięciem

progowym oraz r różnym od zera

W wielu zastosowaniach praktycznych korzystnie jest posługiwać się modelami diod, jak
rysunku 1.5. Bazą wyjściową jest model tzw. diody idealnej (rys.1.5a), a wiec diody zerowej
rezystancji w kierunku przewodzenia i nieskończenie wielkiej w kierunku zaporowym.

-

5

-

1.3. Tranzystor bipolarny
Tranzystory wykonywane są jako elementy dwuzłączowe typu p-n-p lub n-p-n - bipolarne
oraz ze złączem generowanym typu n lub p - unipolarne. Najpowszechniej stosowane są
tranzystory wykonane z krzemu typu n-p-n:

c)

n

p

n

E

B

C

+

-

-

+

emiter

baza

kolektor

n

p

E

B

C

+

-

-

+

p

emiter

baza

kolektor

Rys.1.6

Rys. 1.6. Sposób oznaczania tranzystorów na schematach elektrycznych:

a) PNP; b) NPN. Punkt oznaczony znakiem „ — — " ma potencjał niższy niż punkt

oznaczony przez „—"; c) Typowa polaryzacja tranzystorów bipolarnych

Tranzystory PNP i NPN są zwane tranzystorami przeciwstawnymi (komplementarnymi), a
ich parametry, przy współczesnej technologii wytwarzania mogą być identyczne.
Istotnym parametrem tranzystorów jest wzmocnienie prądowe

β = IC / IB . Wzmocnienie

prądowe dla tranzystorów bardzo małej mocy, rzędu 1mW, sięgają kilku tysięcy i wraz ze
wzrostem mocy spada do dziesięciu dla tranzystorów o mocy powyżej 100W. Również
częstotliwość pracy maleje wraz ze wzrostem dopuszczalnej mocy. Tranzystory bipolarne
wymagają dostarczenia energii do wysterowania Pb = UBE • IB .
Zależność prądu bazy od napięcia jest identyczna jak dla diody w kierunku przewodzenia.

Rys. 1.7 Charakterystyki prądowo napięciowe tranzystora.

-

6

-

W układach tranzystory występują w trzech rodzajach połączeń: o wspólnej bazie (rys.1.8a), o
wspólnym kolektorze (rys.1.8b) i o wspólnym emiterze (rys.1.8c). W praktyce wykorzystuje
się wszystkie trzy sposoby połączeń tranzystorów. Przykładowe rodziny charakterystyk
tranzystora w układzie o wspólnym emiterze przedstawiono na rys.1.9. Obrazują one
zależność prądu kolektora Ic od napięcia kolektor-emiter

U

C

E

przy stałym prądzie bazy Ib

(rys.1.9a) oraz zależność prądu bazy I

B

od napięcia baza-emiter U

B

przy stałym napięciu

kolektor-emiter (rys.1.9b).

Rys.1.8. Układy połączeń tranzystorów: a) o wspólnej bazie, WB;

b) o wspólnym kolektorze, WC; c) o wspólnym emiterze, WE

Rys.1.9 Przykładowe rodziny charakterystyk tranzystora w układzie o wspólnym emiterze:

a) charakterystyki wyjsciowe: Ic = f(U

CE

), I

B

= const;

b) charakterystyki wejściowe. I

B

= f(U

BE

),

UCE

= const

1.4 Tranzystor

unipolarny

Tranzystory unipolarne - zwane inaczej jednozłączowymi wykonywane są w technologii FET
i MOSFET. Tranzystory te sterowane są napięciowo i praktycznie nie wymagają dostarczania
energii sterującej.

D

-

+

-

+

p

n

S

G

D

-

+

-

+

p

izolacja

S

G

"n" generowane

n

Ÿród³o

bramka

dren

typowa polaryzacja tranzystora FET

z kana³em typu p

typowa polaryzacja tranzystora MO

z kana³em typu p

Rys.1.10 Polaryzacja tranzystorów unipolarnych

-

7

-

I

SD

U

SD

U

GS0

= 0

U

GS1 <

U

GS0

U

GS2 <

U

GS1

U

GS3 <

U

GS2

U

GS4 <

U

GS3

Rys.

1.11

Charakterystyka napięciowo-prądowa tranzystora unipolarnego

Rys.

1.12. Warstwa izolacyjna diody pojemnościowej jako podstawa działania tranzystora

polowego

Rys. 1.13. Dwie przeciwległe diody pojemnościowe tworzą system tranzystora polowego z

warstwą zaporową

1.5. Tyrystor

Tyrystor stosowany jest jako element prostujący prąd - sterowany. Zwany także zaworem
sterowanym jest, obok diody energetycznej, podstawowym elementem półprzewodnikowym
współczesnej energoelektroniki. Tyrystor przewodzi prąd podobnie jak dioda (między anodą i
katodą), ale dopiero po wyzwoleniu przez przepływ prądu bramkowego (bramka oznaczana
literą G). Gdy prąd między anodą i katodą już płynie - nie wymaga dalszego podtrzymywania

-

8

-

prądem bramki. Dla podtrzymania prądu I

AK

(anoda-katoda) tyrystora wymagany jest prąd

większy od prądu minimalnego Imin. Poniżej tej wartości następuje wyłączenie tyrystora.

Rys.1.14 Charakterystyka napięciowo – prądowa tyrystora.

Rys.1.15 Tyrystor sterowany od strony katody: równoważne symbole graficzne

Charakterystyki pradowo-napi^ciowe tyrystora przed-stawione sa na rys.2.81. Dia pradu
bramki I- - 0 przebieg ich jest

Rys.1.16. Charakterystyka prądowo-napięciowa w stanie przewodzenia

-

9

-

1.6 Półprzewodniki fotoelektryczne

Pojęcia z dziedziny techniki świetlnej

Temperatura barwowa
Każdy odcień barwy odpowiada ściśle określonej temperaturze. Podaje się ją w bezwzględnej
skali temperatur w kelwinach (K). Np.: biały żar odpowiada temperaturze ok. 6000 K.
Światłość (natężenie światła)
Światłość jest miarą intensywności, z jaką źródło promieniuje światło prostopadle do
powierzchni. Jednostką jest kandela (cd). Ciało czarne o temperaturze 2000 K z każdego
centymetra kwadratowego płaskiej powierzchni promieniuje światło o natężeniu równym
60cd.
Luminancja (jaskrawość)
To subiektywne wrażenie powstające w oku ludzkim i odpowiadające jaskrawości. Stosowana
tutaj jednostka to stilb (sb). Świecące ciało ma luminancję 1sb jeżeli z każdego centymetra
kwadratowego płaskiej powierzchni prostopadle do niej jest emitowane światło o natężeniu
1cd, tzn. 1 sb = 1 cd/cm

2

.

Strumień świetlny (wydajność świetlna)
To całkowita wydajność świetlna źródła emitującego światło we wszystkich kierunkach.
Jednostka: lumen (lm), równy strumieniowi wysyłanemu przez źródło światła o natężeniu 1cd
w jednostkowym kącie bryłowym.
Natężenie oświetlenia
Jednostką natężenia oświetlenia jest luks, (lx). Jest to miara jasności powierzchni oświetlanej
przez źródło. Natężenie oświetlenia wynosi 1 lx wtedy, gdy na powierzchnię równą 1 m

2

pada

strumień świetlny równy 1 lumenowi.
Długości fal świetlnych mierzy się w mikrometrach:

Rys. 1.17. Charakterystyka czułości spektralnej niektórych odbiorników swiatła:

A fotokomórka ultrafioletowa, B oko ludzkie, C fotoelement krzemowy, D fototranzystor

germanowy E fototranzystor siarczkowo-ołowiowy

Różnice między rodzajami półprzewodników fotoelektrycznych polegają na ich
światłoczułości bezwzględnej, wrażliwości na określone barwy, częstotliwości granicznej i

-

10

-

zależności temperaturowej. Z natury rzeczy fototranzystor dzięki swojemu wzmacniającemu
działaniu jest czulszy niż fotodiody i fotorezystory.

Tab 1.1 Symbole graficzne przyrządów fotoelektrycznych

a)

przyrząd fotoelektryczny (symbol
ogólny)

obowiązuje wtedy, gdy nie są wymagane
szczegóły konstrukcyjne

b}

fotorezystor, przewodność zależna od
kierunku przeptywu pradu, fotodioda

przewodzenie w kierunku strzałki, praca
głównie w kierunku zaporowym

c)

fotorezystor, niezalezny od kierunku
przepiywu pradu

element jednorodny, niezalezny od kie-
runku przeplywu pradu

d)

fotoogniwo (ogniwo fotoelektryczne)
zależne od kierunku przepływu prądu

bez napięcia pomocniczego stanowi
fotoogniwo (źródło prądu), z napięciem
pomocniczym stanowi fotodiodę

e)

fototranzystor (typ n-p-n)

typ p-n-p

z wyprowadzeniem "' bazy

Odmiany używanych symboli graficznych przyrządów fotoelektrycznych:
a—fotodioda, b—dioda elektroluminescencyjna, c — fototranzystor, d,e — transoptor:

Fotodioda jest elementem światłoczułym. Właściwe jest zasilanie diody w kierunku
zaporowym. Pod wpływem oświetlenia złącza pn płynie prąd w kierunku zaporowym.
Wartość tego prądu proporcjonalna jest do natężenia promieniowania. Czułość fotodiody
wynosi około 0,5A/Lx. Ze względu na niewielkie wymiary powierzchni roboczej ( kilka mm )
prąd jest rzędu

µA przy silnym oświetleniu. Czułość zależy również od długości fali światła.

Fotodiody reagują na światło w zakresie od podczerwieni do nadfioletu. Fotodiody reagują na
zmiany oświetlenia z częstotliwością do kilkuset MHz.

Rys. 1.18. Charakterystyki fotodiody a) Układ roboczy fotodiody; b) Charakterystyki czułego

na swiatło złącza p-n dla różnych natężeń oświetlenia

-

11

-

Fotodiody są bardzo zbliżone do fotoogniw. Bez napięcia zasilania wytwarzają własne
napięcie w wyniku oświetlenia podobnie jak fotoogniwa.

Fototranzystory są elementami łączącymi cechy fotodiod i tranzystorów. Złącze Kolektor-
Baza tranzystora jest wrażliwe na świało. Prąd płynący pod wpływem światła jest
bezpośrednio wzmacniany w tranzystorze, dzięki czemu czułość fototranzystora jest wysoka
w porównaniu z fotodiodą lecz częstotliwość robocza jest kilkadziesiąt razy niższa.
Fotrezystory reagują na oświetlenie przez zmianę rezystancji (wzrasta liczba wolnych
nośników prądu) . Fotorezystory cechują się dużą bezwładnością elektryczną - częstotliwość
pracy około 10 Hz.

Rys. 1.19 Układ roboczy fototranzystora

Pojedyncze fototranzystory najczęściej są umieszczane w metalowych obudowach z
zatopionym, przezroczystym okienkiem po stronie czołowej.

Dioda Elektroluminescencyjna (LED)
Diody te są elementami promieniującymi światło w zakresie od podczerwieni do fioletu.
Promieniowanie następuje przy przepływie prądu przez złącze pn w kierunku prewodzenia.
Strumień światła zależy od wartości prądu. Wartość tego strumienia sięga kilkudziesięciu
mCd (mili candell} przy niskiej sprawności. Zaletą jest możliwość zmian natężenia
strumienia światła z częstotliwością do kilkudziesięciu MHz. Kolor światła zależy od rodzaju
półprzewodnika. Napięcie robocze wynosi od 1,5V dla diody podczerwonej do 4V dla diody
niebieskiej. Charakterystyka diody LED przebiega prawie liniowo (rys. 1.20). Za pomocą
emitowanego promienia świetlnego można więc nie tylko przełączać i sterować, lecz także
bez zniekształceń przekształcać sygnały o dowolnym kształcie na promieniowanie o
odpowiadającej im luminancji. Jednym z typów diod jest laser półprzewodnikowy emitujący
światło spójne w zakresie podczerwieni lub czerwone.

Rys. 1.20

a) Gdy przez diodę elektroluminescencyjną wykonaną z arsenku galu przepłynie prąd, to

złącze p-n wyemituje światło czerwone; b) Charakterystyka prądowo-świetlna diody

-

12

-

I[mA]

Φ [mcd]

+

I

Rys. 1.21 Charakterystyki LED

Diody elektroluminescencyjne stosowane są jako źródło światła do sygnalizacji optycznej.
Jako elementy składowe wyświetlaczy cyfrowych, rzadziej jako przetworniki do tworzenia
obrazu. Stanowią podstawowe źródło światła w przetwornikach pomiarowych wielkości
nieelektrycznych, nadajnikach do łączności optycznej, światłowodowej. Diody laserowe
stosowane są w telekomunikacji, do zapisu i odczytu cyfrowych dysków optycznych.
Fotodiody stosowane są jako elementy odbiorcze w urządzeniach wymienionych wyżej. Wraz
z fotorezystorami stosowane są do pomiaru natężenia oświetlenia.

Transoptory - czyli optoelektroniczne elementy sprzęgające, zawierają diodę
elektroluminescencyjną i fototranzystor krzemowy w światłoszczelnej obudowie. Warstwa
izolacyjna pomiędzy diodą elektroluminescencyjną a foto-tranzystorem służy jednocześnie
jako soczewka optyczna tak, by możliwie jak najwięcej promieniowania podczerwonego
dotarło do aktywnej warstwy fototranzystora.

Rys. 1.22 Układ pracy transoptora

Laser półprzewodnikowy
Zasada działania jest podobna do diody elektroluminescencyjnej. Dioda staje się diodą
laserową dopiero po odpowiednim ukształtowaniu. Należy tu podkreślić miniaturowe
wymiary pręcika półprzewodnikowego. Dioda laserowa emituje promieniowanie ciągłe, a do
pracy wymaga niskiego napięcia, które daje się w prosty sposób modulować napięciem
przemiennym o różnej częstotliwości - stąd szerokie zastosowanie takich diod w
telekomunikacji.

-

13

-

Rys. 1.23. Budowa i wymiary diody laserowej

2.9 Dioda Zenera
Dioda Zenera pracuje w kierunku zaporowym. Dla napięcia roboczego posiada bardzo małą
rezystancję dynamiczną dU/dI (małym zmianom napięcia odpowiadają duże zmiany prądu).
Pozwala to na uzyskanie stabilizacji napięcia na odbiorniku przy zmianach napięcia
zasilającego i zmianach prądu obciążenia.

a)

b)

Uwe

Uwy

Rs

I

Iz

Ro

Io

Rys.1.24a) Charakterystyka diody Zenera i jej symbol; b) układ stabilizatora napięcia (tzw
stabilizator parametryczny; r - rezystancja dynamiczna diody definiowana jako:

-

14

-

2. Wybrane wiadomości uzupełniające

2.1 Diody Zenera a diody lawinowe

W każdej diodzie złączowej, po przekroczeniu pewnej określonej wartości napięcia w
kierunku zaporowym, prąd wsteczny gwałtownie wzrasta. Wartość napięcia, przy której
następuje gwałtowny wzrost prądu jest stała i nie zależy od zmian prądu w szerokich
granicach.
Zjawisko to nazywa się zjawiskiem przebicia. Poziom napięcia, przy którym następuje
przebicie złącza zależy przede wszystkim od koncentracji domieszek po obu stronach złącza.
Im większa jest koncentracja domieszek, tym warstwa zaporowa jest cieńsza i tym niższa jest
wartość napięcia, przy której następuje przebicie. Ilustruje to rysunek 2.1. Diody
prostownicze, przeznaczone do pracy przy dużych wartościach napięcia wstecznego wielkości
1000V mają po jednej stronie złącza obszar o małej zawartości domieszek.

Rys.2.1 Struktura złącza p-n przy różnej zawartości domieszek V, >

P

(, > P : a) dioda

prostownicza, b) dioda lawinowa. c) dioda Zenera

Należy wyraźnie podkreślić, że przebicie złącza nie spowoduje uszkodzenia złącza pod
warunkiem, ze moc wydzielona i związana z nią temperatura złącza nie zostaną przekroczone.
Efekt gwałtownego wzrostu prądu można wyjaśnić za pomocą dwóch rodzajów zjawisk:
zjawiska Zenera i zjawiska lawinowego. Zjawisko Zenera zachodzi w cienkich złączach
(rys.2.1c). Polega ono na rozrywaniu wiązań kowalencyjnych pod wpływem silnego pola
elektrycznego. W cienkich złączach bowiem nawet niewielkie napięcie powoduje powstanie
silnego pola elektrycznego.
Charakterystyczna cecha, zjawiska Zenera jest tzw. ujemny współczynnik temperaturowy, co
oznacza, ze przy wzroście temperatury maleje wartość napięcia, przy którym następuje
przebicie (rys.2.2). Wynika to z faktu, ze wzrost temperatury powoduje zwężenie pasma za-
bronionego, co ułatwia proces rozrywania wiązań.
Przebicie dzięki jonizacji lawinowej występuje w złączach szerszych (w większości typu
złącz p-n) i dlatego wartości napięć powodujących przebicie są również większe. Mechanizm
tego zjawiska tłumaczy się bombardowaniem atomów elektronami tworzącymi prąd
wsteczny. Przy odpowiedniej wartości pola elektrycznego elektrony uzyskują; energię
wystarczającą do rozerwania wiązań walencyjnych.

-

15

-

Rys.2.2 Wpływ temperatury: a) na zjawisko Zenera, b) lawinowe

Każde zderzenie elektronu z atomem daje początek nowej parze elektron-dziura - rozpoczyna
się proces jonizacji lawinowej. Warunkiem koniecznym rozpoczęcia jonizacji lawinowej jest
to, aby energia elektronu, uzyskiwana na odcinku jego średniej drogi swobodnej, była
wystarczająca do wytworzenia pary dziura-elektron. W przeciwieństwie do zjawiska Zenera
mamy tym razem do czynienia z dodatnim współczynnikiem temperaturowym. Wzrost
temperatury powoduje zmniejszenie średniej drogi swobodnej, a wiec do rozpoczęcia
jonizacji jest wówczas potrzebne większe pole elektryczne, a wiec i większa wartość napięcia.
Ilustruje to rys.2.2. Zjawisko Zenera zachodzi przy napięciach do około 6V, zjawisko
lawinowe powyżej 5 V. Przy napięciach pośrednich zachodzą oba zjawiska jednocześnie.

2.3 Dioda pojemnosciowa
Przy polaryzacji złącza p-n w kierunku zaporowym złącze p-n można traktować jako
kondensator. Warstwa zaporowa odgrywa rolę dielektryka, materiały P i N - rolę okładzin
gromadzących ładunki powierzchniowe. Konstrukcja diod pojemnościowych (waraktorow)
jest taka, ze pojemność warstwy zaporowej jest duża w porównaniu z pojemnością
zwyczajnej diody spolaryzowanej w kierunku zaporowym. Schemat zastępczy diody
pojemnościowej (rys.2.50b) zbudowany jest z podstawowych członów reprezentujących: Rp -
rezystancję masy materiału półprzewodnikowego, Ru - rezystancje upływu przez warstwę
zaporową, C - pojemność diody, L - indukcyjność doprowadzeń. Podstawowym parametrem
diody jest oczywiście pojemność C, której wartość zależy w sposób nieliniowy od napięcia
wstecznego przyłożonego do diody. Diody pojemnościowe stosuje się do sterowania
napięciowego częstotliwością rezonansową obwodu elektrycznego, a więc do budowy
generatorów przestrajanych napięciowo. Znajdują szerokie zastosowanie w radiotechnice
(generatory o regulowanej częstotliwości, nadajniki z modulacja częstotliwości, układy
automatycznego dostrajania) .

Rys.2.3 Dioda pojemnościowa: a) symbol, b) schemat zastępczy,

c) zależność pojemności od napięcia

-

16

-

2.4 Dioda schottky'ego
Przejście od stanu przewodzenia do stanu zaporowego nie odbywa się w diodzie skokowo,
lecz następuje w określonym czasie. Związane to jest ze zgromadzonym ładunkiem
zmagazynowanym (przy przewodzeniu), który musi być odprowadzony po zmianie
polaryzacji. Dlatego też po przyłożeniu napięcia wstecznego przez diodę, płynie początkowo
prąd wsteczny aż do chwili, gdy ładunek zostanie odprowadzony. Czas potrzebny do tego
celu stanowi o czasie wyłączania diody. Diody Schottky'ego są diodami o bardzo krótkim
czasie przełączania, którego wartość wynosi około kilkudziesięciu piko-sekund. Osiągnięto to
dzięki zastosowaniu zamiast warstwy p-n, warstwy typu metal-półprzewodnik, która posiada
również własności prostownicze, ale ładunek gromadzony w takim złączu jest niezmiernie
mały. Drugą cecha różniąca diody Schottky'ego od normalnych diod jest mniejsze napięcie w
kierunku przewodzenia, które wynosi ok. 0,3 V.

Rys. 2.4 Symbol diody Schottky'ego

Obie cechy powodują, że omawiane diody znajdują zastosowanie w układach elektronicznych
pracujących z dużą szybkością.

2.5 Prądy zerowe tranzystora bipolarnego
W tranzystorze bipolarnym warstwowym prąd kolektora jest ściśle uzależniony od prądu
bazy. Jeżeli złącze baza - emiter nie jest spolaryzowane i prąd bazy równy jest zeru, wówczas
zakładając, że mamy do czynienia z tranzystorem idealnym, prądy kolektora i emitera
powinny również równać się zeru. W warunkach rzeczywistych tak nie jest i mamy do
czynienia z istnieniem tzw. prądów zerowych tranzystora. Prądy zerowe są to prądy
wynikające ze zjawiska generacji termicznej nośników mniejszościowych. Rysunek 2.5
ilustruje rozpływ i istotę prądów zerowych.

Rys. 2.5. Rozpływ prądów w tranzystorze n-p-n przy: a) polaryzacji złącza kolektorowego,

b) polaryzacji kolektora i emitera, c) polaryzacji roboczej tranzystora

(praca w stanie aktywnym)

Na podstawie rys.2.5 można napisać:

Skąd równanie wiążące oba prądy zerowe przyjmie postać:

-

17

-

2.6 Tranzystorowy wzmacniacz napięciowy
Do parametrów eksploatacyjnych wzmacniaczy zaliczamy: wzmocnienie napięciowe,
wzmocnienie prądowe, rezystancję wejściową i rezystancję wyjsciową.
Wzmacniacze zawierające jeden element wzmacniający (wzmacniacze jednostopniowe)
występują bardzo rzadko. W praktyce mamy do czynienia ze wzmacniaczami
wielostopniowymi złożonymi z pojedynczych wzmacniaczy (sprzężonych pojemnościowo,
transformatorowo lub bezpośrednio).
W typowych układach tranzystorowych wzmacniaczy napięciowych wystepują sprzężenia
pojemnościowe.
Na rys. 2.6 przedstawiono schemat jednostopniowego tranzystorowego wzmacniacza
napięciowego z tranzystorem typu NPN w układzie WE. Rezystory R

C

i .

R

e

warunkują, przy

załączonym źródle zasilania +Ec, odpowiedni prąd kolektora I

c

i odpowiedni spadek napięcia

U

c

. na tranzystorze. Znając prądy I

C

- i I

B

tranzystora, ustala się punkt B pracy statycznej

tranzystora (rys. 34.2). Kondensatory C

E

, C

we

i C

wy

wydzielają z sygnału wejściowego i

wyjściowego tylko składową zmienną.

Rys.2.6 Schemat tranzystorowego wzmacniacza jednostopniowego

Rys.2.8 Charakterystyki .statyczne oraz punkt pracy tranzystora

Pod wpływem sygnału wejściowego U

we

, zmienia się prąd bazy l

B

tranzystora, dajac

β razy

większe zmiany prądu kolektora 1

C

. Zmiany prądu Ic wywołują na rezystorze R

C

przesuniete

o 180° zmiany napięcia

∆I

C

R

C

a pośrednio zmiany napięcia U

CE

=E

c

-

∆I

C

R

C

-

∆I

E

R

E

.

Przemienne napięcie U

CE

przez kondensator Cwy zostaje podane na zaciski wyjściowe.

-

18

-

Wyznaczanie pasma przenoszenia tranzystorowego wzmacniacza napięciowego

Pomiary przeprowadzamy na układzie przedstawionym na rys.2.6. Generator akustyczny
obciążony jest dzielnikiem napięcia złożonym z rezystorów masowych R1 i R2. Do zacisków
wejściowych badanego wzmacniacza doprowadzone jest napięcie Uwe równe spadkowi
napięcia na rezystorze R2

Na wyjściu wzmacniacza należy podłączyć jedną z sond oscyloskopu do obserwacji kształtu
(i pomiaru) wzmocnionego przebiegu, zaś drugą do pomiaru wartości napięcia wyjściowego.
Współczynnik wzmocnienia napięciowego Ky obliczamy na podstawie pomiaru:

Pomiar współczynnika wzmocnienia napięciowego

Pomiary wykonujemy w układzie:

Rys.2.9 Schemat układu do badania tranzystorowego wzmacniacza napięciowego

Wielkością zmienną jest napięcie wejściowe, natomiast stałą - częstotliwość. Pomiary
współczynnika Ky wykonujemy przy różnych częstotliwościach w paśmie częstotliwości
akustycznych (30 Hz do 20 kHz).

2.7 Tranzystor polowy jak rezystancja wewnątrz kryształu półprzewodnikowego

Zwiększenie wartości napięcia U

GS

powoduje wzrost szerokości obu warstw zaporowych i w

efekcie zmniejszenie obszaru przewodzącego prąd (rys. 2.10) . Powoduje to wzrost
rezystancji obszaru D-S i zmniejszenie pradu I_. Tego rodzaju sterowanie pradu można (przez
analogię) porównać ze sterowaniem przepływu wody przez wąż gumowy, który jest ściskany
w celu zdławienia przepływu. Zatem tranzystor polowy typu złączowego stanowi - podobnie
jak odmiana z izolowaną bramką - sterowaną rezystancję wewnątrz kryształu
półprzewodnikowego.

-

19

-

Rys.2.10. Wpływ napięcia U

GS

na przekrój czynny kanału

Rys.2.11 Rodzina charakterystyk tranzystora polowego złączowego z kanałem typu n.

-

20

-

3. PRZEBIEG ĆWICZENIA

3.1 Badanie diody prostowniczej.

Badanie charakterystyki diody prostowniczej w kierunku przewodzenia.

V1

A1

D1

R4

-

+Uz

Rys. 3.1

Należy połączyć układ elektryczny w/g schematu jak na rysunku 3.l, gdzie:

R4 = 5,6 kom , Dl - dioda typu AAP 158
VI - woltomierz cyfrowy
Al - amperomierz wskazówkowy 3 - t S mA

Zmieniamy napięcie zasilające w zakresie 0 - 50 V

Tabela 1.

Ui

V

Ii

mA

Badanie prostowniczej w kierunku zaporowym.
Należy połączyć układ pomiarowy wg schematu jak na rysunku 3.2 gdzie:
R4 = 5,6 k

Ω

D1 – diioda typu Aap 152
VI - woltomierz cyfrowy, A l - mikroamperomierz wskazówkowy 0 - 300 uA

V1

A1

D1

R4

-

+Uz

Rys. 3.2

-

21

-

Tabela 2.

Ui

V

Ii

µA

Na podstawie wyników z tabeli 1 i 2 należy wykreślić charakterystykę napięciowo prądową
diody D1 .

3.2 Badanie diody elektroluminescencyjnej w kierunku przewodzenia

V1

A1

DS

R4

-

+Uz

Rys. 3.3

Należy połączyć schemat jak na rysunku 3.3 osobno dla diody czerwonej i diody zielonej.
gdzie:
R4 = 5,6 k

Ω

Ds2 - dioda czerwona
Ds1 - dioda zielona
V1 - woltomierz cyfrowy
A1 - amperomierz wskazówkowy (I max s 40 mA)

Przebieg ćwiczenia Zmieniamy napięcie zasilające w zakresie 0 - 50V

Tabela 3.

U1

V

D

A1 mA

U1

V

D

A1 mA

Na podstawie wyników z tabeli 3 należy wykreślić charakterystyki napięciowo-prądowe w
kierunku przewodzenia dla obu typów diod.
Nalezy określić progi napięcia zadziałania (zaświecenia) dla obu typów diod.

3.3 Badanie diody Zenera
a. Badanie diody Zenera w kierunku przewodzenia.

-

22

-

V1

A1

DZ

R2

-

+Uz

Rys.3.4

Należy połączyć układ elektryczny w/g schematu jak na rysunku 3.4 gdzie:
R2 = 225

Ω

DZ. typ C5V1
VI - woltomierz cyfrowy, Al - amperomierz wskazówkowy 75 mA

Przebieg ćwiczenia
Zmieniamy napięcie zasilające Uz_w granicach 0 - 15 V.

Tabela 4.

V1

V

A1

mA

a. Badanie diody Zenera w kierunku przewodzenia.

V1

A1

DZ

R2

-

+Uz

Rys.3.5

Należy połączyć układ w/g schematu jak na rys. 3.5 gdzie wszystkie elementy tak jak na
rys.3.4.

Przebieg ćwiczenia

Zmieniamy napięcie zasilające Uz w zakresie o - 15 V.

Tabela 5.

V1

V

A1

mA

Na podstawie wyników z tabeli 4 i 5 należy wykreślić charakterystykę napięciowo-prądową
diody Zenera.

-

23

-

3.4 Badanie fotorezystora.

V2

A2

DS3

Rp3

-

+Uz

V1

A1

R2

Rs

DS2

R1

Rys.3.6

Należy połączyć układ elektryczny w/g schematu jak na rysunku 3.6,
gdzie:
Rl = 75

Ω, R2 = 225Ω

Ds2 - dioda świecąca czerwona
Rp3 potencjometr wieloobrotowy 10 k

Ω

Ds3 dioda świecąca czerwona
Rs - badany fotorezystor
A1 - miliamperomierz wskazówkowy 30mA
A2 - mliamperomierz wskazówkowy 30mA
V1 - woltomierz cyfrowy

Przebieg ćwiczenia.
Należy ustawić napięcie zasilające Uz = 10 V = const. Oświetlić fotorezystor Rs diodą
świecącą Ds3. Potencjometrem Rp3 zmieniamy wartość prądu A2 od minimum do max.

Tabela 6.

I1

mA

I2

mA

U1

V

Rfs

Rf - rezystanacja fotorezyatora Rfs = U1/ I1
Ponieważ natężenie światła emitowanego przez diodę świecącą jest wprost proporcjonalne do
prądu przez nią płynącego możemy uznać że wykreślona charakterystyka Rf = f(Il), jest
charakterystyką rezystancji fotorezystora w funkcji natężenia padającego światła.

-

24

-

3.5 Badanie tranzystora typu NPN.

a) Badanie tranzystora jako elementu wzmacniacza jednostopniowego.

Należy połączyć układ w/g schematu jak na rys. 3.7.
gdzie:
R2 = 225

Ω, R3 = l kΩ

R4 = 6,6 k

Ω, Rp1 = 47 kΩ

T6 - tranzystor NPN typ BC 211
V1 , V2 , V3 , V4 woltomierze cyfrowe

Przebieg ćwiczenia;
Ustalamy napięcie zasilające Uz = 15 V. Zmieniając napięcie wejściowe U4 obserwujemy
zmiany napięć:
V2- odpowiada pracy wzmacniacza w układzie wspólnego emitera
V3- odpowiada pracy wzmacniacza w układzie wspólnego kolektora.
Tabela 7.

nr

0

1

2

U4

V

U2

V

U3

V

U1

V

V4

R3

R2

R4

Rp1

T6

+15V

0V

V2

V3

V1

Rys.3.7

-

25

-

b) Wyznaczanie charakterystyki częstotliwościowej
Należy połączyć układ wg schematu na rys. 3.8.
gdzie.: wszystkie elementy układu o wartościach jak w punkcie poprzednim
GEN - generator napięcia sinusoidalnego
OSC - oscyloskop

Przebieg ćwiczenia;
Ustalamy napięcie zasilające Uz = 15V.
Ustalamy parametry przebiegu wyjściowego z generatora Ugen = O.5 V, 1000 Hz.
Potencjometrem Rp1 ustawiamy takie napięcie polaryzacji bazy tranzystora by otrzymać na
ekranie oscyloskopu nie zniekształcony przebieg sinusoidalny. Zmieniając częstotliwość
generatora odczytujemy z oscyloskopu wartość napięcia na wyjściu wzmacniacza (w zakresie
10 Hz -100 kHz).
Tabela 8.

f

Hz

Uw

k

k – współczynnik wzmocnienia k = Uwy/Uwe.
Należy wykreślić charakterystykę k = F(f) w skali logarytmicznej dla osi częstotliwości.

R3

R2

R4

Rp1

T6

+15V

0V

osc

gen

V2

Rys.3.8

______________________________________________________________________
Literatura:
Jerzy Matysik - "Podstawy elektroniki i elektrotechniki" WPW
Marek Pilawski - "Pracowania elektryczna" WSiP
Otto Liman Horst Pelka - "Elektronika bez większych problemów" WkiŁ

-

26

-

4. Pytania kontrolne

1. Charakterystyki diody prostowniczej i tyrystora i wpływ temperatury na ich pracę.
2. Podstawowe różnice między typami tranzystorów.
3. Układy pracy i sposoby zasilania fotodiody i elektroluminescencyjnej (LED).
4. Charakterystyka diody Zenera i układ prostego stabilizatora.
5. Układ prostego wzmacniacza tranzystorowego i rola kondensatorów.