Ćwiczenie nr 1

POMIAR CHARAKTERYSTYK DIOD I TRANZYSTORÓW

1. WPROWADZENIE

Diody półprzewodnikowe

Zasadę budowy diod półprzewodnikowych przedstawiono na rysunku:




Diody ostrzowe mają małą obciążalność prądową i napięciową, ale mogą pracować przy wielkich częstotliwościach (do kilkudziesięciu GHz) ze względu na ich małą pojemność między elektrodową. Złącze PN w diodach ostrzowych powstaje na granicy zetknięcia germanu typu N lub krzemu typu P z ostrzem metalowym. Ostrze jest zwykle wykonane z wolframu lub złota.
Diody prostownicze dużej mocy mają obudowę metalową. Katoda jest zwykle połączona z obudową. Obudowa diod dużej mocy jest przystosowana do przykręcenia diody do radiatora (chłodnicy), natomiast anoda jest wyprowadzona grubym, giętkim przewodem. Charakterystykę statyczną diody półprzewodnikowej przedstawiono na rysunku poniżej:


W kierunku przewodzenia, przy małym napięciu U dioda półprzewodnikowa przewodzi słabo. Dopiero po przekroczeniu tzw. napięcia progowego (dla germanu wynosi ono ok. 0,2V, a dla krzemu ok. 0,7 V) prąd przewodzenia zwiększa się bardzo szybko.
W kierunku zaporowym przez diodę płynie bardzo mały prąd wsteczny o wartości kilku mikroamperów. Przy dużym napięciu wstecznym (tzw. napięciu granicznym) Uzg rozpoczyna się szybkie narastanie prądu I przy prawie stałym napięciu na diodzie. Prąd diody jest wówczas ograniczany przez rezystancję R. Napięcie graniczne ma wartość zależną od konstrukcji złącza PN (ma wartość kilkanaście do kilkuset woltów). Przy napięciu wstecznym wyższym od granicznego prędkość nośników ładunku elektrycznego jest tak duża, że podczas zderzeń tych nośników z atomami siatki krystalicznej następuje jonizacja atomów. W wyniku jonizacji powstają dodatkowe elektrony swobodne i prąd wsteczny gwałtownie zwiększa się przy prawie starym napięciu wstecznym. Tę właściwość złącza PN wykorzystano w diodach Zenera. Są one diodami krzemowymi i stosuje się je w układach stabilizacji napięcia. Stabilizują one napięcie prądu stałego przy dużych zmianach prądu płynącego przez nie. Diody Zenera (stabilizatory) produkowane w Polsce stabilizują napięcie w granicach 3.l...38 V przy dopuszczalnym prądzie przewodzenia 20 mA...3 A (zależnie od typu diody). Najważniejszymi parametrami diod półprzewodnikowych są:

1) dopuszczalne napięcie wsteczne,
2) dopuszczalny prąd przewodzenia,
3) prąd wsteczny,
4) pojemność diody,

Pierwsze dwa parametry określają granice napięcia i prądu, których nie wolno przekraczać pod groźbą zniszczenia diody.
Dopuszczalne napięcie wsteczne przyjmuje się jako 80% wartości napięcia granicznego. Dopuszczalne napięcie wsteczne i dopuszczalny prąd wsteczny zależą od konstrukcji i technologii wykonania diody. Parametry te określają również moc prądu zmiennego, który dioda może przełączać. Biorąc pod uwagę fakt, że dioda jest elementem prostującym, oczekujemy by jej prąd wsteczny był jak najmniejszy. Zatem wartość prądu wstecznego decyduje o jakości diody. Prąd wsteczny diod półprzewodnikowych silnie zależy od temperatury. W temperaturze pokojowej prąd wsteczny diod krzemowych jest kilkadziesiąt razy mniejszy od prądu wstecznego diod germanowych podobnej konstrukcji. Pojemność diody jest bardzo ważnym parametrem przy wielkich częstotliwościach. Wynika to ze schematu zastępczego diody:




Przy dostatecznie dużej częstotliwości reaktancja kondensatora C_r jest tak mała, że zwiera ona diodę. Prąd płynie przez pojemność C_r zamiast przez rezystancję R_f (w kierunku przewodzenia) i R_z (w kierunku zaporowym). Zatem przy wielkiej częstotliwości zacierają się właściwości prostujące diody - działa ona jak kondensator. W diodach impulsowych krzemowych pojemność C_r ma wartość l,5...4 pF, natomiast w diodach waraktorowych - przeznaczonych do pracy przy częstotliwości setek GHz - jest równa ułamkowi pF. Pojemność C_r silnie zależy od napięcia złącza PN - maleje ze wzrostem napięcia wstecznego. Zależność tę wykorzystujemy w diodach pojemnościowych (tzw. warikapach), które są używane do strojenia obwodów rezonansowych wielkiej częstotliwości (w.cz.) w układach wejściowych radioodbiorników i telewizorów, za pomocą zmian napięcia wstecznego diody.

Diody stabilizacyjne

Diody stabilizacyjne pracują w zakresie rewersyjnym charakterystyki napięciowo-prądowej w warunkach odwracalnego przebicia elektrycznego złącza p⁺- n⁺ o mechanizmie Zenera lub/i lawinowym (rys.1). W takim bardzo cienkim złączu powstają warunki ostrego i wyraźnego przebicia wyrażającego się nagłym i znacznym wzrostem prądu przy stosunkowo niskich napięciach. Diody stabilizacyjne są wykonywane zwykle z krzemu, które są bardziej stabilne i odporne na przebicie cieplne niż diody germanowe.

Maksymalna dopuszczalna moc rozproszenia diody stabilizacyjnej ogranicza jej prądowy zakres pracy. Zakres ten można określić na podstawie przedstawionej w katalogu maksymalnej mocy dopuszczalnej P_max(20^oC) w temperaturze otoczenia T_a=20^oC (lub 300 K) oraz dopuszczalnej maksymalnej temperatury złącza T_j,max

(1)

Charakterystyczne nominalne napięcie przebicia U_ZK jest w przybliżeniu napięciem stabilizacji U_Z. Zatem można przyjąć, że maksymalny prąd stabilizacji wynosi

I_MAX= P_MAX/U_ZK (2)

Warunki pracy diody ustawia się w ten sposób, że średni prąd wyznacza punkt pracy stabilizowanego prądu:

(3)

Następnie definiujemy dla punktu pracy (U_Z ,I_Z) rezystancję dynamiczną - stosunek przyrostu napięcia na diodzie do przyrostu prądu płynącego przez diodę dla liniowej części charakterystyki:

(4)

oraz rezystancję statyczną (stałoprądową) - stosunek napięcia na diodzie do płynącego przez nią prądu w danym punkcie pracy:

(6)

Stosunek obu rezystancji nazywany jest współczynnikiem nieliniowości diody stabilizacyjnej

(7)

Dobrze stabilizuje dioda o >100.

Wpływ temperatury otoczenia na stabilizowaną wartość napięcia U_Z jest określany temperaturowym współczynnikiem napięcia Zenera. Jest on zależny od napięcia stabilizowanego. Jest ujemny dla diod o U_Z < 5 V, a dodatni dla diod o U_Z < 6 V. Diody stabilizujące napięcia rzędu 5...6 V mają współczynnik ten w przybliżeniu równy zeru. W praktyce - pozwala nam przewidzieć zachowanie diody przy zmianie temperatury (wzrost, czy spadek napięcia stabilizowanego oraz wartość zmiany)

[%/K] (8)

gdzie: U_Z - średnia wartość zmian U_Z,   dopuszczalny zakres temperatury pracy diody. Współczynnik ten jest wyznaczany przy średnim prądzie I_Sr, ograniczanym rezystancją szeregową R_o dla napięcia zasilania U_S w podstawowym układzie stabilizacyjnym (rys.2). W tym układzie schemat zastępczy diody stabilizacyjnej składa się z wyżej zdefiniowanych parametrów rezystancyjnych R_Z i r_Z oraz pojemności C, zwierającej składową zmienną stabilizowanego prądu. Praca diody w tym najprostszym układzie stabilizacyjnym polega na zmianie swojej rezystancji stałoprądowej pod wpływem napięcia wejściowego U_S i prądu obciążenia I_L płynącego przez rezystor R_L (rys. 1 i 2a). Dla stabilizatora można zapisać następujące proste równanie

U_S = (i_Z + I_L)R_o + u_Z (9)

Stąd mamy równanie prostej obciążenia diody stabilizacyjne

(10)

Jej przebieg i charakterystyczne punkty są zaznaczone na rysunku 1. Istotne dla projektu stabilizatora i wyboru diody na napięcie U_z są oczekiwane zmiany (fluktuacje) napięcia wejściowego U_S oraz wymagania stawiane obciążeniu. Aby im sprostać należy wyznaczyć rezystancję R_o , ograniczającą prąd i wyznaczającej nachylenie prostej obciążenia (5.10), tak aby prąd diody nie spadł poniżej I_min - co oznacza, że dioda jest utrzymywana w stanie przebicia. Zmiany napięcia (fluktuacje) na obciążeniu U_L są zależne od czterech czynników: zmian napięcia wejściowego U_S, rezystancji obciążenia oraz temperatury i impedancji diody stabilizacyjnej.

Współczynnik stabilizacji. Wyraża on stosunek względnych zmian prądu płynącego przez diodę do wywołanych przez nie względnych zmian spadku napięcia na diodzie.

Jak jest zbudowany i jak działa tranzystor bipolarny

Ogólnie mówiąc tranzystor jest elementem wzmacniającym sygnały elektryczne. Zasadę budowy tranzystora przedstawiono na rysunku:



Składa się on z dwu złącz PN połączonych szeregowo - stąd nazwa tych tranzystorów - bipolarne (dwupolowe). Złącza są umieszczone w obudowie hermetycznej z trzema wyprowadzeniami poszczególnych warstw półprzewodnika. Skrajne warstwy półprzewodnika nazywamy emiterem i kolektorem, a środkową bazą. W zależności od typu półprzewodnika (N czy P) tworzącego bazę rozróżniamy tranzystory typu NPN lub PNP. Sposób polaryzacji w kierunku przewodzenia tych dwóch typów tranzystorów jest odmienny. Tranzystor typu NPN musi być spolaryzowany tak, by kolektor miał duży potencjał dodatni względem emitera (w zależności od wykonania tranzystora do 15 V lub do 150 V), a baza - mały potencjał dodatni względem emitera (kilkaset miliwoltów).

Działanie tranzystorów wyjaśnimy na przykładzie tranzystora NPN. Weźmy pod uwagę tranzystor NPN włączony w układ przedstawiony na rysunku:

Tranzystor nie przewodzi (jest zatkany), ponieważ napięcie U'_B polaryzuje zaporowo dolne złącze PN (baza-emiter). Złącze górne kolektor-baza jest również spolaryzowane zaporowo przez napięcie (U'_B+Uc_E).

W wyniku zaporowej polaryzacji obu złącz tranzystora ładunki dodatnie - (dziury) gromadzą się w środku bazy, gdyż są odpychane przez pole elektryczne kolektora i emitera, a ładunki ujemne (elektrony) gromadzą się w kolektorze i emiterze, z dala od bazy. Na skutek tego przez oba złącza PN prąd nie płynie, a zatem tranzystor nie przewodzi (jest zablokowany, zatkany). Po zmianie kierunku napięcia zasilającego obwód bazy tranzystora, złącze baza-emiter będzie spolaryzowane w kierunku przewodzenia:

Zauważmy, że napięcie zasilające obwód kolektora jest tak skierowane, że zawsze złącze baza-kolektor jest spolaryzowane zaporowo. Kolektor przyciąga wszystkie ładunki swobodne ujemne znajdujące się w obszarze bazy, a odpycha ładunki dodatnie. Ponieważ baza jest wykonana z półprzewodnika typu P, to możemy założyć, że normalnie nie ma w niej elektronów swobodnych i przez złącze baza-kolektor prąd nie płynie.
W przypadku pozytywnego spolaryzowania złącza baza-emiter przewodzi ono prąd. Elektrony z emitera przechodzą do bazy, a ponieważ baza jest bardzo cienka, to natychmiast dostają się w pole przyciągania kolektora i wskutek tego złącze baza-kolektor przewodzi prąd. Tylko niewielka część elektronów z emitera płynie w obwodzie bazy.
Większość elektronów biegnie do kolektora, ponieważ napięcie kolektor-emiter Uc_E jest znacznie wyższe od napięcia baza-emiter Ube. Rozpływ elektronów w tranzystorze odbywa się według prawa Kirchhoffa: I_E=I_C+I_B. Prąd bazy jest znacznie mniejszy od prądu kolektora, a zatem prąd kolektora jest prawie równy prądowi emitera I_C=I_E Tranzystor jest wzmacniaczem prądu bazy - mały prąd bazy powoduje przepływ dużego prądu kolektora, małe zmiany prądu bazy powodują duże zmiany prądu kolektora. Wzmocnieniem prądowym tranzystora β nazywamy iloraz zmian prądu kolektora i zmian prądu bazy β =ΔIc/ΔI_B .Wzmocnienie prądowe β współczesnych tranzystorów krzemowych ma wartość kilkaset, a nawet kilka tysięcy. Przykładowe charakterystyki tranzystora przedstawiono na kolejnym rysunku:



Z charakterystyk wejściowych wynika, że prąd bazy zależy nie tylko od napięcia wejściowego U_BE, ale i od napięcia kolektor-emiter U_CE. Jest to zrozumiałe, jeśli zważymy, że kolektor wychwytuje z bazy tym więcej elektronów, im większy ma potencjał dodatni.
Prąd kolektora początkowo szybko się zwiększa (przy niskim napięciu U_CE), a następnie przestaje się zwiększać (tranzystor nasyca się) i prawie nie zależy od napięcia U_CE. Wartość prądu kolektora w nasyceniu zależy głównie od prądu bazy.

Istotną rzeczą jest to, że przy prądzie bazy I_B = O prąd kolektora jest większy od zera i ma wartość I_CE0 (od kilku do kilkuset mikroamperów - zależnie do typu tranzystora). Jest to spowodowane generacją cieplną ładunków swobodnych w złączu PN baza-kolektor spolaryzowanym zaporowo przez napięcie U_CE. Prąd I_CE0 nazywamy prądem zerowym kolektora.
Podczas pracy w tranzystorach wydziela się ciepło. Aby nie dopuścić do cieplnego zniszczenia tranzystora, nie wolno przekraczać jego mocy admisyjnej P_a podawanej w katalogach.
Ważnym parametrem tranzystorów, w przypadku ich użycia w układach prądu zmiennego, jest maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter U_BE. W przypadku tranzystorów krzemowych najczęściej wynosi ono ok. 5 V. Powyżej tego napięcia wstecznego następuje przebicie złącza baza-emiter, a zatem uszkodzenie tranzystora.

Tranzystor polowy złączowy

Tranzystor polowy złączowy, określany też skrótem FET (Field Effect Transistor) stanowi płytka półprzewodnika, w której zostały wyt­worzone trzy warstwy: warstwa środkowa o określonym typie przewod­nictwa (może być typu p albo typu n) oraz dwie warstwy zewnętrzne o typie prze­wod­nictwa przeciwnym w stosunku do typu przewodnictwa warstwy środkowej.

Rys. 3. Budowa tranzystora polowego złączowego.

Warstwa środkowa nazywa się kanałem. Na obu końcach tej wars­twy znajdują się doprowadzenia, dzięki którym można przepuszczać prąd elektryczny przez kanał. Warstwy zewnętrzne (na rys. 3 są to warstwy ty­pu p) także posiadają doprowadzenia elektryczne. Doprowadzenia warstw zewnętrznych są ze sobą połączone. Ich wspólne wyprowadzenie jest nazywane bramką i oznaczane jest literą G (od słowa „gate”).

Jak widzimy, w tranzystorze polowym złączowym istnieją dwa złą­cza p-n. Cechą charakterystyczną złącza p-n jest istnienie po obu jego stronach obszaru pozbawionego swobodnych nośników prądu elektrycz­ne­go. Obszar taki nie przewodzi prądu. Szerokość tego obszaru zależy od napięcia pomiędzy warstwami p i n. Im większe jest napięcie polaryzują­ce złącze p-n w kierunku zaporowym, tym większa jest szerokość obsza­ru pozbawionego nośników. Zmieniając napięcie przyłożone pomiędzy bramkę a kanał w tranzystorze polowym, wpływamy na szerokość obsza­ru pozbawionego nośników w kanale tranzystora. Im większą wartość ma napięcie polaryzujące zaporowo złącza p-n, tym szerokość warstwy prze­wodzącej w kanale jest mniejsza, a tym samym opór kanału jest większy.

Dla tranzystora zbudowanego zgodnie z rys. 3 złącza p-n są spola­ryzo­wa­ne zaporowo, gdy potencjał bramki jest niższy, niż potencjał ka­na­łu. Im bardziej ujemnie będzie spolaryzowana bramka, tym węższy będzie kanał, a jego opór - oczywiście - większy.

Dla tranzystora posiadającego kanał typu p wzrost oporu kanału będzie następował przy polaryzacji bramki w kierunku dodatnim. Jeżeli między doprowadzenia kanału dołączymy źródło napięcia, przez kanał będzie płynął prąd elektryczny. Wartość natężenia tego prądu można zmieniać, zmieniając wartość napięcia przyłożonego między bramkę a jedno z doprowadzeń kanału. Na rys. 4 zostały pokazane dwa źródła na­pięć przyłożonych do elektrod tranzystora polowego. Pomiędzy oba dop­rowadzenia kanału zostało włączone źródło napięcia U1. Pomię­dzy bramkę a jedno z doprowadzeń kanału zostało włączone źródło na­pię­cia U2. Złącza p-n są spolaryzowane zaporowo. Przy doprowa­dzeniu S na­pięcie zaporowe pomiędzy bramką a kanałem jest bliskie wartości U2. Przy doprowadzeniu D napięcie zaporowe pomiędzy bramką a kanałem jest więk­sze - jest bliskie wartości U2+U1. Oznacza to, że przy doprowa­dzeniu D szerokość warstw pozbawionej nośników elektrycznych jest największa. Tutaj też będzie niewielka szerokość warstwy przewodzącej kanału. W pobliżu doprowadzenia D prąd płynie przez wąski obszar przewodzący, tzw. dren (dlatego też prąd płynący przez kanał tranzystora polowego nosi nazwę prądu drenu). Na rys. 4 obszary, w których istnieją swobodne nośniki prądu elektrycznego zostały zaznaczone przez zakres­kowanie. Obszar czysty na rysunku, to obszar pozbawiony swobodnych nośników elektrycznych.

Rys.4. Polaryzacja elektrod tranzystora polowego złączowego o kanale n.

Zwiększając wartość zaporowego napięcia U2 można spowodować, że prąd drenu zupełnie zaniknie. Jeśli przy niezbyt dużej wartości napię­cia zaporowego U2 zaczynamy zwiększać napięcie U1 poczynając od nie­wielkich jego wartości, to natężenie prądu drenu jest na początku pro­por­cjo­nalne do napięcia U1. W miarę zwiększania napięcia U1 propor­cjonal­ność ta coraz bardziej zanika, tak że od pewnej wartości U1 natę­żenie prądu drenu praktycznie już nie wzrasta. Mamy tutaj dwa przeciw­stawne efekty: wzrost natężenia prądu drenu wraz ze wzrostem napięcia U1 (prawo Ohma) oraz malenie prądu drenu z powodu wzrostu oporu ka­nału. Dla niewielkich wartości U1 przeważa efekt pierwszy. Ze wzros­tem wartości U1 wzrasta znaczenie efektu drugiego.

Niezależność (dokładniej: niewielka zależność) natężenia prądu drenu od napięcia między źródłem a drenem dla wyższych wartości tego napięcia jest zaletą tranzystora polowego, podobnie jak w tranzystorze bipolarnym niezależność prądu kolektora od napięcia pomiędzy kolek­torem i emiterem..

Wyprowadzenie S nazywa się "źródłem" (stąd oznaczenie "S" - source), wyprowadzenie D nazywa się drenem (drain). To, które wypro­wadzenie jest źródłem a które jest drenem zależy od tego, jak przyłą­czy­my do wyprowadzeń kanału źródło napięcia U1. Istnieją typy tranzys­torów polowych, w których nie ma znaczenia, które wyprowadzenie ka­nału pełni rolę źródła a które drenu. Ale istnieją też tranzystory polowe niesymetryczne, których własności bardzo zależą od "kierunku" przyłą­czenia źródła napięcia do wyprowadzeń kanału; wtedy należy użytkować tranzystor zgodnie z oznaczeniami podanymi przez wytwórcę.

Rysunek 5 przedstawia przykładowe zależności natężenia prądu drenu od napięcia pomiędzy drenem a źródłem dla kilku różnych wartoś­ci napięcia pomiędzy bramką a źródłem.

Rys. 5. Zależność natężenia prądu drenu od napięcia UDS dla różnych wartości napięcia UGS (charakterystyka wyjściowa).

Jeżeli bramkę tranzystora polowego złączowego z kanałem typu n spolaryzować dodatnio w stosunku do kanału, to złącza p-n w tranzys­torze zostaną spolaryzowane w kierunku przewodzenia i obszary pozba­wione nośników elektrycznych będą węższe a tym samym opór kanału będzie mniejszy w porównaniu z przypadkiem, gdy potencjały bramki i źródła (dokładnie chodzi o potencjały odpowiednich metalowych wypro­wadzeń) są sobie równe.

Tranzystor krzemowy z kanałem n pracuje jeszcze prawidłowo, gdy potencjał bramki jest wyższy o 0,6V od potencjału źródła. Dalsze zwiększanie potencjału bramki wywołuje szybki wzrost prądu płynącego przez złącza p-n. Opór między bramką a kanałem gwałtownie maleje. W tych warunkach zanikają właściwości wzmacniające tranzystora.

Rysunek 6 przedstawia przykładowe zależności natężenia prądu drenu od napię­cia między bramką a źródłem (UGS) dla kilku różnych wartości napięcia mię­dzy drenem a źródłem (UDS).

Rys.6. Zależność natężenia prądu drenu od napięcia UGS dla różnych wartości napięcia UDS.

(charakterystyka przejściowa)

Ważną cechą tranzystorów polowych jest duża rezystancja wejściowa (rzędu 109 dla prądu stałego) w przypadku wykorzystania bramki jako wejścia. Własność ta wynika z tego, że bramka jest oddzielona od kanału spolaryzowanymi zaporowo złączami p-n. W zwykłym tranzystorze, tzn. w tranzystorze bipolarnym, baza, będąca odpowiednikiem bramki w tran­zystorze polowym tworzy z emiterem (odpowiednik źródła) złącze p-n, które podczas pracy tranzystora musi być spolaryzowane przepustowo i przez które musi płynąć znaczący prąd. Rysunek 7 przedstawia symbole tranzystorów polowych złączowych z kanałem typu n (rys. a) oraz z ka­nałem typu p (rys. b).

Rys. 7. Symbole tranzystorów złączowych: z kanałem typu n

(a) i z kanałem typu p (b).

TRANZYSTOR POLOWY Z IZOLOWANĄ BRAMKĄ

Uproszczoną strukturę tranzystora MOSFET z kanałem typu n przedstawiono na rysunku poniżej. Metalowa bramka połączona jest z izolacyjną warstwą tlenku, który z kolei sąsiaduje z materiałem

podłoża.

Rys. 8. Uproszczona struktura tranzystora MOSFET z kanałem typu n

Elektrody źródła S i drenu D doprowadzone są do obszarów typu n w głębi płytki. Żadna kombinacja napięć doprowadzonych do końcówek S i D nie powoduje przepływu prądu między elektrodami, gdyż co najmniej jedno złącze p-n (podłoże-źródło, podłoże-dren) będzie spolaryzowane zaporowo. Transmisja prądu zatem może się odbywać tylko przy udziale bramki G, która oddziałuje polem elektrycznym poprzez warstwę izolatora.

Ze względu na typ przewodnictwa kanału wyróżnia się tranzystory polowe z izolowaną bramką z kanałem typu n i p. Natomiast ze względu na różnice w sposobie uzyskiwania właściwości sterujących kanału wyróżnia się:

- tranzystory normalnie wyłączone (ang. normally off) inaczej z kanałem wzbogacanym,

- tranzystory normalnie włączone (ang. normally on) inaczej z kanałem zubożanym.

Tranzystor pokazany na rysunku powyżej należy do grupy tranzystorów z kanałem wzbogacanym (normalnie wyłączony). Dopiero działając odpowiednio dużym napięciem bramki można zaindukować kanał (włączyć tranzystor). Dalszy wzrost napięcia bramki powoduje zwiększenie konduktancji kanału, tj. wzbogacanie kanału w sensie posiadania przez niego coraz większej liczby nośników.

Charakterystyki przejściowe dla czterech rodzajów tranzystorów MOS:

W tranzystorach normalnie włączonych kanał już istnieje przy braku pola­ryzacji bramki (przy u_G = 0) i może płynąć duży prąd drenu. Tranzystory te mają bowiem kanał specjalnie wbudowany lub trwale zaindukowany ładun­kiem powierzchniowym zgromadzonym w izolatorze przy granicy z podłożem. Działając napięciem bramki można zmniejszyć konduktancję kanału, tj. zubo­żyć go w sensie zmniejszania liczby nośników.

Charakterystyka wyjściowa przedstawia zależność prądu drenu od napięcia dren-źródło przy okreś­lonych wartościach napięcia bramki.

Przykładowa charakterystyka wyjściowa tranzystora MOSFET z kanałem typu n (normalnie wyłączony)

W zakresie nienasycenia, gdy napię­cie drenu U_DS jest małe w porów­naniu z napięciem bramki U_GS, kanał spełnia funkcję liniowego rezystora łączącego źródło z dre­nem. W tym zakresie napięcia drenu zmiany prądu I_D w funkcji napięcia U_DS są w dużej części liniowe. W miarę wzrostu U_DS zwiększa się wartość prądu I_D i na rezystancji kanału odkłada się znaczny spadek napięcia.

Tranzystor mocy IGBT

Opracowano tranzystor bipolarny z izolowaną bramką IGBT (ang. Insulated Gate Bipolar Transistor), którego używa się obecnie w większości nowych urządzeń energoelektronicznych. Czasami można spotkać się z innymi nazwami tego tranzystora: IGT (ang. Insulated Gate Transistor), bipolarny tranzystor MOSFET bądź bipolarny tranzystor typu MOS. Symbole elektryczne tego elementu spotykane w literaturze przedstawia poniższy rysunek.

Tranzystory IGBT mają moce sięgające kilkuset kilowatów. Częstotliwość łączeń dochodzi do 20 kHz, maksymalne wartości napięć blokowania wynoszą około 3 kV a prądy znamionowe osiągają tysiące amperów. Niezwykle ważną zaletą IGBT jest - przejęta od tranzystora MOSFET - łatwość sterowania poprzez zmianę potencjału izolowanej bramki. Niestety wadą tego tranzystora jest występujący dość duży spadek napięcia na przewodzącym złączu w stanie przewodzenia - około 2,5 V. Jednak dzięki pracy przy wysokiej częstotliwości straty mocy IGBT są mniejsze niż w klasycznym tranzystorze bipolarnym.

Symbole stosowane do oznaczania tranzystorów IGBT.

Charakterystyki prądowo-napięciowe tranzystora IGBT

Charakterystyki prądowo-napięciowe tranzystora IGBT z kanałem typu n pokazane zostały na rysunku poniżej. W kierunku przewodzenia zbliżone są one kształtem do charakterystyk tranzystora bipolarnego

Charakterystyki prądowo napięciowe tranzystora IGBT

(kolejno od lewej rodzina charakterystyk wyjściowych, druga od lewej charakterystyka przejściowa )

małej mocy, poza wielkością sterującą, którą w IGBT jest napięcie dren-źródło a nie prąd bazy jak miało to miejsce dla BJT. Charakterystyki tranzystora IGBT z kanałem typu p będą takie same co do kształtu. Wszystkie napięcia i prądy będą miały odwróconą polaryzację.

Charakterystyka przejściowa tranzystora IGBT (prąd drenu I_D w funkcji napięcia dren-źródła U_DS) jest identyczna do charakterystyki przejściowej MOSFET. Jest ona liniowa dla szerokiego zakresu wartości prądu drenu. Jedynie dla niskich wartości napięcia U_GS zbliżonych do wartości progowej U_GS(th) wykazuje ona nieliniowość. Kiedy napięcie dren-źródło spadnie poniżej wartości progowej to tranzystor IGBT zostaje wyłączony. Maksymalne napięcie bramka-źródło U_GS(max) jakie można stosować określone jest przede wszystkim przez maksymalny prąd drenu I_DM jaki może płynąć nie powodując uszkodzenia tranzystora czy uruchomienia szkodliwej struktury tyrystorowej tzw. zatrzaśnięcia się (ang. latchup).

Zasada działania tranzystora IGBT

Zasadę działanie tranzystora IGBT najlepiej jest prześledzić, korzystając ze schematu zastępczego. Doprowadzenie źródła tranzystora MOSFET połączone z kolektorem tranzystora pnp nazywane jest źródłem. Emiter otrzymał zaś nazwę drenu. Najpopularniejszy sposób oznaczania IGBT korzysta z symbolu tranzystora bipolarnego npn, w którym emiter oznaczony jest jako kolektor, a połączenie kolektora i drenu nosi nazwę emitera (symbol środkowy z rysunku). Sposób połączenia występujący na schemacie zastępczym przypomina tranzystor bipolarny Darlingtona. Tranzystor MOSFET steruje bazą tranzystora bipolarnego pnp zapewniając szybkie przechodzenie od stanu blokowania do przewodzenia i na odwrót. Jednakże w odróżnieniu od układu Darlingtona w tranzystorze IGBT największa część prądu drenu płynie przez kanał tranzystora MOSFET.

Stan blokowania IGBT występuje gdy napięcie między bramką a źródłem jest niższe od wartości progowej U_GS(th), wielkości znanej z tranzystora MOSFET. Dołączone napięcie dren-źródło powoduje przepływ bardzo małego prądu upływu.

Kiedy napięcie bramka-źródło przekroczy wartość progową (ang. treshold voltage) tranzystora MOSFET struktury IGBT to zaczyna on przewodzić - płynie prąd drenu określony napięciem kolektor-emiter oraz wartością napięcia sterującego U_GE.

Schemat zastępczy tranzystora IGBT

Niektóre egzemplarze IGBT charakteryzują się wysokimi wartościami prądu znamionowego - rzędu tysiąca amperów. Tranzystory IGBT łatwo łączy się równolegle, ze względu na dobrą kontrolę nad zmianami parametrów pomiędzy tymi elementami. Jest to skutkiem występowania niewielkich zmian napięcia na przewodzącym złączu w funkcji temperatury. Dostępne są zatem moduły zawierające do sześciu tranzystorów połączonych równolegle, mogące przewodzić prądy o wartościach do 1500 amperów.

2. Program ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk prądowo-napięciowych diod ich parametrów statycznych i dynamicznych oraz zrozumienie zasady działania tranzystorów: bipolarnego n-p-n i unipolarnego (MOSFET) jak również wyznaczenie ich najważniejszych charakterystyk. W celu otrzymania statycznych charakterystyk prądowo-napięciowych elementów półprzewodnikowych należy wykorzystać metodę " punkt po punkcie ". Polega ona na odczytywaniu wartości napięcia na danym elemencie i prądu przepływającego przez ten element.

1. Opis stanowiska pomiarowego

Schemat stanowiska pomiarowego do wyznaczania charakterystyki statycznej prądowo-napięciowej I= f(U) diody prostownikowej, stabilizacyjnej (Zenera) i luminescencyjnej (LED) przedstawiono na rysunku 8.

Rys. 8. Schemat stanowiska do pomiaru charakterystyk diod półprzewodnikowych.

2. Pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej diody prostownikowej

Metodyka pomiarów:

Zmieniając za pomocą potencjometru, stanowiącego dzielnik napięcia wartość prądu diody w kierunku przewodzenia, odczytujemy za pomocą woltomierza wartość napięcia na jej zaciskach. Pomiar charakterystyki diody w kierunku przewodzenia rozpoczynamy od wartości napięcia ok. 0,5V na jej zaciskach, zwiększając wartość napięcia kolejno co ok. 0,2V. Następnie zmieniamy polaryzację (odwracamy podstawkę z diodą) i wyznaczamy charakterystykę prądowo-napięciową diody w kierunku zaporowym.

Tabela pomiarów

Lp.	Kierunek przewodzenia		Kierunek zaporowy
		I [mA]	U [V]	I [mA]	U [V]
1	0,01			1
2	0,5			2
3	1			3
4	2			4
5	3			5
6	4			6
7	5			7
8	6			8
9	7			9
10	8			10
11	9
12	10

3. Pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej LED

Metodyka pomiarów:

Zmieniając za pomocą potencjometru (rys. 8) wartość prądu diody luminescencyjnej koloru czerwonego lub żółtego w kierunku przewodzenia, odczytujemy za pomocą woltomierza wartość napięcia na jej zaciskach. Pomiar charakterystyki diody rozpoczynamy od wartości prądu ok. 0,1 mA zwiększając wartości kolejnych pomiarów co ok. 0,5 mA.

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody świecącej w kierunku zaporowym jest podobna do charakterystyki diody prostownikowej, dlatego w tym przypadku pomija się jej wyznaczenie.

Tabela pomiarów:

Lp.	LED czerwona (lub żółta)
		I [mA]	U [V]
1	0,01
2	0,5
3	1
4	2
5	3
6	4
7	5
8	6
9	7
10	8

W sprawozdaniu wykreślić charakterystykę prądowo-napięciową diody luminescencyjnej w kierunku przewodzenia.

4. Pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej diody Zenera

Przedmiotem badań jest półprzewodnikowa dioda Zenera typu: BZP68C6V8 o następujących parametrach: U_z = 6,4 - 7,2 V, P_strat = 0,4 W, r_Zmax = 15 Ω, I_max = 60 mA.

Metodyka pomiarów:

Zmieniając za pomocą potencjometru wartość prądu diody w kierunku zaporowym, odczytujemy za pomocą woltomierza wartość napięcia na jej zaciskach. Pomiar charakterystyki diody rozpoczynamy od wartości prądu ok. 0,1 mA zwiększając wartości kolejnych pomiarów co ok. 0,5 mA. Wyniki notujemy w tabeli.

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera w kierunku przewodzenia jest podobna do charakterystyki diody prostownikowej.

Tabela pomiarów:

Lp.	Kierunek przewodzenia		Kierunek zaporowy
		I [mA]	U [V]	I [mA]	U [V]
1	0,01		0,1
2	0,5		0,5
3	1		1
4	2		1,5
5	3		2
6	4		2,5
7	5		3
8	6		3,5
9	7		4
10	8		4,5
11	9		5
12	10		5,5

W sprawozdaniu wykreślić charakterystykę prądowo-napięciową diody Zenera w kierunku zaporowym i w kierunku przewodzenia. Na podstawie otrzymanej charakterystyki wyznaczyć rezystancję statyczną i dynamiczną dla kierunku przewodzenia i zaporowego:

;

3. Pomiar charakterystyk tranzystora bipolarnego n-p-n

1. Opis stanowiska pomiarowego

Schemat stanowiska pomiarowego do wyznaczania charakterystyk tranzystora bipolarnego przedstawiono na rysunku 9.

Rys. 9. Schemat stanowiska do pomiaru charakterystyk tranzystorów

2. Pomiar charakterystyki wejściowej tranzystora bipolarnego

Przedmiotem badań jest tranzystor bipolarny npn średniej mocy typu BD 139.

W cokole stanowiska pomiarowego należy umieścić w podstawce tranzystor bipolarny.

Charakterystykę wejściową tranzystora stanowi zależność prądu bazy w funkcji napięcia baza-emiter I_B = f (U_BE).

Metodyka pomiarów:

Zmieniając za pomocą potencjometru (rys. 9), wartość prądu bazy w kierunku przewodzenia, odczytujemy za pomocą woltomierza wartość napięcia na zaciskach baza-emiter. Pomiar tej charakterystyki rozpoczynamy od wartości napięcia ok. 0,5V na zaciskach baza-emiter, zwiększając wartość napięcia kolejno co ok. 0,2 V.

Charakterystyka wejściową tranzystora bipolarnego stanowi charakterystyka diody w kierunku przewodzenia.

Tabela pomiarów:

Lp.	Charakterystyka wejściowa Ib=f(UBE)
		IB [mA]	UBE [V]
1	0,01
2	0,5
3	1
4	2
5	3
6	4
7	5
8	6
9	7
10	8
11	9
12	10

W opracowaniu ćwiczenia należy wykreślić charakterystykę wejściową tego tranzystora.

3. Pomiar charakterystyki wyjściowej tranzystora bipolarnego

Charakterystykę wyjściową stanowi zależność prądu kolektora w funkcji napięcia kolektor-emiter, przy stałym prądzie bazy.

Metodyka pomiarów:

Za pomocą potencjometru ustawić wartość prądu bazy równą 0,05 mA.

Zmieniając wartość napięcia zasilania za pomocą zasilacza zewnętrznego, należy rejestrować zmiany wartości prądu kolektora i napięcia na zaciskach kolektor-emiter tranzystora.

Tabela pomiarów:

Lp.	IB = 0,05 mA
		IC [mA]	UCE [V]
1		0,3
2		0,6
3		1
4		2
5		3
6		4
7		5
8		6
9		7
10		8

W sprawozdaniu wykreślić charakterystykę wyjściową dla jednej wartości prądu bazy.

4. Pomiar charakterystyki przejściowej tranzystora bipolarnego

Charakterystykę wyjściową stanowi zależność prądu wyjściowego w funkcji prądu wejściowego I_C = f (I_B).

Metodyka pomiarów:

Za pomocą pokrętła nastawy napięcia wyjściowego zasilacza ustawić napięcie zasilania 12 V.

Zmieniając za pomocą potencjometru w stanowisku (rys. 9) wartość prądu bazy tranzystora, odczytujemy za pomocą miliamperomierza, umieszczonego w obwodzie bazy, wartość prądu sterującego tranzystorem oraz odczytujemy wartość prądu kolektora. Wyniki notujemy w tabeli.

Tabela pomiarów:

Lp.	Charakterystyka przejściowa IC = f (IB)
		IB [mA]	IC [mA]
1		5
2		10
3		15
4		20
5		25
6		30
7		35
8		40

W sprawozdaniu wykreślić charakterystykę wyjściową tranzystora bipolarnego, zaznaczyć liniowy zakres pracy. Na podstawie pomiarów wyliczyć i wykreślić współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora β = ΔI_C/ ΔI_B w funkcji prądu bazy_.

4. Pomiar charakterystyki przejściowej tranzystora unipolarnego MOSFET z kanałem typu n

Przedmiotem badań jest tranzystor średniej mocy MOSFET typu IRF450N z kanałem n

o następujących parametrach: I_Dmax = 27A, U_{GS zał} = 3V, R_{DS ON} = 0,05 Ω.

W cokole stanowiska pomiarowego należy umieścić w podstawce tranzystor unipolarny.

Charakterystykę przejściową tranzystora stanowi zależność prądu drenu w funkcji napięcia sterującego I_D = f (U_GS).

Metodyka pomiarów:

Zmieniając za pomocą potencjometru, wartość napięcia sterującego na zaciskach bramka-źródło, mierzymy tę wartość U_GS i odczytujemy za pomocą amperomierza wartość prądu drenu (wyjściowego).Pomiar tej charakterystyki rozpoczynamy od wartości napięcia U_GS= 2V na zaciskach bramka-źródło.

Tabela pomiarów:

Lp.
		UGS [V]	UDS [V]	ID	RDS = UDS/ID
1	2
2	3
3	3,2
4	3,4
5	3,6
6	3,8
7	4,0
8	4
9	4,2
10	4,5

W opracowaniu ćwiczenia należy wykreślić charakterystykę przejściową tego tranzystora.

Na tym samym rysunku zaznaczyć również wartość napięcia progowego, przy której tranzystor zaczyna przewodzić.

5. Pomiar charakterystyki przejściowej tranzystora IGBT

Przedmiotem badań jest tranzystor IGBT typu MGP20N60, średniej mocy o następujących parametrach: I_Kmax = 20A, U_{KE max} = 600V.

W cokole stanowiska pomiarowego należy umieścić w podstawce tranzystor IGBT.

Charakterystykę przejściową tranzystora stanowi zależność prądu kolektora w funkcji napięcia sterującego I_K = f (U_GE).

Metodyka pomiarów:

Zmieniając za pomocą potencjometru, wartość napięcia sterującego na zaciskach bramka-emiter, mierzymy tę wartość U_GE i odczytujemy za pomocą amperomierza wartość prądu kolektora (wyjściowego). Pomiar tej charakterystyki rozpoczynamy od wartości napięcia U_GE= 2V na zaciskach bramka-emiter.

Tabela pomiarów:

Lp.
		UGE [V]	UKE [V]	IK
1	5
2	5,5
3	6,0
4	6,5
5	7,0
6	7,5
7	8,0
8	8,5

W opracowaniu ćwiczenia należy wykreślić charakterystykę przejściową tego tranzystora.

Na tym samym rysunku zaznaczyć również wartość napięcia progowego, przy której tranzystor zaczyna przewodzić.

6. Pytania kontrolne

Omówić budowę i właściwości półprzewodnika samoistnego i domieszkowanego.

Omówić zasadę działania stabilizatora napięcia z zastosowaniem diody Zenera.

Omówić zasadę działania tranzystora unipolarnego FET, rodzaje i charakterystyki.

Podać różnice pomiędzy tranzystorami bipolarnymi i unipolarnymi.

Omówić rodzaje polaryzacji tranzystora bipolarnego.

Omówić parametry wzmacniacza pracującego w układzie OE, OB, OC.

Co to jest punkt pracy tranzystora i na czym polega jego stabilizacja.

Omówić zasadę działania tranzystora unipolarnego MOSFET, rodzaje i charakterystyki.

Omówić zasadę działania tranzystora IGBT, jego charakterystyki i zastosowanie.

7. Literatura

Kaźmierkowski M. Matysik J. „Podstawy elektroniki i energoelektroniki”. Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej. W-wa 1993.

Golde W. „Układy elektroniczne”. WNT.

Gray P. Campbell L. „Podstawy elektroniki”. PWN.

Praca zbiorowa „Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków”. WNT. W-wa 2004.

Polowczyk M. Jurewicz A. „ Elektronika dla mechaników”. Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej. Gdańsk 2003.

Watson J. „Elektronika” WKiŁ.

Wawrzyński W. „Podstawy współczesnej elektroniki”. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. W-wa 2003.

Wawrzyński W. „Podstawy elektroniki”. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. W-wa 1996.

Porębski Jan. „Podstawy elektroniki cz. 1 i 2”. Skrypt AGH nr 1073. Kraków 1986.

Alley Ch., Atwood K. „Elementy i układy półprzewodnikowe”. WNT.

Koziej E., Sochoń B. „Elektrotechnika i elektronika”. PWN.

Selly S. „Układy elektroniczne”. WNT.

Borczyński J. „Podzespoły elektroniczne - Półprzewodniki. Poradnik”. WKiŁ

Pawlina W. „Laboratorium elektrotechniki i elektroniki”. Wyższa Szkoła Inżynierska w Koszalinie. Skrypt.

Korneta A i inni. „Laboratorium elektroniki dla studentów wydziału transportu”. Politechnika Radomska. Skrypt nr 16.

Praca zbiorowa pod red. Pietrzyka W. „Laboratorium z elektroniki”. Politechnika Lubelska 2002.

Praca zbiorowa pod red. Barglika J. „Laboratorium z elektroniki dla wydziałów nieelektrycznych”. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Skrypt 1850.

Bojarska M. I inni „Laboratorium elektroniki”. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej w Gliwicach.

Grzelka J. i inni. „Podstawy elektroniki - Laboratorium”. Politechnika Częstochowska 2002.

Tykarski L. i inni „Ćwiczenia laboratoryjne z elektroniki”. Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej.

---