Materiały i elementy półprzewodnikowe - laboratorium.
Skład grupy: Prowadzący:
dr inż. J. Krupa
Spis treści:
Badanie właściwości fotorezystora 3
Badanie właściwości warystora 7
Badanie właściwości rezystora
w szerokim zakresie częstotliwości 0-250 MHz 9
Badanie właściwości kondensatora
w szerokim zakresie częstotliwości 0-250 MHz 14
Badanie właściwości dielektrycznych materiałów 22
Nowinki z dziedziny elektroniki 25
Badanie właściwości fotorezystora.
Wstęp
Fotorezystorem nazywa się element półprzewodnikowy bezzłączowy, który pod wpływem promieniowania świetlnego silnie zmienia swoją rezystancję. Fotorezystory wykonuje się najczęściej w postaci cienkich półprzewodnikowych warstw monokrystalicznych lub polikrystalicznych naniesionych na izolacyjne np. szklane podłoże. Materiał światłoczuły rozdzielają dwie metalowe elektrody mające wyprowadzenia. Elektrody te często mają kształt grzebieniowy. Nad powierzchnią światłoczułą umieszcza się okienko i zamyka w obudowie, chroniącej przed uszkodzeniami, a niekiedy umożliwiającej pracę w obniżonej temperaturze (tzw. naczynie Dewara).
a) b)
Rys.. Fotorezystor.
a) budowa, b) grzebieniowy kształt elektrod.
Oświetlenie fotorezystora powoduje zwiększenie przepływającego prądu (zmniejsza się jego rezystancja). Prąd będący różnicą całkowitego prądu płynącego przez fotorezystor i prądu ciemnego (prąd płynący przez fotorezystor przy braku oświetlenia) nazywamy prądem fotoelektrycznym. Jego wartość zależy od natężenia oświetlenia i jest określona zależnością:
;
w której: G,ၧ - wartości stałe zależne od materiału półprzewodnikowego i rodzaju domieszek, EV - natężenie oświetlenia.
Fotorezystory wykonuje się z materiałów półprzewodnikowych takich jak: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, jak również z półprzewodników domieszkowanych np. tellurku kadmu domieszkowanego rtęcią CdHgTe. Od materiału półprzewodnikowego zależy zakres widmowy ၬS1, ၬS2 wykrywanego promieniowania, czyli zakres długości fal, dla którego czułość fotorezystora wynosi nie mniej niż 10% czułości maksymalnej. Wadą fotorezystora jest wrażliwość temperaturowa.
Parametry fotorezystora
czułość widmowa - zależność rezystancji od natężenia oświetlenia. Na wartość czułości wpływa rodzaj materiału i sposób jego domieszkowania - dobieranie ze względu na przeznaczenie fotorezystora.
rezystancja fotorezystora:
;
d - odstęp między elektrodami
l - szerokość elektrod
ၲ -rezystywność półprzewodnika.
współczynnik n określany jako stosunek rezystancji przy danej wartości natężenia oświetlenia
;
gdzie:
RD - rezystancja ciemna
R50 - rezystancja przy natężeniu oświetleniu równym 50 lx.
Wartość rezystancji ciemnej zależy od stopnia czystości półprzewodnika. Rezystancja ciemna jest około tysiąc razy większa niż rezystancja przy oświetleniu 50 lx i zawiera się w przedziale od 106 ၗ do 1012 ၗ.
W skróconym opisie fotorezystora zamiast charakterystyki RE(E) często podaje się wartości rezystancji ciemnej Ro (tj. rezystancji, jaką ma fotorezystor przy całkowicie zaciemnionej powierzchni czynnej) oraz rezystancji jasnej RE dla określonej wartości natężenia oświetlenia E (najczęściej E=1000 lx). Do ważniejszych szczególnych parametrów fotorezystorów należą jeszcze: maksymalne dopuszczalne napięcie Umax i maksymalna moc rozpraszana przez element Pmax oraz średni temperaturowy współczynnik czułości a s .
Na podstawie charakterystyki prądowo - napięciowej fotorezystora dobiera się właściwy obszar jego pracy. Charakterystyki te są liniowe w dużym zakresie napięć i prądów.
Charakterystyki prądowo-napięciowe fotorezystora dla różnych wartości oświetlenia.
Przykłady fotorezystorów stosowanych w elektronice:
Wyniki pomiarów
Lp. |
U [V] |
I [mA] |
1 (bez oświetlenia) |
48,3 |
0 |
2 |
2 |
0,6 |
3 |
5 |
1,5 |
4 |
10 |
3,2 |
5 |
15 |
4,8 |
6 |
20 |
6,2 |
7 |
25 |
7,2 |
8 |
30 |
7,9 |
9 |
35 |
7,9 |
10 |
40 |
8 |
Wnioski
Foterezystor jako element, na rezystancję, którego ma wpływ natężenie światła, jest elementem nieliniowym, co zostało udowodnione po przeprowadzeniu ćwiczenia i wyznaczeniu na podstawie wyników pomiarów wykresu prądowo-napięciowego. Otrzymane wyniki świadczą o prawidłowości wcześniejszych założeń teoretycznych.
Badanie właściwości warystora
Wstęp
Warystor jest dwójnikiem o nieliniowej charakterystyce statycznej i(u) i stąd określa się go jako nieliniowy rezystor półprzewodnikowy. Element ten jest przykładem wpływu pola elektrycznego na rezystancję materiału półprzewodnikowego.
Warystory typowo wykonuje się z polikrystalicznego węglika krzemu oraz tlenku cynku. Warystory ZnO są szczególnie stosowane w energoelektronice. Zmianę rezystancji warystora pod wpływem pola elektrycznego tłumaczy się zmniejszeniem rezystancji przejścia między ziarnami polikryształów przy wzroście natężenia pola elektrycznego.
Przeważnie charakterystyki statyczne i(u) warystora opisuje się zależnością
I(u)=K*ua
gdzie K oraz „a” to parametry modelu zależne od konstrukcji elementu. Im większa wartość wykładnika „a”, tym bardziej stromy przebieg funkcji i(u). W obecnie wytwarzanych elementach wartość tego wykładnika może wynosić nawet kilkadziesiąt.
Z kształtu charakterystyk statycznych warystora wynika, że może on być użyty do ochrony przepięciowej zarówno elementów (np.: cewek), znacznym bowiem zmianom jego prądu odpowiadają małe zmiany napięcia - tym mniejsze im większa wartość parametru „a”. Oczywiście, podobną rolę mogą odgrywać elementy złączowe, np.: diody stabilizacyjne lub lawinowe. Jednak warystory są znacznie tańsze od diod, co szczególnie dotyczy diod stosowanych w układach dużej mocy.
Wyniki pomiarów
Lp. |
U [v] |
I [mA] |
1 |
25 |
1 |
2 |
28 |
2 |
3 |
29 |
3 |
4 |
30 |
7 |
5 |
31 |
26 |
6 |
32 |
98 |
7 |
33 |
277 |
8 |
34 |
692 |
9 |
34,4 |
900 |
Wnioski
Na podstawie pomiarów można stwierdzić, że charakterystyka prądowo-napięciowa warystor jest nie liniowa i przy odpowiednio dużym napięciu następuje „włączenie” warystora tzn. nagły wzrost prądu. Po wykonaniu ćwiczenia stwierdzić można zgodność wyników z teorią.
Badanie właściwości rezystora w szerokim zakresie częstotliwości 0-250 MHZ
Wstęp
Materiały oporowe:
Materiały oporowe dzielą się na:
a) metalowe - mają dodatni TWR (Temperaturowy współczynnik rezystancji) tzn., że ze wzrostem temperatury ich rezystywność rośnie.
b) niemetalowe - mają ujemny TWR.
Własności materiałów oporowych:
a) duża rezystywność
b) mały TWR
c) odporność na utlenianie
d )odporność na działanie czynników chemicznych
e) wysoka temperatura topnienia
f) duża trwałość
Do materiałów oporowych zaliczamy:
- manganin
- konstantan
- kantal
- nikielina
- nichrom
- silit
Materiały oporowe stosujemy w rezystorach, elementach grzejnych oraz termoelementach.
Rezystory
Obecnie rezystory są produkowane jako: drutowe, warstwowe, objętościowe i cienkowarstwowe. Mogą one być nienastawne i nastawne. W rezystorach drutowych i warstwowych na cylindrze lub płytce z materiału izolacyjnego jest nawinięta spirala z drutu oporowego (nikieliny, konstantanu, manganinu, kantalu) lub naniesiona warstwa oporowa (ze stopów metalowych lub węgla pyrolitycznego). Końce rezystora są dołączone do metalowych pierścieni z przewodami wyprowadzeniowymi (końcówkami). Rezystory objętościowe są zbudowane z masy oporowej, w której są zaprasowane wyprowadzenia metalowe.
Najważniejszymi parametrami rezystorów są:
-Rezystancja znamionowa, podawana z największymi dopuszczalnymi odchyłkami (tolerancjami) zawartymi w przedziale 0,1% - 20%
-Moc znamionowa, równa największej dopuszczalnej mocy możliwej do wydzielenia w rezystorze.
-Napięcie znamionowe, równe największemu napięciu nie powodującemu zmiany właściwości rezystora, a w szczególności jego uszkodzenia. Wartości znamionowe napięć dla większości rezystorów wynoszą od kilkudziesięciu do kilkuset woltów.
Do celów regulacyjnych, np. płynnej nastawy poziomu sygnału, służą rezystory, noszące nazwy potencjometrów (np.: potencjometr to właśnie to, czym podgłaszasz radio czy telewizor). Element taki składa się z części izolacyjnej pokrytej masą oporową (lub z nawiniętym drutem oporowym) oraz szczotki przemieszczającej się po części oporowej. Potencjometr ma trzy końcówki - dwie zewnętrzne (p i k) oraz szczoteczkę (s) Parametry potencjometrów są analogiczne do parametrów rezystorów nienastawnych. Rezystancja między końcówką początkową (p) i szczoteczką (s), w zależności od jej położenia, może zmieniać się liniowo, logarytmicznie lub wykładniczo.
Rezystory ograniczają przepływ prądu, zapewniając w ten sposób właściwe napięcie i prąd (natężenie) w innych miejscach obwodu.
Jednostką miary rezystancji R jest 1 om (W). 1 om jest to rezystancja, która przy napięciu o wartości 1 V odpowiada przepływowi ładunku 1 C/sek, czyli prądowi o wartości 1 A.
Rezystory są najczęściej spotykanymi elementami w układach elektronicznych. Składają się zwykle z korpusu izolacyjnego z wyprowadzeniami oraz z części oporowej wyprodukowanej z materiału o znanej oporności właściwej (r). Mają postać pręta, rurki, folii, warstwy powierzchniowej, lub drutu o pewnej długości (I) i powierzchni przekroju (A). Opisane to jest wzorem.
R = r x I / A
Opornik, który ma rezystancję niezależną od prądu, napięcia i czynników zewnętrznych takich jak np. temperatura i światło, nazywany jest rezystorem liniowym, lub po prostu rezystorem. Jeśli rezystor zmienia swoją rezystancję w zależności od prądu, napięcia, lub jakiegoś czynnika zewnętrznego, to wówczas nazywamy go rezystorem nieliniowym, albo używamy nazwę wskazującą od czego zależna jest rezystancja.
Przykłady rezystorów stosowanych w elektronice:
Rezystory do montażu powierzchniowego SMD
Rezystory "zerowe"
Rezystor węglowy, warstwowy
Rezystory Metalizowane
Rezystory Drutowe
Rezystory wysokoomowe
Rezystoy dużej mocy
Rezystory drutowe dużej mocy
Rezystory dużej mocy
Wyniki pomiarów
Lp. |
f [MHz] |
R [Ω] |
C [pF] |
1 |
1 |
870 |
1 |
2 |
50 |
870 |
0,9 |
3 |
100 |
870 |
0,8 |
4 |
150 |
870 |
0,8 |
5 |
200 |
800 |
0,8 |
6 |
250 |
700 |
0,8 |
Wnioski
W ćwiczeniu tym badaliśmy wpływ częstotliwości na rezystancję rezystora. Od elementu tego jako powszechnie używanego w elektronice wymaga się, aby jego parametry były stałe bez względu na częstotliwość, temperaturę i inne czynniki mające negatywny wpływ na ten element. Natomiast w ćwiczeniu tym udowodniliśmy, że częstotliwość ma wpływ na wartość rezystancji rezystora. Wartość w pewnym zakresie jest stała i od pewnego momentu maleje wraz ze wzrostem częstotliwości. I w tym przypadku rozważania teoretyczne na temat rezystora rzeczywistego znajdują swoje odzwierciedlenie w praktyce.
Badanie właściwości kondensatora w szerokim zakresie częstotliwości 0-250 MHz
Wstęp
Kondensator to element elektryczny (elektroniczny) zbudowany z dwóch przewodników (okładzin) rozdzielonych dielektrykiem. Doprowadzenie napięcia do okładzin kondensatora powoduje zgromadzenie się na nich ładunku elektrycznego.
Kondensator charakteryzuje pojemność wyrażona w faradach i jednostkach pochodnych. Ogólnie, napięcie uC i prąd iC kondensatora w chwili t związane są zależnością:
Wzór ten podaje pracę dW, jaka jest potrzebna na przesunięcie ładunku dq z jednej okładki kondensatora o pojemności C na drugą, przy założeniu, że jedna z okładek jest naładowana ładunkiem q, a druga - ładunkiem -q.
Całą energię zmagazynowaną w kondensatorze oblicza się przez scałkowanie powyższego wzoru, uzyskując:
przy czym Q jest ładunkiem, do którego naładowano kondensator, związanym z napięciem na okładkach za pomocą zależności:
Dla prądu stałego (
) kondensator jest równoważny przerwie w obwodzie (iC = 0), ale dopiero od chwili zakończenia się jego ładowania. Dla prądu przemiennego prąd płynący przez kondensator powoduje pewien spadek napięcia. Wielkość, wiążąca prąd i napięcie na kondensatorze nazywa się reaktancją, która jest tym mniejsza, im większa jest pojemność kondensatora i częstotliwość prądu. Kondensator charakteryzuje się tym, że (dla sygnałów sinusoidalnych) napiecie jest opóźnione w fazie wzgledem prądu o kąt 90 stopni (inaczej: prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni). Z tego względu impedancja kondensatora jest wartością urojoną i opisana jest wzorem:
,
Kondensator jest jednym z podstawowych elementów elektronicznych, szeroko wykorzystywany we wszystkich typach układów, w szczególności razem z cewką tworzy obwód rezonansowy.
Ze względu na różną konstrukcję kondensatory można podzielić na:
powietrzne (dielektrykiem jest powietrze) - znakomicie pracują przy wysokich częstotliwościach i bardzo dużych napięciach, często wykonywane jako kondensatory zmienne.
Rzeczywiste kondensatory nie są w stanie utrzymać ładunku dowolnie długo. Rzeczywisty kondensator można sobie wyobrazić jako układ idealnego kondensatora z przyłączoną do niego równolegle rezystancją R o dużej wartości. Tzw. kątem upływności kondensatora nazywa się wielkość
Przykłady kondensatorów stosowanych w elektronice:
Kondensator foliowy,polipropylenowy
Kondensatory polipropylenowe, metalizowane
Kondensator polipropylenowy, osiowy
Kondensator foliowy, polipropylenowy
Kondensatory do montażupowierzchniowego SMD
Kondensatory elektrolityczne
Suche kondensatory elektrolityczne
Kondensatory elektrolityczne osiowe
Wyniki pomiarów
f [MHz] |
R [kO] |
C [pF] |
1 |
∞ |
2,5 |
50 |
∞ |
2,8 |
100 |
∞ |
2,8 |
150 |
∞ |
2,8 |
200 |
∞ |
2,9 |
250 |
4 |
3,1 |
Wnioski
W ćwiczeniu tym badaliśmy wpływ częstotliwości na pojemność kondensatora. Od elementu tego jako powszechnie używanego w elektronice wymaga się, aby jego parametry były stałe bez względu na częstotliwość, temperaturę i inne czynniki mające negatywny wpływ na ten element. Natomiast w ćwiczeniu tym udowodniliśmy, że częstotliwość ma wpływ na wartość pojemności. Wartość ta rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości. I w tym przypadku rozważania teoretyczne na temat kondensatora rzeczywistego znajdują swoje odzwierciedlenie w praktyce.
W ćwiczeniach, w których badaliśmy wpływ częstotliwości na rezystancję i pojemność do pomiarów wykorzystywaliśmy mostki pomiarowe.
Mostki pomiarowe:
Oporniki w ramionach mostka wykonuje się z dużą dokładnością o tolerancji od 0,05% do 0,01%, a w niektórych konstrukcjach dokładniejsze. Materiały, z których wykonuje się oporniki (np.: manganin, nikrothal), wyróżniają się małym temperaturowym współczynnikiem rezystancji i małym napięciem termoelektrycznym w stosunku do miedzi. Dobra jakość przełączników w znacznej mierze wpływa na dokładność mostka. Opornik szeregowy R, zabezpiecza galwanometr przed przeciążeniem w początkowej fazie pomiaru, gdy mostek jest jeszcze daleki od stanu równowagi. Po wstępnym zrównoważeniu dekadami R, galwanometr dołącza się z pominięciem opornika, R, co umożliwia dokładniejsze zrównoważenie mostka.
Mostki średniej dokładności mają często wbudowany galwanometr oraz baterię zasilającą. Do mostków dokładniejszych, 5- i 6-dekadowych, używa się czułych galwanometrów zewnętrznych oraz zewnętrznych źródeł zasilania. Mostki laboratoryjne zasila się ze źródeł elektrochemicznych (ogniw suchych lub akumulatorów) albo z elektronicznych zasilaczy napięcia stałego. Dobór wartości napięcia zasilającego jest sprawą istotną, ponieważ większe napięcie zasilające zapewnia większą czułość mostka, równocześnie jednak napięcie musi być ograniczone ze względu na moc, jaka może wydzielić się w oporniku mierzonym i w opornikach mostka. Dopuszczalna moc znamionowa poszczególnych elementów rezystancyjnych w mostku wynosi zwykle 0,5 W. Znając wartości nastawionych rezystancji stosunkowych, dekad równoważących i rezystancji mierzonej można obliczyć dopuszczalne napięcie zasilania. Stosuje się napięcia zasilania o wartościach od około 2 V przy pomiarach R < 10Ω do kilkudziesięciu woltów przy R rzędu megaomów.
Przeciętne laboratoryjne mostki Wheatstone'a są przewidziane do pomiaru rezystancji od około l O do około 10 MO.. Ograniczenie zakresu pomiaru od dołu wynika z wpływu rezystancji przewodów i zacisków łączących opornik R^ z mostkiem. Ograniczenie zakresu pomiaru od góry wynika zaś z bocznikującego działania upływności izolacji między elektrycznymi elementami mostka oraz ze zmniejszenia czułości przy dużych wartościach R^. Do pomiaru rezystancji dużych, większych od ok. 10 MQ, buduje się mostki specjalne, w których stosuje się wysokiej jakości materiały izolacyjne, specjalne rozwiązania przełączników oraz ekrany elektrostatyczne ograniczające upływności izolacji.
Nowe rozwiązania konstrukcyjne mostków Wheatstone'a to przyrządy o szerokim zakresie pomiaru, dużej dokładności i małych wymiarach. Przykładem może być mostek przenośny szwajcarskiej firmy Tettex typu 2272. Jest to mostek 6-dekadowy z wbudowanym elektronicznym wskaźnikiem równowagi o bardzo dużej czułości, z wewnętrznym zasilaniem bateryjnym. Mostek jest wielozakresowy, umożliwia pomiar rezystancji od l mΩ do 1100MΩ przy znamionowym błędzie pomiaru 0,002%.
Laboratoryjny mostek Wheatstone'a:
Laboratoryjne mostki Wheatstone'a są przeznaczone do dokładnych pomiarów rezystancji. Osiągnięcie dużej dokładności pomiaru wymaga zwykle zachowania laboratoryjnych warunków pomiaru takich jak: temperatura otoczenia około 20°C, brak wstrząsów itp. Mostki laboratoryjne są budowane jako układy zrównoważone. Układ laboratoryjnego mostka Wheatstone'a przedstawiono na rysunku:
Mostek Wiena
Mostek Wiena jest przeznaczony do pomiarów pojemności i kąta stratności kondensatorów. Uproszczony układ pomiarowy mostka przedstawiono na rysunku. Pojemność mierzoną Cw porównuje się w mostku z pojemnością Cx, kondensatora wzorcowego. Rezystancje Rx i Rc przedstawiają sobą straty kondensatora badanego i wzorcowego. Równoważenia mostka dokonuje się kolejno opornikami R^ i R^.
W stanie równowagi, gdy galwanometr wykazuje zerowe napięcie, zachodzi równość:
Rx = R3 * Rc/R4
Cx = Cw * R4/Rc
Mostek Schringa:
Mostek Scheringa jest przeznaczony do pomiaru pojemności i kąta stratności przy zasilaniu układu pomiarowego wysokim napięciem. Jest to potrzebne przy badaniach dużych impedancji.
Zachodzą więc równości:
Cx = Cw * R4/R2
Rx = R3 * C4/Cw
tgδx = ω*Cx*Rx =ω*R4*C4
Mostek Thomsona:
Przeznaczony do pomiaru małych rezystancji umożliwia eliminowanie wpływu rezystancji przewodów łączących, która może być współmierna z mierzoną rezystancją Rx. Do analizy działania i właściwości mostka wygodnie jest przekształcić układ sześcioramienny w czteroramienny. W tym celu obwód ABC połączony w trójkąt zastępuje się obwodem połączonym w gwiazdę. W stanie równowagi mostka obowiązuje zależność:
5. Badanie właściwości dielektrycznych materiałów
Wstęp
Pomiar przenikalności elektrycznej realizuje się przez pomiar pojemności kondensatora płaskiego wypełnionego badanym dielektrykiem.
Umieszczając próbkę dielektryka w kondensatorze o pojemności
w próżni, zwiększamy jego pojemność do wartości
, czyli o wartość
.
Podatność elektryczną χ' nazywamy wielkość:
Zaś przenikalność elektryczna dielektryka określona jest:
C0=
Obie zdefiniowane wielkości łączy prosta zależność:
Wzrost pojemności
kondensatora z próbką dielektryczną związany jest ze wzrostem ładunku elektrycznego
na okładkach kondensatora
. Dla napięcia zmiennego
przyrost
prądu ładowania jest równy:
W rzeczywistym dielektryku zawsze istnieją straty energii, jeśli pobudzać je polami zmiennymi w czasie. Wprowadzono, więc pojęcia zespolonej podatności i zespolonej przenikalności elektrycznej:
oraz
,
w których części urojone odzwierciedlają te straty. Zespolona podatność elektryczna określa przyrost natężenia prądu
płynącego przez kondensator w następstwie umieszczenia w nim stratnej próbki dielektrycznej,
gdzie:
ΔIC = jωχ'C0U
IS = ωχ''C0U.
Zespolona przenikalność elektryczna ε wiąże ze sobą natężenie całkowitego prądu I płynącego przez kondensator z wartością napięcia pobudzającego:
I = jωεC0U = (jε' + ε'')ω C0U
gdzie:
I0 + ΔIC = jωε'C0U oraz IS = ωε''C0U.
Należy pamiętać, że:
χ'' = ε'' χ' = ε' - 1.
Wyniki pomiarów
Rodzaj materiału |
Szkło flex |
Nomex |
PCV |
Polietylen |
Rezotex |
Rezokard |
Grubość [mm] |
0,19 |
0,39 |
0,265 |
0,32 |
0,49 |
0,68 |
Zmierzona pojemność [pF] |
270 |
168 |
166 |
210 |
300 |
180 |
ε |
1,51 |
1,92 |
1,29 |
1,97 |
4,32 |
3,39 |
Wnioski
Materiały dielektryczne są materiałami stosowanymi do budowy kondensatorów. Z ćwiczenia tego wynika, że materiały dielektryczne o dużej przenikalności elektrycznej umieszczone między okładkami kondensatora wpływają na zwiększenie jego pojemności. Dielektryki o małej przenikalności powodują że pojemność maleje. Dlatego po wykonaniu ćwiczenia i przeanalizowaniu wyników potwierdzają się wcześniej przyjmowane założenia teoretyczne, mówiące o tym, że na parametry kondensatora ma wpływ rodzaj zastosowanego materiału do produkcji przekładek miedzy okładki kondensatora.
6. Nowinki z dziedziny elektroniki
2
CdS |
Podłoże |
Elektroda |
Elektroda |
hၮ |
I
U