LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

dla II roku Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej

sala 302A - C3

SPIS ĆWICZEŃ

1. CHARAKTERYSTYKI STAŁOPRĄDOWE DIODY P+-N - diody prostownicze

2. POJEMNOŚĆ ZŁĄCZA P­+N - diody pojemnościowe

3. PARAMETRY MAŁOSYGNAŁOWE DIODY - diody detekcyjne Schottky'ego

4. EFEKTY DYNAMICZNE PRZEŁĄCZANIA DIODY - diody impulsowe

5. DIODY SPECJALNE ; stabilizacyjne (Zenera) i tunelowe

6. PARAMETRY TERMICZNE DIODY

7. TYRYSTORY I TRIAKI

8. TRANZYSTORY JEDNOZŁĄCZOWE

9. CHARAKTERYSTYKI STAŁOPRĄDOWE TRANZYSTORÓW BIPOLARNYCH

10. PARAMETRY MAŁOSYGNAŁOWE TRANZYSTORÓW BIPOLARNYCH

11. WZMACNIACZ EMITEROWY

12. PARAMETRY IMPULSOWE TRANZYSTORÓW

13. REZYSTANCJA TERMICZNA TRANZYSTORÓW MOCY

14. ZŁĄCZOWE TRANZYSTORY POLOWE

15. TRANZYSTORY POLOWE MOS

PLAN ZAJĘĆ LABORATORYJNYCH w r.a. 2005/06

w wymiarze czasowym 10x(3x45'0=30 godzin lekcyjnych

1^o - zajęcia organizacyjne 3.÷7.X.05

2^o - I tura 5. zajęć laboratoryjnych: 24.X ÷ 2.XII.05

3^o- II tura 4. zajęć laboratoryjnych: 5.XII.05 ÷7.I.06

4^o- kolokwium przejściowe i zaliczenia:9.÷21.I.06

W I turze zajęć będą wykonywane ćwiczenia (pojedyncze lub w zestawach):

1.+5., 2., 4., 9., oraz 10.+11.

w II turze:

6.(+13.), 7.+8., 12., 14., i 15.

Ćwiczenie 1.

CHARAKTERYSTYKI STAŁOPRĄDOWE DIODY P⁺-N

Lektura SU 1668 podrozdz.3.1.; 3.2. i 3.3.

Przebieg ćwiczenia

Sposób wyznaczania prądów rewersyjnych I₀ i I_S oraz rezystancji szeregowej r_S z charakterystyki rzeczywistej i_D=i_D(u_D) jest przedstawiony na rys.3.2. w skrypcie. Taką charakterystykę możemy obserwować na monitorze oscyloskopu podłączonego do przystawki pomiarowej według rys.1.4. Wartości u_D odczytujemy bezpośrednio, zaś prąd i_D uzyskamy z podzielenia odczytanej wielkości Y podzielonej przez 10  przy skręconym w prawo potencjometrze10-omowym.

Rys.1.4. Zestaw do obserwacji charakterystyki diod

Do wykreślenia charakterystyki w układzie półlogarytmicznym zbieramy starannie wyniki „punkt po punkcie” w metodzie dokładnego pomiaru napięcia na diodzie. Wyniki te uzyskujemy w układzie pomiarowym zmontowanym według rys.1.5.

Rys.1.5. Układ do pomiarów charakterystyki i_D= i_D(u_D) diody w kierunku przewodzenia

Do pomiarów w kierunku zaporowym u_D=u_R<0 układ pomiarowy należy przebudować do postaci jak na rys.1.6.(dokładny pomiar bardzo małego prądu rewersyjnego diody).

Rys.1.5. Układ do pomiarów charakterystyki
i_D= i_D(u_D) diody w kierunku zaporowym

Przedmiotem badań są diody z różnych materiałów półprzewodnikowych. Diody typu BYP-401 i BAVP-17 mierzymy w kierunku przewodzenia w zakresie od 0,1 do 100 mA.

Na wykresach lgi_D=i_D(u_D) należy wyszczególnić podstawowe zakresy prądów diody. Na podstawie nachylenia i przebiegu charakterystyki w tych zakresach, ekstrapolowanych do punktu przecięcia z prostą u_D=0, wyznaczyć charakterystyczne parametry równania (1.1), czyli I₀, I_GR0 oraz współczynniki n dla dwóch pierwszych zakresów: rekombinacyjnego i dyfuzyjnego (o ile są one rozróżnialne na wykresach lgi_D=i_D(u_D)). Określić także wartości współczynnika stałoprądowego prostowania dla każdej z diod przy |U_D|=±1V.

Przy opracowaniu wyników uwzględnić spadek napięcia na amperomierzu.

Uwaga: W kierunku zaporowym do diod przykładamy napięcie nie większe niż 10 V!

Pomiary prądu nasycenia i współczynnika idealności diod sygnałowych (Schottky'ego)- metoda dwupunktowa.

W prosty sposób prąd I_S i współczynnik n diody może być wyznaczony po przyłożeniu do diody stałego napięcia i zmierzeniu wartości prądu I_D przy dwóch napięciach U_D1 i U_D2 - służy do tego przystawka przedstawiona na rys.1.6. Do niej dołączamy wysokiej klasy woltomierz cyfrowy (o rezystancji wejściowej nie mniejszej niż 10 M) na zakresie 0.200 V.

W tym celu najwygodniej jest mierzyć prądy diody przy wartościach 6I_S i 3I_S. Wstawiając takie wartości prądów do równania Shockleya (3.3), mamy: dla pierwszej wartości U_D=0,05000n [V], a dla drugiej U_D=0,03561n [V].

Rys.1.6. Przystawka do wyznaczania prądu nasycenia I_S

i współczynnika n diod sygnałowych.

Po właściwym podłączeniu diody pierwszą parę danych uzyskujemy, jeżeli ustawimy dwa pierwsze przełączniki na „V”, a trzeci na „LC” (low current). Następnie naciskamy czerwony przycisk i ustawiamy potencjometrem pierwszą wartość napięcia: np. U₁=0,055 V, po czym przełączamy się na „I” i odczytujemy drugą wartość U₂. W ten sposób uzyskaliśmy:

U_D1= U₁ oraz

Podobnie postępujemy, aby uzyskać drugą parę danych (U_D2, I_D2); ustawiając dwa pierwsze przełączniki na „V”, a trzeci na „LC” (low current). Następnie naciskamy czerwony przycisk i ustawiamy trzecią wartość napięcia: np. U₃=0,040 V, po czym przełączamy się na „I” i odczytujemy czwartą wartość U₄. Podobnie zatem mamy

U_D2= U₃ oraz

Te dwa zbiory danych (punkty pracy) diody wstawiamy do zależności Shockley'a (1.2a), uzyskując układ dwóch równań z dwiema niewiadomymi I_S i n, który należy rozwiązać.

Jeżeli prąd I_S badanej diody będzie zbyt wielki (dioda germanowa), to nie uzyskamy znaczących wartości U₁=0.055 V w pierwszej procedurze. Wtedy należy przełączyć się na „HC” (High Current). Dla dużego prądu napięcia odczytujemy na mniejszych rezystancjach, a prądy wyznaczamy tym razem z zależności:

oraz

W przystawce znajduje się prosty układ elektryczny zasilany baterią 1,5 V, przedstawiony na rys.1.7.

Rys.1.7. Schemat elektryczny układu do metody dwupunktowej pomiaru parametrów diody

Ćwiczenie 2

POJEMNOŚĆ ZŁĄCZA P-N - diody pojemnościowe

Literatura uzupełniająca: SU 1668 podrozdział 3.4.

2.2. Metoda rezonansowa pomiaru pojemności

Pomiary pojemności złączowej diod najłatwiej jest mierzyć metodą podstawienia w układach rezonansowych skalowanych pojemnościami wzorcowymi. Zasadę pomiaru przedstawia rys.2.4.

Rys.2.4. Schemat układu do pomiarów małych pojemności złączowych

Obwód rezonansowy dołączony do wzmacniacza operacyjnego o dużym wzmocnieniu składa się ze stałej indukcyjności L i pojemności pasożytniczej C_p, wynikającej głównie z montażu, oraz z dołączanej pojemności diody C (lub wzorcowej C_w). Częstotliwość drgań takiego obwodu, zgodnie ze wzorem Thomsona, wynosi

(2.13)

Wartości L i C_p, podobnie jak C, nie są znane. W metodzie tej mierzymy tylko częstotliwość drgań generatora przy pomocy cyfrowego miernika częstotliwości oraz wartość przyłożonego napięcia stałego U_R. Napięcie to jest podawane przez przetwornik analogowo-cyfrowy DAC08 do maksymalnej wartości ustawionej ręcznie na potencjometrze.

Aby określić wszystkie parametry obwodu rezonansowego musimy wykonać teoretycznie przynajmniej trzy pomiary częstotliwości. Dwa pierwsze pomiary wykonujemy dla dwóch różnych pojemności wzorcowych C_w1≠C_w2, mieszczących się w zakresie oczekiwanych pojemności diody (do 200pF). Przy pojemnościach wzorcowych częstotliwości drgań wynoszą zatem

oraz
(2.14)

O ile stwierdzimy, że znacząco f₁≠f₂, to po podzieleniu stronami powyższych zależności uzyskamy wyrażenie na C_p

gdzie a=f₁/f₂. (2.15)

Teraz możemy także określić indukcyjność L, korzystając z jednego z powyższych pomiarów, powiedzmy przy f₁, bowiem

(2.16)

Mając w ten sposób wyznaczone parametry C_p i L, jeszcze raz skorzystamy z ogólnego wzoru Thomsona (2.13), aby obliczyć C_j

przy u_D= - U_R (2.17)

dla każdego napięcia u_D=U_R polaryzującego diodę.

2.3. Stanowisko do pomiarów pojemności złączowej

Pomiary pojemności złączowych są wykonywane na stanowisku całkowicie skomputeryzowanym (rys.2.5). Moduł pomiarowy zawiera układ rezonansowy i blok przetwornika podający napięcie rewersyjne lub dodatnie na badaną diodę dołączaną do gniazda pomiarowego. Maksymalną wartość tego napięcia w zakresie do 15 V ustawiamy potencjometrem na przystawce pomiarowej, kontrolując jego wielkość na woltomierzu cyfrowym. Stanowisko pracuje pod kontrolą programu pomm.exe, który uruchamiamy z poziomu DOS. Po wywołaniu programu wyświetlana jest czołówka, a następnie, po naciśnięciu dowolnego klawisza program przechodzi do menu głównego.

Rys.2.4. Schemat stanowiska do pomiarów pojemności złączowej

2.4. Opis możliwości programu

Po załadowaniu programu pojawia się strona tytułowa. Przejście do dalszej części programu następuje po naciśnięciu dowolnego klawisza. Na ekranie monitora pojawia się tytuł oraz menu poziome z opcjami, zaś poniżej opis czynności przypisany poszczególnym klawiszom. Aby wybrać jedną z 6 opcji menu głównego należy nacisnąć klawisz z numerem danej opcji lub przesunąć belkę na tę opcję i nacisnąć RETURN. Podczas przesuwania belki w drugiej linii widać skrócony opis opcji. Na samym dole ekranu pojawia się podpowiedź, że po naciśnięciu klawisza funkcyjnego F2 wyświetlana jest ta pomoc, która jest aktualnie widoczna. Z pomocy rezygnujemy naciskając klawisz Esc.

Podczas przesuwania belki w drugiej linii pojawia się podpowiedź, że po naciśnięciu klawisza funkcyjnego F1 następuje wyświetlenie tej pomocy, która jest aktualnie widoczna, oraz że rezygnujemy z każdej opcji naciśnięciem klawisza Esc. Aby poruszać się po tym tekście, należy używać klawiszy wypisanych na dolnej belce tej pomocy. Strzałkami w górę i w dół można przemieszczać się o jedną linię, Home na początek, a End na koniec tekstu. Esc powoduje opuszczenie pomocy. Pomoc jest także dostępna jako ostatnia opcja.

Opcja 1

WYJŚCIE - powoduje opuszczenie programu.

Opcja 2

KALIBRACJA - służy do ustalania parametrów układu pomiarowego. Po wybraniu tej opcji program pyta się o wartości pojemności wzorcowych, przynajmniej trzech kondensatorów, które należy kolejno wkładać do gniazda pomiarowego. Po włożeniu każdego kondensatora i wpisaniu klawiaturą numeryczną jego pojemności nominalnej należy potwierdzić pomiar przez ENTER. Po ostatnim pomiarze naciskamy Esc, aby zakończyć kalibrację układu pomiarowego.

Opcja 3

WYNIKI - służą do przeglądania danych po kalibracji. Opcja nie działa, jeżeli nie wczytano danych kalibracyjnych z pliku lub sesji pomiarowej. Opcja umożliwia przeglądanie danych z pojemnościami kalibracyjnymi oraz odczyt częstotliwości generatora dla każdej pojemności. Naciśnięcie klawisza Z powoduje zapis danych do pliku o podanej nazwie z rozszerzeniem .dat oraz wyników obliczeń w pliku o tej samej nazwie i rozszerzeniu .wk. Po naciśnięciu klawisza N możemy przeglądać wyliczone wartości pojemności podstawowej i indukcyjność obwodu rezonansowego. Kolejne naciśnięcie klawisza N wyświetla wartości współczynników prostej kalibracji. Natomiast przy pomocy klawisza W możemy skierować plik z wynikami na drukarkę. Klawiszem Esc wychodzimy z opcji.

Opcja 4

WYKRES - służy do przedstawienia wykresu kalibracji, który może być także wydrukowany po naciśnięciu klawisza W. Ponadto klawisz S służy do zmiany siatki wykresu, zaś klawisz P gasi lub wyświetla punkty pomiarowe. Opcję można uruchomić tylko po wczytaniu z pliku lub wykonaniu własnych pomiarów kalibracyjnych!

Opcja 5

WCZYTAJ - pozwala wczytać zapamiętane w opcji 3. dane kalibracyjne. Pyta się o nazwę pliku z danymi i sama dodaje do niego rozszerzenie .dat. Plik musi być w katalogu bieżącym!

Opcja 6

POMIARY - wykonuje pomiary pojemnościowe w pełnym zakresie napięciowym, ustawionym uprzednio na woltomierzu. Opcję można wykonać tylko po skalibrowaniu układu i umieszczeniu badanego elementu w gnieździe pomiarowym.

Opcja 7

WYNIKI - pozwala przeglądać wyniki pomiarów. Można ją uruchomić tylko po wczytaniu pliku z danymi kalibracyjnymi lub po kolejnych po sobie: kalibracji i sesji pomiarowej. Opcja umożliwia przegląd na ekranie wartości pojemności, częstotliwości generatora i wartości przyłożonego napięcia. Naciśnięcie klawisza Z powoduje zapis danych o wskazanej nazwie z rozszerzeniem .wpo oraz wyników obliczeń w pliku o tej samej nazwie i rozszerzeniu .wp. Po naciśnięciu klawisza N można obejrzeć obliczone wartości współczynników krzywej pomiarowej, a przyciskając klawisz W - wydrukować wyniki. Klawiszem Esc wychodzimy z opcji.

Opcja 8

WYKRES - pozwala wykreślić wyniki pomiarów, a po naciśnięciu klawisza W - wydrukować wykres. Podobnie jak w Opcji 4., klawiszem S zmieniamy siatkę wykresu, zaś klawiszem P gasimy lub wyświetlamy punkty pomiarowe. Oczywiście, że opcję można uruchomić tylko po wczytaniu lub wykonaniu pomiarów kalibracyjnych i sesji pomiarowej badanego elementu pojemnościowego.

Opcja 9

WCZYTAJ - służy do wczytania zapamiętanych w opcji 7. danych pomiarowych - po wpisaniu nazwy pliku, któremu sama daje rozszerzenie .wpo. Plik musi być także w katalogu bieżącym.

2.4. Przebieg ćwiczenia

1. Zapoznać się z budową i schematem systemu pomiarowego oraz jego oprogramowaniem.

2. Przy pomocy wskazanych kondensatorów wysokiej klasy (przynajmniej trzech!) skalibrować układ pomiarowy.

3. Zbadać pojemności wskazanych różnorodnych diod i złącz tranzystorowych w zakresie bezpiecznych napięć rewersyjnych; dla u_BE <0 jest to nie więcej niż -5 V!

4. Przedstawić uzyskane z programu wykresy C=C(u_D) badanych elementów. Natomiast na podstawie plików z wynikami wykreślić charakterystyki na skali logarytmicznej lgC=lg(|u_D|) dla zakresu rewersyjnego u_D<0 (można skorzystać z EXCELa albo MATLABa). Z nachylenia liniowego tych charakterystyk na znaczącym odcinku napięcia rewersyjnego wyznaczyć współczynnik m dla poszczególnych diod. Na podstawie wartości współczynnika m wskazać charakter rozkładu domieszek w złączach.

5. Dla diod o złączu progowym, dla których m≈¹/₂, wykreślić zależność w postaci 1/C²=g(u_D) (lub A²/C²=g(u_D), gdy znana jest powierzchnia złącza) dla u_D<0 oraz wyznaczyć wartości parametrów ψ₀ i B występujących w równaniach empirycznych (2.10 i 2.11). Średnica anody w krajowych diodach stabilizacyjnych BZPxVx-683 i przełączających BAYP61 wynosi 230÷270 m, w diodach BAYP94...95 - 210÷250 m, zaś w diodach stabilizacyjnych BZP630...630P dokładnie 170 m. Grubość struktur krzemowych wynosi 190±10 m. Z przebiegu i nachylenia prostej wyznaczyć efektywną koncentrację domieszek N^* i grubość złącza, przyjmując średnią wartość powierzchni A z podanych zakresów średnicy elektrody oraz że _s=12,3. Określić dokładność metody wyznaczania wartości pojemności i parametrów równań.

6. Przedyskutować wyniki pomiarów i skonfrontować je z danymi katalogowymi diod pojemnościowych oraz sklasyfikować badane elementy do poszczególnych grup użytkowych

Ćwiczenie 4

PRZEŁĄCZANIE DIODY P⁺-N

Literatura uzupełniająca: SU 1668 podrozdział 3.6.

4.2. Warunki obserwacji przełączenia

Efekty dynamiczne przełączania diod można praktycznie można zaobserwować przy pomocy poniższego układu pomiarowego ze stałym źródłem polaryzującym U1 i generatorem napięcia zaporowego U2 (rys.4.4). Obserwując na oscyloskopie napięcie na rezystorze Rp zauważymy typowy przebieg prądu przełączenia diody jak na rys.3.13 w SU 1668. Stały prąd przewodzenia diody w tym układzie

(4.10)

a prąd wsteczny wynosi

(4.11)

W warunkach laboratoryjnych skorzystamy ze specjalnego, kluczowanego źródła prądowego KZP, umieszczonego w module pomiarowym TM3, którym zasilamy badaną diodę (rys. 4.5).

Źródło KZP jest zasilane dwoma napięciami +15 i -15 V oraz zewnętrznie sterowane z generatora prostokątnym napięciem o amplitudzie Ug≥0,5V (napięcie międzyszczytowe większe od 1V), doprowadzonym do łącza NK. Na wyjściu źródła KZP uzyskujemy na przemian impulsy prądowe dodatnie +I i ujemne -I (wpływające do źródła) o amplitudach niezależnie regulowanych potencjometrami umieszczo-nymi w bocznej ściance modułu.

Na złączach ZP wewnątrz modułu podłączony jest rezystor wzorcowy 50, przez który płyną kluczowane na przemian i regulowane impulsy prądowe +I i -I. Podłączając zatem te złącza do oscyloskopu możemy wyregulować i zmierzyć amplitudy poszczególnych prądów. Źródło pozostaje prądowe, o ile nie jest obciążone rezystancją RL, nie większą niż wartość graniczna

(

Przy RL> Rlim staje się ono źródłem napięciowym, dającym na poszczególnych wyjściach +5 lub -5 V - odpowiednio do fazy Ug. Więcej informacji o parametrach diody uzyskamy z jej odpowiedzi napięciowej na prostokątny impuls prądowy (rys.4.6).

W tym przypadku brak jest prądu -IR usuwającego nadmiarowe nośniki mniejszościowe z bazy, które znikają tylko w wyniku rekombinacji z elektronami, zgodnie z zależnością

(4.13)

W momencie włączenia impulsu napięcie na diodzie Umax jest określone impulsową rezystancją bazy, która po czasie t_ON spada w wyniku iniekcji dziur w jej obszar. W chwili wyłączenia prądu (t=0) napięcie na diodzie spada do charakterystycznej wartości U(0) i określa tzw. poiniekcyjną siłę elektromotoryczną złącza

(4.14)

a potem na skutek rekombinacji maleje stopniowo do zera zgodnie z zależnościami:

gdy u(t) ≥ UT oraz (4.15)

gdy UT≥ u(t) (4.16)

4.3. Przebieg ćwiczenia

1. Do złącz NK modułu TM3 należy doprowadzić sygnał z generatora fali prostokątnej o

częstotliwości 50 kHz i amplitudzie 0,5 V i wyłączonej stałej składowej (DC offset).

2. Podłączyć napięcia zasilające +15 i -15 V z pary zasilaczy P316 do modułu TM3.

3. Przy pomocy oscyloskopu ustalić na złączach ZP równe amplitudy napięć +0,5 i -0 V,

które odpowiadają wartościom prądów +I = IF= 10 mA oraz -I = IR= 10 mA.

4. Zmontować układ według rys. 4.5, dołączając poprzez sondy pomiarowe oscyloskop

wysokiej klasy (TEKTRONIX). Diody prostownicze typu BYP400 łączymy szeregowo

z rezystorem pomiarowym Rp= 10  przy wysterowaniu Ug=0,5V.

5. Obejrzeć i przerysować uzyskane przebiegi prądu i napięcia dla poszczególnych diod,

odnotowując charakterystyczne napięcia i prądy diody.

6. Na podstawie tych przebiegów wyznaczyć charakterystyczne czasy każdej diody F i tf

przy dwóch prądach IF=IR= 10 i 50 mA przy częstotliwościach 50 kHz i 10 kHz.

7. Wysterować diodę BYP401 dodatnim impulsem prądowym o częstotliwości 10 kHz,

a diodę impulsową BA157...159 - o częstotliwości 100 kHz. Wyznaczyć i obliczyć

rezystancję szeregową (bazy) i czasy życia nośników mniejszościowych w tych diodach

wg zależności (4.4) lub (4.5).

Ćwiczenie 5

DIODY SPECJALNE

Lektura uzupełniająca: SU 1668 - podrozdział 3.7.

5.2. Badania diod stabilizacyjnych

1. Na module pomiarowym TM1 zestawiamy układ pomiarowy do zdejmowania charakterystyk statycznych metodą punktową - według rys.5.3. Badamy wskazane diody stabilizacyjne o U­_ZK do 12 V w zakresie napięć rewersyjnych, a następnie na wspólnym układzie współrzędnych (i_Z, u­_Z) wykreślamy przebieg charakterystyk dla badanych diod.

2. Powyższy układ pomiarowy z diodą BZP683C4V7 uzupełniamy o rezystancję obciążenia R­_L=5,1 k i zmieniamy potencjometrem RZN napięcie wejściowe U_S wewnętrznego stabilizatora w module TM1. Następnie mierzymy i wykreślamy charakterystyki zmontowanego stabilizatora na tej diodzie:

a). u_L(u_S) z rezystorem obciążenia R­_L b). u_L(i_L) przy U_S= 10 V.

Podczas pomiarów należy ocenić jak wpływają na prąd stabilizacyjny (Zenera) fluktuacje zasilania i obciążenia.

3. Montujemy na module pomiarowym TM2 układ do obserwacji charakterystyk diod stabilizacyjnych wg rys.5.4. Podczas obserwacji staramy się dokładnie odrysować krzywe uzyskane na ekranie oscyloskopu.

4. W sprawozdaniu należy wykreślić zależności r_Z(i_Z).

5. Wyznaczyć także charakterystyczne parametry układu stabilizacyjnego A, k_pL i k_p.

6. Przeprowadzić w miarę pełną analizę parametrów i warunków pracy badanych diod.

5.4. Badania diody tunelowej

Ze względu na oscylacje, które pojawiają się przy zdejmowaniu charakterystyki stałoprądowej diody tunelowej przy niewielkich wartościach U_D<U_V ≤0,6 V, diodę należy połączyć równolegle z bezindukcyjnym rezystorem o dokładnie określonej konduktancji ±1%, który eliminuje te oscylacje. Diodę zbocznikowaną konduktancją badamy w sposób przedstawiony na rys.5.9.

Charakterystykę otrzymujemy z równania

I_D=I-GU_D (5.27)

jeżeli przyjąć, że U_A=0.

Rys.5.9. Najprostszy sposób zdejmowania

charakterystyki elementu o ujemnej rezystancji kontrolowanej napięciem (diody tunelowej)

Układ pomiarowy zestawiamy na module TM1 według rys.5.10. dobierając miliamperomierz o najmniejszej rezystancji wewnętrznej.

Podczas ćwiczenia charakterystykę diody tunelowej obserwujemy także na oscyloskopie przy pomocy specjalnego modułu TMT, którego płytę czołową przedstawia rys.5.11. Dioda zasilana jest z przetwornika napięcia sinusoidalnego na falę prostokątną o małej impedancji w pobliżu przejścia przez zero.

W tym układzie pomiarowym powyższe warunki stabilności są w miarę spełnione. Badaną diodę włączamy zgodnie z kluczem na złączce, który powinien wchodzić w otwór w płytce czołowej modułu TMT, diodę bowiem łatwo jest zniszczyć przy niewłaściwej polaryzacji.

Podczas badań należy wykonać następujące czynności:

1. Zaobserwować na ekranie oscyloskopu typowy przebieg charakterystyki diody tunelowej - określić parametry wejściowego sygnału sterującego .

2. Wyznaczyć charakterystyczne punkty na krzywej i napisać zależność w postaci (5.17).

3. Na podstawie wartości napięć i prądów określić rodzaj półprzewodnika diody.

4. Wyznaczyć wartość rezystancji r_MIN.

Ćwiczenie 9

CHARAKTERYSTYKI STAŁOPRĄDOWE TRANZYSTORÓW BIPOLARNYCH

Literatura uzupełniająca: SU 1668 - podrozdziały: 4.1.i 4.2.

Przebieg ćwiczenia 9.

Podczas ćwiczenia badany jest tranzystor małej mocy typu BC107 lub BF215. Pomiary wykonywane są pod kontrolą programu VEE firmy Hewlett-Packard, który zapewnia obsługę mierników firmowych za pomocą łącza HP-488 oraz obsługę mierników uniwersalnych METEX za pomocą łącza szeregowego RS232 (w tej wersji ćwiczenia woltomierza znajdującego się w zestawie typu MS9160) połączonego z komputerem IBM PC. Natomiast miernik HP344401 pracuje tutaj jednocześnie jako woltomierz na zaciskach Hi-Lo oraz amperomierz - na zaciskach I-Lo. Program graficzny HP VEE pozwala obiektowo w postaci ikon zestawiać urządzenia w system pomiarowy na ekranie komputera, przesyłać i gromadzić wyniki pomiarów do/w komputerze, obrabiać matematycznie oraz bezpośrednio w czasie rzeczywistym przedstawiać w postaci wykresów. Właściwe podprogramy do zbierania i obróbki danych pomiarowych dla poszczególnych etapów ćwiczenia 9. są umieszczone w katalogu WINDOWS (c:/win/vee_user). Są to kolejno: CW941, CW942, CW943 i CW944 - i w takiej kolejności będą uruchamiane po zmontowaniu rzeczywistych układów pomiarowych na module TM1 wg rysunków 9.8., 9.9., 9.10. i 9.11.

Po uruchomieniu programu i pojawieniu się na ekranie systemu pomiarowego należy uważnie go przestudiować: porównać ze schematem rzeczywistym, odczytać ewentualne komunikaty zgłaszające błędy i usterki, a następnie w ikonie TO FILE wpisać własną nazwę pliku, w którym będą umieszczane wyniki bieżących pomiarów. Pliki te znajdziemy w katalogu WYNIKI po zamknięciu każdego programu pomiarowego.

Program uruchamiamy klikając na ikonie RUN - w prawym górnym rogu ekranu.

Na wstępie zauważyć ikonę COUNTER- zliczającą od 1 do 4. W tym czasie komputer zbiera wyniki pomiarów odczytywane kolejno z mierników; dlatego wszelkie zmiany wielkości niezależnych (np. napięcia u_CE) lub parametrycznych, ustawianych za pomocą potencjometrów (np. prądu bazy I_B), nie powinny być dokonywane w czasie jednego cyklu. Aby zmienić wielkość parametryczną, np. ustawić nową wartość I_B, najlepiej jest wstrzymać program ikoną STOP, ustawić nową wartość I_B i potem wznowić działanie programu klikając na ikonie CONTinue. Każde użycie w tym czasie ikony RUN spowoduje wymazanie danych z adresowanego pliku oraz usunięcie wykresu z wirtualnego plotera !

9.4.1. Pomiary charakterystyk wyjściowych przy połączeniu normalnym

Jako pierwszy zestawiamy układ pomiarowy według rys.9.8 i uruchamiamy program CW941. Przy jego pomocy przeprowadzamy pomiary i_C=i_C(u_CE) przy I_B= const dla tranzystora w układzie wspólnego emitera przy kilku wartościach parametru I_B= 10, 15, 20, 25 μA .

Rys.9.8. Układ do pomiaru charakterystyki wyjściowej
i_C = i_C(u_CE)

przy I_B=const

Uwaga: Miernik mV w zestawie MS9160 mierzy prąd bazy jako proporcjonalny spadek napięcia na szeregowej rezystancji 1k.

Wyniki pomiarów posłużą do wykreślenia charakterystyk wyjściowych i_C=i_C(u_CE) przy I_B=const na jednym układzie współrzędnych. Na podstawie ich przebiegu należy oszacować wartość napięcia Early'ego U_AN - wg (9.26a).

9.4.2. Pomiary charakterystyk wyjściowych przy połączeniu inwersyjnym

Zestawiamy na module TM1 układ wg rys.9.9 - podobny do układu z rys.9.8 - w którym tylko zamieniono miejscami wyprowadzenia emitera i kolektora tranzystora oraz zmniejszono wartość rezystora do z 300k do 10k, aby uzyskać większe prądy bazy Następnie, po uruchomieniu programu CW942 przeprowadzamy pomiary i_E= i_E(u_EC) przy I_B= const przy kilku znacznych wartościach parametru I_B = 15, 25 i 50 A . W połączeniu inwersyjnym nie należy przekraczać napięcia U_EC=5 V, aby nie przebić złącza baza-emiter. Tym razem uzyskane wyniki posłużą do wykreślenia charakterystyk wyjściowych i_E= i_E(u_EC) przy I_B=const. Na podstawie pomiarów w poprzednim podpunkcie oraz wzorów (9.21), (9.22), (9.23), (9.15) i (9.16) wyznaczamy parametry równań E-M: I_CS, I_ES, α_N, α_I. Używając wartości liczbowych tych współczynników napisać układ równań E-B - wg (9.1.i 9.2) oraz (9.3 i 9.4).

Rys.9.9. Układ do pomiaru inwersyjnej charakterystyki wyjściowej i_E= i_E(u_CE)

przy I_B=const

9.4.3. Określenie granicy pomiędzy obszarami aktywnymi i nasycenia

W celu dokładnego rozgraniczenia poszczególnych obszarów pracy należy zdjąć charakterystykę pomocniczą i_C= i_C(u_CE) przy U_CB=0 V. Dla przeprowadzenia pomiarów zestawiamy układ według rys.9.10. i uruchamiamy program CW943. Pomiary realizujemy dla zakresu i_C 20 mA.

Rys.9.10. Układ do pomiaru charakterystyki wyjściowej i_C = i_C(u_BE) przy U_CB=0 (spadek napięcia na mikroamperomierzu do zaniedbania!)

9.4.4. Pomiary charakterystyki wejściowej i przejściowej przy pracy normalnej

W celu określenia potencjału U_T odczytujemy z termometru temperaturę powietrza w laboratorium oraz zestawiamy układ wg rys.9.11. Uruchamiamy program CW944 i mierzymy jednocześnie charakterystykę wejściową i_B=i_B(u_BE) oraz charakterystykę przejściową
i_C = i_C(u_BE) przy U_CB = 3 V. Uwaga: Program kreśli wykres i_B=i_B(u_BE) z wartościami i_B pomnożonymi 300-krotnie !

Rys.9.1. Układ do pomiarów charakterystyki wejściowej
i_B= i_B(u_BE) przy U_CB= 3 V

oraz charakterystyki przejściowej

i_C= i_C(u_BE) przy U_CB= 3 V

W sprawozdaniu sporządzamy następujące wykresy:

• i_C = i_C(u_BE) przy U_CB = 3 V w skali liniowo - liniowej,

• i_B = i_B(u_BE) przy U_CB = 3 V w skali liniowo - liniowej,

• β_N =β_N (i_C) przy U_CB = 3 V (β_N w skali liniowej, i_C w skali logarytmicznej),

• i_C = i_C(u_BE) i i_B = i_B(u_BE) przy U_CB = 3 V; na wspólnym rysunku w skali liniowo -

- logarytmicznej (oś napięć liniowa, oś prądów logarytmiczna).

Na podstawie sporządzonych wykresów należy określić prąd I_ES, współczynnik n oraz wartość współczynnika β_N.

9.4.5. Pomiary charakterystyki wejściowej i przejściowej w konfiguracji WE przy
połączeniu inwersyjnym

W układzie z rys.9.11. zamieniamy miejscami wyprowadzenia emitera i kolektora oraz uruchamiamy program CW944. Inwersyjną charakterystykę wejściową i_B=i_B(u_BC) oraz inwersyjną charakterystykę przejściową i_E = i_E(u_BC) należy zmierzyć przy U_EB= 3 V.

Zmierzone charakterystyki nanosimy na wykresy charakterystyk i_C=i_C(u_BE) i i_B=i_B(u_BE) zmierzonych w poprzednim podpunkcie w skali liniowo-logarytmicznej, przyjmując następujące oznaczenia napięć i prądów tranzystora w połączeniu inwersyjnym: i_B, i_E = iⁱ_C, u_BC= uⁱ_BE, u_EC = uⁱ_CE.

Na podstawie wykresu charakterystyki przejściowej dla kierunku inwersyjnego można określić prąd nasycenia I_S oraz wartość współczynnika m. Porównać wyznaczone wartości prądów nasycenia dla kierunków normalnego i inwersyjnego. Porównać także wartości współczynników nieidealności n i m między sobą oraz z wartością oczekiwaną dla tranzystora idealnego. Następnie należy wyznaczyć maksymalną wartość inwersyjnego współczynnika wzmocnienia prądowego β_Imax i porównać ją z wartością β_Nmax.

W sprawozdaniu należy zestawić w tabeli komplet uzyskanych parametrów stałoprądowych badanego tranzystora, napisać dla niego układ równań Ebersa-Molla z właściwymi współczynnikami oraz przestawić wartości elementów zastępczych w modelu transportowym tranzystora.

Ćwiczenie 10

PARAMETRY MAŁOSYGNAŁOWE BJT

Literatura uzupełniająca: SU 1668 podrozdział 4.3.

10.3. Pomiary parametrów małosygnałowych

Model małosygnałowy z rys.10.5. jest właściwy do opisu zachowania tranzystora w układzie pomiarowym do badania parametrów małosygnałowych, przedstawionym na rys.10.6.

Moduł współczynnika h_11e wyznaczamy z zależności

przy U_ce=0 (10.9)

Małosygnałowe amplitudy zmiennej u_be mierzymy bezpośrednio na ekranie oscyloskopu.

Rys.10.6. Układ laboratoryjny do pomiarów współczynnika h₂₁.

Przy dużych wartościach pojemności C₁ i C₂ można przyjąć, że te elementy zwierają składowe zmienne. Korzystając ze schematu na rys.10.6. zauważmy, że

(10.10)

Podobnie moduł małosygnałowego współczynnika wzmocnienia (transmitancji) wyznaczamy z definicji (10.5c)

przy U_ce =0 (10.11)

Współczynnik  jest zależny od częstotliwości. Aby zmierzyć jego wartości w funkcji częstotliwości, należy:

- właściwie określić punkt pracy tranzystora,

- zapewnić dokonanie pomiaru I_c, także przy kolektorze zwartym z emiterem (U_ce=0) dla

małosygnałowej składowej zmiennej,

- zachować możliwość pomiaru I_b w funkcji częstotliwości I_b= I_b(f).

Takie możliwości zapewnia układ pomiarowy zestawiony według rys.10.6.

Amplitudę składowej zmiennej I_c określamy mierząc napięcie na rezystorze R₃ w obwodzie kolektora

(10.12)

Podobnie w obwodzie bazy przy właściwie dobranych wartościach rezystancji R₂ i R₃, dużo większych od r_be (R₁ ,R₂>> r_be ), mamy

(10.13)

gdzie U_g jest amplitudą napięcia zmiennego na wyjściu generatora.

Na podstawie ostatnich zależności łatwo zatem zauważyć, że

(10.14)

Po wykreśleniu zależności h_21e(f) wyznaczamy wartość częstotliwości granicznej f_, dla której h_21e(f)= h_21o/√2≡_­/√2. Wartość _ wiąże pojemność C_b'e (i czas przelotu _N) ze składową stałą prądu kolektora I_C:

(10.15)

gdzie n_E - współczynnik emisji złącza emiterowego.

Drugą ważną pojemność - spolaryzowanego zaporowo złącza kolektorowego C_b'c , o której wielkości tym razem decyduje pojemność barierowa (C_b'c≈C_jC) - można wyznaczyć postępując według instrukcji w ćwiczeniu 2. Jednakże tutaj wyznaczymy ją w układzie dzielnika pojemnościowego; ze znaną pojemnością C₁. W tym celu zestawiamy układ pomiarowy według rys.10.7.

Rys.10.7. Układ pomiarowy do określania pojemności złącza kolektorowego.

Tranzystor w tym układzie jest w stanie odcięcia - poprzez napięcie na R₂ polaryzujące także zaporowo złącze E-B. Napięcie U₂ polaryzuje zaporowo złącze B/C. Wartości pojemności C₁, rezystancji R₁ i częstotliwości generatora tak dobieramy, aby spadek potencjału na r_b'b był do pominięcia. Dzięki temu możemy dalej uprościć schemat zastępczy do układu mostka pojemnościowego. Wówczas, jak łatwo zauważyć

(10.16)

Amplitudy napięciowe mierzymy na ekranie oscyloskopu z właściwą i oznaczoną sondą. Pojemność sondy (16 pF) uwzględniamy w obliczeniach. Przy tych pomiarach ponadto należy pamiętać o pojemnościach pasożytniczych obudowy C_bc (rys.10.5), które zwykle nie zależą od napięcia polaryzującego złącze kolektorowe.

Czwarty parametr macierzy [h]; h₂₂ - konduktancję wyjściową najłatwiej zmierzyć w tranzystorach mocy, np. BD285, w których parametr ten jest dużo większy niż w tranzystorach małej mocy. Tranzystor mocy włączamy do układu pomiarowego zestawionego wg rys.10.8. W układzie takim, zgodnie z definicją (10.6d), ustawiamy właściwy punkt pracy prądu bazy I_B= const i doprowadzamy zmienne napięcie u_ce(t). W ustalonym przez układ punkcie pracy U_CE≈ 5 V mamy R₃>>r_b'e, co pozwala przyjąć, że obwód bazy jest rozwarty dla składowej zmiennej. Pomiar prądu zmiennego I_c zapewnia rozwarcie dla składowej zmiennej I_b=0 w obwodzie bazy. Amplitudę I_c mierzymy na rezystorze R₂

(10.17)

Zgodnie z definicją (10.6d), mamy zatem

(10.18)

Rys.10.8. Układ do pomiaru konduktancji wyjściowej.

10.3. Przebieg ćwiczenia

Podczas ćwiczenia należy zmierzyć bezpośrednio lub wyznaczyć pośrednio cztery współczynniki małosygnałowe w reprezentacji hybrydowej {h_ij} tranzystora średniej mocy BD285. Tranzystory tego typu mają współczynnik nieidealności bliski 1 ( n=1) w średnich zakresach prądu kolektora. Dlatego podczas badań tranzystora należy utrzymywać i kontrolować stały punkt pracy; I_C= 50 mA i U_CE= 5 V ! Prąd kolektora regulujemy prądem bazy przy pomocy potencjometru ze źródła napięcia wbudowanego w moduł pomiarowy TM1.

Pomiar modułu h_21e(f) wykonujemy w układzie zmontowanym według rys.10.6. w zakresie częstotliwości od 1 kHz do 1 MHz. Dla 1 kHz napięcie wyjściowe generatora należy tak ustawić, aby na wyjściu wzmacniacza uzyskać U_ce=100 mV, oraz w relacji do tej amplitudy wyznaczyć wartość prądu I_ce płynącego także przez rezystor. Następnie utrzymując stałą amplitudę generatora w całym zakresie częstotliwości rejestrujemy powyższe dane pomiarowe, niezbędne do wykreślenia zależności lgh_21e(f)=lg(f). Z jej przebiegu widać, że można przyjąć wartość h_21e(1 kHz)jako stałoprądowe _; z wykresu odczytujemy także dokładną wartość f_. Na podstawie tych wielkości wyznaczamy wartość C_b'e według zależności (10.15) oraz _N według (10.8.).

Wartości parametrów h_11e i r_b'b wyznaczamy z pomiarów tranzystora uzyskanych w układzie zmontowanym wg rys. 10.6. Warunki pracy tranzystora i pomiarów są takie same jak powyżej. Jednakże tym razem mierzymy dokładnie na drugim kanale oscyloskopu wartości międzyszczytowe napięć zmiennych na generatorze i bezpośrednio na złączu emiter-baza U_be. Z relacji tych napięć i zależności (10.9) obliczamy małoczęstotliwościową wartość h_11e oraz r_b'b , jako że r_b'b= h_11e- r_b'e - zgodnie z zależnością (10.6a).

Pojemność złączową C_b'c tym razem wyznaczamy z relacji napięć w pojemnościowym dzielniku napięciowym, jaki tworzą obie pojemności złączowe tranzystora spolaryzowane zaporowo w układzie z rys.10.7. Układ ten powinien pracować przy częstotliwości 100 kHz i amplitudzie generatora U_g= 500 mV. W takich warunkach należy zmierzyć wartość U_ce !

Wyznaczając z zależności (10.16) pojemność C_b'c należy pamiętać, że na C₁ składają się pojemność kondensatora 510 pF oraz pojemność sondy wejściowej 16 pF. Ponadto należy pamiętać, że sonda jest tłumikiem napięcia w relacji 1/10 !

Konduktancję wyjściową h₂₂ wyznaczamy w układzie z rys.10.8. przy częstotliwości 1 kHz. Dla uzyskania większej dokładności pomiarów należy przyłożyć na wejście takie napięcie zmienne, aby na wyjściu uzyskać amplitudę napięcia zmiennego U_ce = 1 V. Prąd wyjściowy uzyskujemy z pomiaru napięcia międzyszczytowego na rezystorze R₂. Jednakże rezystor R₂ nie jest bezpośrednio dołączony do masy. Zatem napięcie to uzyskamy ze sumowania obu napięć na kanałach A i B oscyloskopu wciskając klawisz ADD, z tym jednak, że napięcie na kanale A należy odwrócić na ujemne, wciskając klawisz INV. W ten sposób na oscyloskopie uzyskamy przebieg napięcia na rezystorze R₂, czyli U_cx.

Ćwiczenie 11

WZMACNIACZ EMITEROWY

11.4. Schemat i parametry wzmacniacza emiterowego

Schemat badanego wzmacniacza, zestawionego na bazie tranzystora mocy BD285 przedstawia rys.11.6.

Zgodnie małosygnałowym schematem zastępczym wzmacniacza, opartym na modelu -hybrydowym tranzystora (rys.11.7) amplituda małosygnałowego napięcia wyjściowego U_ce, wynosi

(11.28)

gdzie R_L - jest wypadkową rezystancją obciążenia .

Przyjęto w nim, że przy częstotliwości pracy powyżej 1 kHz pojemności C₁ i C₂ stanowią zwarcia dla składowej zmiennej. Bardziej istotne są pojemności C_b'e i C_b'c z modelu -hybrydowego tranzystora w tym schemacie zastępczym. Między punktami B' i C występuje względnie wysokie napięcie sygnału wejściowego. Dlatego też prąd płynący przez C_b'c może być większy niż prąd przez C_b'e. Prąd ten wynosi (U_b'e-U_ce)jC_b'c, jednakże zgodnie ze schematem zastępczym

U_ce = -g_mR_LU_b'e. (11.29)

Znak minus wskazuje na odwrócenie fazy o 180^o pomiędzy napięciem wyjściowym U_ce a wejściowym U_b'e.

Wartość prądu wyraża się zatem zależnością

(11.30)

gdzie

(11.31)

jest dodatkową pojemnością widzianą ze strony wejścia (punkty B' i C) - rys.11.8. To pojawienie się dodatkowej pojemności nosi nazwę efektu Millera. Całkowite napięcie wejściowe zgodnie z przekształconym schematem wzmacniacza z rys.11.8. wynosi zatem

(11.32)

Dla wzmacniacza emiterowego określimy wzmocnienie napięciowe

(11.33)

Na podstawie ostatniej zależności łatwo już wyznaczyć częstotliwość, przy której wzmocnienie spada o 3 dB

(11.34)

Rezystancję r_b'e wyznaczamy z nachylenia charakterystyki wejściowej tranzystora (diody emiterowej) przy U_BC=0. Natomiast pojemność C_b'c można obliczyć z prostej zależności

(11.35)

gdzie

Małoczęstotliwościową wartość rezystancji rozproszenia bazy r_b'b wyliczamy bezpośrednio z nachylenia charakterystyki i_B=i_B(u_BE). Należy pamiętać, że jest ona składnikiem impedancji wejściowej h_11e, zatem jej wysokoczęstotliwościowa wartość wynosi

r_b'b = h_11e - r_b'e (11.36)

11.5. Przebieg i zakres ćwiczenia

Wzmacniacz emiterowy z tranzystorem BD285 z rys.11.6. montujemy na module TM1 według rys. 11.9.

Rys.11.9. Wzmacniacz emiterowy na tranzystorze BD285 zmontowany na module TM1

Podczas ćwiczenia badamy charakterystyki częstotliwościowe tego wzmacniacza wykonując następujące czynności:

1. Podłączamy się sondą pomiarową do punktu 9. i obserwujemy na jednym z kanałów oscyloskopu zmienne napięcie wejściowe u_be(t). Na chwilę można przełączyć się z sondą do punktu 19. obserwując jej wpływ na to napięcie - i doceniając w ten sposób rolę pojemności C₁. Do drugiego kanału natomiast podłączamy sygnał z wyjścia wzmacniacza, czyli z kolektora tranzystora BD285 w punkcie 17.

2. Obserwacje i porównanie amplitud oraz przesunięcia fazowego obu sygnałów najwygodniej jest przeprowadzać przy amplitudzie wyjściowej U_ce=1,41V, ustalanej prądem bazy na potencjometrze (p.14.) oraz niewielkiej częstotliwości pracy, powiedzmy dla 1 kHz. Przy tych warunkach odczytujemy z oscyloskopu amplitudę zmiennej U_be oraz przesunięcie pomiędzy sygnałami. Następnie zwiększając częstotliwość generatora i utrzymując stałą wielkość amplitudy zmiennego napięcia wejściowego uważnie obserwujemy i odczytujemy relacje pomiędzy sygnałami - aż do częstotliwości, przy której amplituda napięcia wyjściowego zmaleje o 3 dB, czyli do wartości 1V. Ze skali generatora lub pośrednio z oscyloskopu odczytujemy tę częstotliwość jako f_3dB.

3. Wyniki obserwacji i odczytów amplitudy wyjściowej (wzmocnienia) i fazy należy przedstawić na charakterystycznym wykresie z logarytmiczną osią częstotliwości.

4. Wyznaczone w ten sposób częstotliwości charakterystyczne należy skonfrontować w sprawozdaniu z wartościami częstotliwości wyznaczonych na podstawie małosygnałowych parametrów tranzystora w ćwiczeniu 10. Ocenić i uzasadnić rozbieżności pomiędzy tymi wynikami.

---