Ćwiczenie nr 1

POMIAR CHARAKTERYSTYK DIOD I TRANZYSTORÓW

1. DIODY

Dioda półprzewodnikowa to element wykonany z półprzewodnika, zawierającego jedno złącze - najczęściej p-n z dwiema końcówkami wyprowadzeń.

Złączem nazywa się atomowo ścisły styk dwóch kryształów ciała stałego. Odległość między stykającymi się obszarami jest porównywalna z odległościami między atomami w kryształach.

Zastosowanie:

Diody półprzewodnikowe stosuje się w układach prostowania prądu zmiennego, w układach modulacji i detekcji, przełączania, generacji i wzmacniania sygnałów elektrycznych.

Diody klasyfikujemy ze względu na:

• materiał: krzemowe, germanowe

• zastosowanie:

• prostownikowe

• uniwersalne

• impulsowe

• stabilitrony - Zenera

• pojemnościowe - warikapy i waraktory

• tunelowe

• mikrofalowe: detekcyjne i mieszające

Rys. 1.1. Podział diod ze względu na zastosowanie.

Rys. 1.2. Charakterystyki prądowo - napięciowe diod.

1.1. DIODY STABILIZACYJNE (STABILITRONY) - DIODY ZENERA

Diody Zenera to diody przeznaczone do stabilizacji lub ograniczenia napięcia. Diody stabilizacyjne pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym, charakteryzując niewielkimi zmianami napięcia pod wpływem dużych zmian prądu. Diody te stosuje się w układach stabilizacji napięć, w ogranicznikach amplitudy, w układach źródeł napięcia odniesienia itp.

Parametry charakteryzujące diody stabilizacyjne:

• napięcie stabilizacji - U_Z,

• prąd stabilizacji - I_Z,

• napięcie przewodzenia - U_F, przy określonym prądzie przewodzenia,

• prąd wsteczny diody - I_R, przy określonym napięciu wstecznym,

• rezystancja dynamiczna - r_Z, której wartość zmienia się w zależności od napięcia stabilizacji:

;

Rezystancja dynamiczna zależy od wartości napięcia stabilizacji i prądu stabilizacji. Wynosi ona od kilku do kilkudziesięciu omów. Minimalną rezystancję dynamiczną mają diody o napięciu stabilizacji U_Z = 6 ÷ 8 V.

• temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji - α_Uz,

;

Zależy od napięcia stabilizacji. Ma wartość ujemną dla diod z przebiciem Zenera (U_Z < 5 V), a dodatnią dla diod z przebiciem lawinowym (U_Z > 7 V).

a) b) c)

d)

Rys. 1.4. Dioda stabilizacyjna:

a) symbol diody stabilizacyjnej, b) Schemat zastępczy.

c) Schemat stabilizatora napięcia z diodą stabilizacyjną.

d) Charakterystyka prądowo - napięciowa diody stabilizacyjnej.

Przy czym U_Z - napięcie stabilizacji, U_F - napięcie przewodzenia, I_R - prąd wsteczny,

r_Z - rezystancja dynamiczna.

1.2. DIODY POJEMNOŚCIOWE

Diody pojemnościowe (warikapy i waraktory) pracują przy polaryzacji zaporowej, charakteryzując się zmienną pojemnością w funkcji przyłożonego napięcia. Stosowane w układach powielania częstotliwości, modulacji częstotliwości, we wzmacniaczach parametrycznych i w układach strojenia obwodów rezonansowych wysokiej częstotliwości za pomocą napięcia.

Warikapy stosuje się do przestrajania obwodów rezonansowych. Waraktory natomiast stosuje się w układach parametrycznych, we wzmacniaczach lub powielaczach częstotliwości oraz układach mikrofalowych. Ze względu na małe wymiary, dużą wytrzymałość na udary i małą zależność od zmian temperatury, mogą one w wielu przypadkach zastąpić kondensatory zmienne lub ceramiczne.

a) b)

Rys. 1.5. Dioda pojemnościowa.

a) symbol diody pojemnościowej, b) charakterystyka pojemnościowo - napięciowa diody pojemnościowej.

gdzie: U_RWM - maksymalne napięcie wsteczne, C_max - pojemność określona przy minimalnym napięciu, C_min - pojemność określona przy maksymalnym napięciu.

1. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

Diody elektroluminescencyjne zwane są także diodami świecącymi LED (z ang. Light Emiting Diode), emitują promieniowanie w zakresie widzialnym i podczerwonym. Promieniowanie jest wytwarzane w wyniku rekombinacji dziur i elektronów. Jest to dioda świecąca pod wpływem energii elektrycznej doprowadzonej z zewnątrz. Intensywność świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu, przy czym zależność ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. Diody elektroluminescencyjne są stosowane często, gdyż pracują przy niewielkich napięciach (ok. 2 V) z niewielkimi prądami (kilku do kilkunastu mA), co ułatwia ich współpracę w układach tranzystorowych.

a) b)

c)

Rys. 1.8. Dioda elektroluminescencyjna.

a) sposób włączenia, b) zasada działania, c) obudowy.

Dioda pracuje prawidłowo przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia. Zasada działania diod elektroluminescencyjnych jest oparta na zjawisku elektroluminescencji.

Zjawisko elektroluminescencji w diodach półprzewodnikowych polega na wytwarzaniu światła pod wpływem pola elektrycznego w wyniku rekombinacji dziur i elektronów w spolaryzowanym złączu p-n. Przechodzenie elektronów z wyższego poziomu energetycznego na niższy powoduje wydzielenie energii w postaci światła (fotonu).

Charakterystyki prądowo - napięciowe diod LED mają przebieg podobny do

innych charakterystyk diod półprzewodnikowych. Większe napięcie przewodzenia U_F wynoszą ok. 1,6V dla diod świecących na czerwono i ok. 2,6V dla diod świecących na zielono.

Rys.1.10. Charakterystyka prądowo - napięciowa diody LED.

Średni prąd przewodzenia I_F nie powinien przekraczać 20 - 100 mA, zależnie od typu diody. W typowym układzie pracy prąd przewodzenia ogranicza się rezystorem.

2. Tranzystory bipolarne

Tranzystor bipolarny, stanowi kombinację dwóch półprzewodnikowych złączy PN, wytworzonych w jednej płytce półprzewod­nika. Procesy zachodzące w jednym złączu oddziałują na drugie, a nośnikami ładunku elektrycznego są elektrony i dziury, o czym świadczy przymiotnik bipolarny. Możliwe jest przy tym dwojakie uszeregowanie obszarów o różnym typie przewodnictwa: PNP (rys. 2.1) i NPN, dające dwa prze­ciwstawne typy tranzystorów. Zasada działania obu typów tranzystorów jest jednakowa, różnice występują tylko w polaryzacji zewnętrznych źródeł napię­cia i w kierunku przepływu prądów.

W tranzystorze bipolarnym poszczególne obszary półprzewodnika stykają­ce się z elektrodami są oznaczone: E — emiter, C — kolektor, B — baza.

Znaczną większość produkowanych obecnie tranzystorów stanowią tran­zystory krzemowe — patrz rys. 2.1.

Rys. 2.1 Model struktury i symbole graficzne tranzystora bipolarnego: a) PNP; b) NPN oraz budowa tranzystora NPN

Rys. 2.2 Przykłady typowych obudów tranzystorów bipolarnych: a) małej mocy; b) średniej mocy;

c) dużej mocy. Dla porównania umieszczono obok widok stalówki

Struktura półprzewodnikowa tranzystora jest umieszczona w hermetycznie zamkniętej obudowie metalowej, ceramicznej lub plastykowej (rys. 2.2). Obudowa ta nie tylko chroni przed uszkodzeniami mechanicznymi, ale speł­nia również inne funkcje. Na przykład w tranzystorach średniej i dużej mocy umożliwia skuteczne odprowadzanie ciepła.

We wzmacniających układach tranzystorowych wyróżnia się obwód wejściowy i obwód wyjściowy; na wejściowy podawane jest zmienne napięcie sygnału wzmacnianego, w wyjściowym wydzielany jest w obciążeniu wzmocniony sygnał. W zależności od tego, która elektroda tranzystora jest wspólna dla obu obwodów wyróżniamy trzy konfiguracje włączenia tranzystora w układ wzmacniacza: wspólnej bazy (OB), wspólnego emitera (OE) i wspólnego kolektora (OC) - rys.2.3.

Rys. 2.3. Trzy konfiguracje pracy tranzystora bipolarnego

Charakterystyki tranzystora bipolarnego

Właściwości tranzystora opisują rodziny jego charakterystyk statycznych i parametry dynamiczne.

Charakterystyki statyczne przedstawiają zależności między prądami: emi­tera I_E*, bazy I_B, kolektora I_C i napięciami: baza-emiter U_BE, kolektor-emiter U_ce i kolektor-baza U_CB, stałymi lub wolnozmiennymi. * Dla tranzystorów bipolarnych przyjęto umownie za dodatnie kierunki prądów wpływa­jących do zacisków tranzystora, natomiast strzałka oznaczająca napięcie jest skierowana w kie­runku wyższego potencjału.

Najważniejsze charakterystyki to: wyjściowe, wejściowe, przejściowe (prądowe).

Rys. 2.4. Schemat połączeń tranzystora bipolarnego w układzie WE

Charakterystyki te zostaną rozpatrzone dla tranzystora NPN w układzie połączeń WE, jak na rys. 2.4.

Zewnętrzne źródła napięcia E_B i E_c służą do polaryzacji dwóch złączy tranzystora: kolektor-baza (złącze kolektorowe) i emiter-baza (złącze emiterowe). Możliwe są cztery warianty polaryzacji, odpowiadające czterem róż­nym stanom pracy tranzystora (tabl. 1). W obwodzie baza-emiter (zwanym obwodem wejściowym) oprócz źródła E_B może się również znajdować źródło sygnału, a w obwodzie kolektor-emiter (zwanym obwodem wyjściowym) — obciążenie. Zacisk emitera jest wspólny dla obwodu wejściowego i wyj­ściowego. Dlatego układ nazywa się układem ze wspólnym emiterem WE (OC).

Charakterystyki wyjściowe przedstawiają zależność na wyjściu tranzystora tj. związek między prądem kolek­tora I_c i napięciem kolektor-emiter U_cb . Przebieg ich zależy od prądu bazy I_B, który jest parametrem rodziny krzywych (rys. 2.5).

Rys. 2.5 Charakterystyki wyjściowe tranzystora bipolarnego w układzie WE.

Na charakterystykach wyjściowych można wyróżnić kilka zakresów zwią­zanych z polaryzacją złączy emiter-baza i kolektor-baza (patrz tabl. 1). Najczęściej wykorzystuje się zakres aktywny, w którym złącze emiter—baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia (potencjał bazy wyższy od potencjału emitera), złącze kolektor-baza zaś w kierunku wstecznym (poten­cjał kolektora wyższy od potencjału bazy). Tranzystor ma wtedy właściwości wzmacniające. Charakteryzuje je współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie ze wspólnym emiterem WE

Wartości współczynnika wzmocnienia β wynoszą od kilkunastu (tranzystory dużej mocy) do kilkuset (tranzystory małej mocy). Są one funkcją m.in. prądu kolektora i temperatury.

Należy również zwrócić uwagę, że w stanie aktywnym prąd kolektora I_c niewiele zależy od napięcia U_CE w dużym zakresie jego zmian, dlatego tranzystor pełni funkcję źródła prądu sterowanego prądem bazy.

Stany pracy tranzystora bipolarnego Tab. 1

Stan pracy	Polaryzacja złącza
	Emiterowego	Kolektorowego
Aktywny	w kierunku przewodzenia: UBE „ + "	wsteczna: UCB „ + "
Nasycenia	w kierunku przewodzenia: UBE„ + "	w kierunku przewodzenia: UCB „ — "
Nieprzewodzenia („zatkania", odcięcia)	wsteczna: Ube „ — "	wsteczna: UCB „ + "
Inwersyjny (rzadko spotykany)	wsteczna: UBB „ — "	w kierunku przewodzenia: UCB „ — "

Zakres aktywny jest ograniczony „od dołu" tzw. odcięciem, czyli stanem nieprzewodzenia, a z „lewej strony" — nasyceniem (rys. 2.5). Te dwa stany tranzystora wykorzystuje się przy pracy przełącznikowej, gdy pracuje on jako tzw. klucz elektroniczny, czyli przełącznik.

W stanie nasycenia (rys. 2.5) obydwa złącza tranzystora są spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Złącze kolektor-baza zaczyna przewodzić (przy przewodzącym drugim złączu), gdy napięcie kolektor-emiter osiągnie wartość napięcia nasycenia U_CE = U_{CE sat}. Wartości napięcia nasycenia U_{CE sat} wyno­szą od ok. 0,2 V do kilku woltów. Stan nasycenia odpowiada „zwarciu" na zaciskach kolektor-emiter. Charakteryzuje go duża wartość prądu I_c przy bardzo małych napięciach U_ce . Rezystancja wyjściowa tranzystora w nasyce­niu jest więc mała. Wynosi ona od ułamka oma do kilkuset omów.

W stanie nieprzewodzenia — tzw. odcięcia (rys. 2.5) obydwa złącza tran­zystora są spolaryzowane w kierunku wstecznym. Stan ten odpowiada „roz­warciu" na zaciskach kolektor-emiter. Płynący prąd jest mały. Granicę między zakresami aktywnym i odcięcia stanowi prąd zerowy I_ceo (I_C0 - rys. 2.7) .

Praktyczne wykorzystanie pola charakterystyk wyjściowych tranzystora jest ograniczone: dopuszczalnym napięciem kolektor-emiter U_CEmax dopusz­czalnym prądem kolektora I_{c max} oraz

dopuszczalnymi stratami mocy P_{c max} (rys. 2.5).

Dopuszczalne napięcie kolektor-emiter U_CEmax wynika ze zjawiska powie­lania lub przebicia lawinowego w złączu kolektorowym. Wynosi ono od kilkunastu woltów do ok. 2 kV.

Dopuszczalny prąd kolektora I_{C max} wynika ze zmniejszenia się współczyn­nika wzmocnienia w zakresie dużych prądów i małych napięć. Rzadziej wartość I_{C max} jest narzucona przez możliwość przepalenia doprowadzeń lub zniszczenia złączy. Wartości I_{C max} wynoszą od kilkuset miliamperów (dla tranzys­torów małej mocy) do kilkudziesięciu amperów (dla tranzystorów dużej mocy).

Dopuszczalne straty mocy P_{C max} są równe w przybliżeniu maksymalnej mocy, jaka może wydzielić się w złączu kolektorowym P_c = U_ce*I_c i w polu charakterystyk wyjściowych (rys. 2.5), przedstawiają hiperbolę. Wartość tych strat wynika z dopuszczalnej temperatury złącza, temperatury otoczenia i rezystancji cieplnej między złączem a otoczeniem. Zależy więc również od warunków zewnętrznych (temperatury otoczenia) oraz sposobu odprowadzania ciepła (konstrukcji i rodzaju obudowy oraz radiatora).

Ze względu na dopuszczalne straty mocy rozróżnia się: tranzystory małej mocy (P_{c max} < 0,3 W), tranzystory średniej mocy (0,3 W < P_{C max} < 5 W) i tranzystory dużej mocy (P_{c max} >5 W).

Przy dużych mocach stosuje się dodatkowo urządzenia chłodzące, np. radiatory.

Charakterystyki wejściowe (rys. 2.6) przedstawiają zależność wielkości na wejściu tranzystora, czyli U_BE = f(I_B) przy napięciu U_ce = const, które jest parametrem rodziny krzywych. Ponie­waż złącze baza-emiter jest diodą, więc charakterystyka wejściowa tranzy­stora jest praktycznie identyczna jak charakterystyka diody. Zależność od napięcia kolektor-emiter jest niewielka.

Rys. 2.6 Charakterystyka wejściowa tranzystora bipolarnego w układzie WE

Na charakterystyce wejściowej wy­różnia się napięcie progowe (włączenia) U_(T0), poniżej którego prąd bazy jest bardzo mały. Wartość napięcia U_(T0) dla tranzystorów krzemowych wynosi ok. 0,6-0,7 V.

Charakterystyka przejściowa (prądowa) (rys. 2.7) jest wykorzystywana rzadziej niż omówione charakterystyki wyjściowe i wejściowe.

Rys. 2.7 Charakterystyka przejściowa tranzystora bipolarnego

Parametry tranzystorów bipolarnych w znacznym stopniu zależą od tem­peratury. Prąd zerowy I_C0 jest w przybliżeniu wykładniczą funkcją tem­peratury i przy jej wzroście o 10 K w przybliżeniu podwaja swoją wartość. Tranzystory krzemowe, ze względu na małą wartość I_co mogą być stosowa­ne aż do temperatury ok. 473 K (200°C).

Współczynnik wzmocnienia prądowego β wzrasta na ogół ze wzrostem temperatury. Wzrost ten jest rzędu kilku procent na kelwin.

Przy stałej wartości prądu bazy, napięcie baza-emiter U_BE ze wzrostem temperatury maleje. Współczynnik temperaturowy tego napięcia wynosi ok. -2,3mV/K.

3. 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. 3.1 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. 3.1 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. 3.1 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. 3.2 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.3.2 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 3.3 przedstawia przykładowe zależności natężenia prądu drenu od napięcia pomiędzy drenem a źródłem dla kilku różnych wartoś­ci napięcia pomiędzy bramką a źródłem.

Rys. 3.3 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 3.4 przedstawia przykładowe zależności natężenia prądu drenu od napię­cia między bramką a źródłem (UGS) dla kilku różnych wartości napięcia mię­dzy drenem a źródłem (UDS).

Rys.3.4 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 3.5 przedstawia symbole tranzystorów polowych złączowych z kanałem typu n (rys. a) oraz z ka­nałem typu p (rys. b).

Rys. 3.5. Symbole tranzystorów złączowych: z kanałem typu n

(a) i z kanałem typu p (b).

4. 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.

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.

5. 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 - 3V. Jednak dzięki pracy przy wysokiej częstotliwości straty mocy IGBT są mniejsze niż w klasycznym tranzystorze bipolarnym.

Symbol graficzny tranzystorów IGBT.

Charakterystyki prądowo-napięciowe tranzystora IGBT

Charakterystyki wyjściowe tranzystora IGBT z kanałem typu n pokazane zostały na rysunku poniżej. W kierunku przewodzenia zbliżone są one kształtem do charakterystyk tranzystora bipolarnego małej mocy, poza wielkością sterującą, którą w IGBT jest napięcie bramka-źródło U_GS (lub na innych oznaczeniach U_GE) a nie prąd bazy jak miało to miejsce dla tranzystora bipolarnego.

Charakterystyki prądowo napięciowe tranzystora IGBT

(od lewej rodzina charakterystyk wyjściowych, od prawej charakterystyka przejściowa)

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 bramka-źródła U_GS) jest podobna 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 (U_KE) 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.

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 U_GS(th) (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.

6. Program ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk prądowo-napięciowych diod ich parametrów statycznych i dynamicznych oraz zrozumienie zasady działania tranzystorów: bipolarnego npn 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.

• 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 6.1.

Rys. 6.1. Schemat stanowiska do pomiaru charakterystyk diod półprzewodnikowych.

6.2 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	0,1			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
11	9
12	10

1. Pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej LED

Metodyka pomiarów:

Zmieniając za pomocą potencjometru (rys. 6.1) 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 biała)
		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.

2. 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:

;

• Pomiar charakterystyk tranzystora bipolarnego n-p-n

1. Opis stanowiska pomiarowego

Schemat stanowiska pomiarowego do wyznaczania charakterystyk tranzystora bipolarnego przedstawiono na rysunku 7.1.

Rys. 7.1 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. 7.1), 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	0,1
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 napięcia na zaciskach kolektor-emiter tranzystora i wartości prądu kolektora.

Tabela pomiarów:

Lp.	IB = 0,05 mA
		IC [mA]	UCE [V]
1		0,2
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. 7.1) 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_.

• 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			1
2			5
3			10
4			15
5			20
6			25
7			30
8			35
9			40
10			45

W opracowaniu ćwiczenia należy wykreślić charakterystykę przejściową tego tranzystora.

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

• 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= 5V na zaciskach bramka-emiter.

Tabela pomiarów:

Lp.
		UGE [V]	UKE [V]	IK
1			1
2			5
3			10
4			15
5			20
6			25
7			30
8			35

W opracowaniu ćwiczenia należy wykreślić charakterystykę przejściową tego tranzystora.

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

• Pytania kontrolne

Omówić budowę i właściwości półprzewodnika samoistnego i domieszkowanego.

Omówić własności diod: tunelowej, pojemnościowej, LED i fotodiody.

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.

• 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.

Chwaleba A. i inni. „Elektronika”. WSiP. Warszawa. 1996.

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.

KRZEMOWE

GERMANOWE

PROSTOWNIKOWE ŚREDNIEJ I DUŻEJ MOCY

PROSTOWNIKOWE ŚREDNIEJ I DUŻEJ MOCY

DETEKCYJNE

FOTODIODY

DUŻEJ częstotliwości CZĘSTOTLIWOŚCI

LUMINENSCENCYJNE

IMPULSOWE

WARIKAPY I WARAKTORY

ZENERA

FOTODIODY

DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE

MAŁEJ MOCY

MAŁEJ MOCY

MAŁEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

(+)

(-)

R

DZ

U_we

U_wy

r_Z

U_Z

C_min

0

U_R1

U_RWM

C_max

C_j

U

(-)

(+)

hν

+ -

R

I_F

+ -

p

n

R

Nośniki nieruchome

Dziury z obszaru p rekombinujące

z elektronami

hν

Dziury z obszaru n rekombinujące

z dziurami

I_F

---