Katedra Inżynierii Kriogenicznej, Lotniczej i Procesowej (W9/K1) Politechnika Wrocławska Laboratorium z podstaw elektroniki
Ćwiczenie nr: 2
Temat: Badanie elementów półprzewodnikowych
Ćwiczenie i opracowanie wykonali:
1.
2.
3.
Data wykonania ćwiczenia:
Data wykonania sprawozdania:
Data przyjęcia sprawozdania:
Zadania do wykonania
Uwagi:

Wstęp teoretyczny

Dioda to element półprzewodnikowy, który przewodzi prąd tylko w jednym kierunku (zwanym kierunkiem przewodzenia) oraz blokuje jego przepływ w kierunku drugim. Właściwość ta jest wykorzystywana m.in. do prostowania napięcia przemiennego.

Działanie diody półprzewodnikowej dobrze obrazuje jej charakterystyka przedstawiona na poniższym rysunku:

Rys.1 charakterystyka diody półprzewodnikowej

Jak widać, już przy małych napięciach U_ak obserwujemy dynamiczny wzrost przepływającego prądu I. Aby nie doszło do uszkodzenia diody nie może ono przekroczyć wartości maksymalnej, tj. I_Fmax

Wielkością charakteryzującą diodę jest napięcie przewodzenia, określane jako U_F.

Na rysunku 1 zobrazowano sposób wyznaczenia U_F.

Jest to napięcie odpowiadające natężeniu I_F=0,1I_Fmax. Napięcie przewodzenia zależy od materiału z którego diodę wykonano i tak dla diód krzemowych zawiera się w granicach od 0,5 do 0,8 V natomiast dla germanowych od 0,2 do 0,4V.

Napięcie U_Rmax jest to tzw. napięcie przebicia. Do momentu jego osiągnięcia dioda nie przewodzi prądu ( w kierunku zaporowym), jednak po jego przekroczeniu natężenie prądu płynącego przez diodę rośnie dynamicznie. Zjawisko przebicia wstecznego wykorzystują diody Zenera. W ich przypadku maksymalne napięcie wsteczne jest ściśle określone i nazywane napięciem Zenera.

Diody tego typu stosuje się do stabilizacji napięć stałych w zakresie od 3 do 200V, przy czym im wyższe napięcie tym lepsza stabilizacja.

Tranzystor, to element półprzewodnikowy o trzech elektrodach, służący do wzmacniania lub przełączania sygnałów. Jest to kluczowy element takich układów elektronicznych jak stabilizatory napięcia czy wzmacniaczy różnych rodzajów. Tranzystory dzieli się na krzemowe i germanowe, z których każdy może być typu pnp oraz npn. Na poniższym rysunku zaprezentowano diodowe modele zastępcze tranzystorów, które są dużym uproszczeniem, jednakowoż dają one pogląd na to jakie napięcia występują między elektrodami.

Rys.2 diodowe modele zastępcze tranzystorów npn i pnp

Dołączona do wspólnej warstwy elektroda nazywana jest bazą. Pozostałe elektrody to emiter E oraz kolektor C. Tranzystory bipolarne występują w trzech układach połączeń:

• układ o wspólnym emiterze (WE lub OE), w którym sygnał jest doprowadzony między

emiter i bazę, a obciążenie jest włączone między kolektor i emiter

• układ o wspólnej bazie (WB lub OB), w którym sygnał jest doprowadzony między emiter

a bazę, a obciążenie jest włączone między kolektor i bazę

• układ o wspólnym kolektorze (WC lub OC), w którym sygnał jest doprowadzony między

bazę a kolektor, a obciążenie jest włączone między emiter i kolektor

Do opisu działania tranzystora pomocne są jego charakterystyki statyczne.

a) charakterystyka wejściowa I_B(U_BE)

b) charakterystyka wyjściowa I_C(U_CE)

c) charakterystyka przejściowa I_C(U_BE)

d) zależność prądu I_C od prądu I_B

Do pełnego scharakteryzowania tranzystora potrzebne są także jego parametry graniczne, których przekroczenie spowoduje uszkodzenie tranzystora. Do parametrów granicznych należą:

- dopuszczalne napięcia między poszczególnymi elektrodami

-maksymalny prąd kolektora i bazy

-maksymalna dopuszczalna moc strat

Opracowanie wyników

Część A.

1. Charakterystyka diody półprzewodnikowej D1

L.p.	dioda D1
	Napięcie przewodzenia diody
1	Uf, V
2	0,358
3	0,36
4	0,436
5	0,532
6	0,611
7	0,781
8	0,846
9	0,851

Wykres charakterystyki diody półprzewodnikowej D2 w kierunku przewodzenia

Wykres charakterystyki diody półprzewodnikowej D1 w kierunku wstecznym

1. Charakterystyka diody półprzewodnikowej D2 – dioda Zenera

L.p.	dioda D2
	Napięcie przewodzenia diody
1	Uf, V
2	0,365
3	0,500
4	0,588
5	0,662
6	0,786
7	0,858
8	0,918
9	0,966

Wykres charakterystyki diody półprzewodnikowej D2 w kierunku przewodzenia

Wykres charakterystyki diody półprzewodnikowej D2 w kierunku wstecznym

1. Omówienie otrzymanych wyników

Na podstawie wykresu diody półprzewodnikowej D1 łatwo zauważyć, że prąd nie jest przewodzony w kierunku zaporowym. Dalsze zwiększanie napięcia mogłoby spowodować uszkodzenie diody (nastąpiłoby przebicie).

Można też wyznaczyć napięcie przewodzenia diody U_F, które odczytuje się przy natężeniu I_F=0,1I_Fmax.

W przeciwieństwie do diody półprzewodnikowej D1 w diodzie Zenera zwiększaliśmy napięcie w kierunku przewodzenia aż do wystąpienia przebicia, które to nastąpiło dla napięcia Zenera.

Dalszy wzrost napięcia powoduje dynamiczny wzrost natężenia prądu płynącego przez diodę.

Część B

Charakterystyki wejściowe, wyjściowe oraz przejściowe tranzystora

1. Tabele pomiarowe

Pomiary przy napięciu kolektor-emiter o wartości 9 V

L.p	Napięcie baza -emiter	Prąd bazy	Prąd kolektora
	UBE, V	𝐼IB, µA	IC, mA
1.	0	0	0
2.	1	0	0
3.	2	0	0
4.	3	0,1	0
5.	4	30,3	9,82
6.	5	133,1	42,6
7.	6	251,6	64,9
8.	7	378,1	77,4
9.	8	498,1	85,2
10.	9	531,8	86,8
11.	10	532,7	86,8

Pomiary przy napięciu baza-emiter o wartości 10 V

L.p	Napięcie kolektor-emiter	Prąd kolektora
	UCE, V	IC, mA
1.	10	87,2
2.	9	86,8
3.	4,56	87,1
4.	3,44	82
5.	1,96	72,2
6.	0,94	60,25
7.	0	0,06

1. Wykresy pomiarowe

Wykres przedstawiający charakterystykę wejściową IB ( UBE )

Wykres przedstawiający charakterystykę wyjściową Ic ( UCE )

Wykres przedstawiający charakterystykę przejściową Ic ( IB )

Wykres charakterystyki Ic (UBE)

Część C.

Ostatnim etapem opracowania wartości pomiarowych dla tranzystora było ustalenie wartości „mało sygnałowego współczynnika wzmocnienia prądowego”. Korzystając z definicji matematycznej tej wartości; ${\beta = \left\{ \frac{\partial Ic}{\partial Ib} \right\}}_{U_{\text{CE}} = const}$.

W programie „REGRESSI” zrobiono tabelkę wartości Ic oraz Ib (dla Uce=const). Za pomocą regresji parabolicznej ustalono następujący wzór: I_c(I_B) = −332I_B² + 338I_B + 0, 316. W tym

wzorze jednostkami są mA.

Po zastosowaniu definicyjnego wzoru na mało sygnałowy współczynnik wzmocnienia prądowego, uzyskano: β = −664I_B + 338. Fakt że jednostką jest mA, nic nie zmienia dla β, ponieważ iloraz 10^-3 się skracają gdyż można powiedzieć że pochodna jest jak „ułamek”.

Można teraz zbudować wykresy β(I_B), oraz β(I_c):

Ic	Β
mA
0	338
0	337,9
9,82	317,9
42,6	249,6
64,9	170,9
77,4	86,94
85,2	7,262
86,8	-15,12
86,8	-15,71
Ib	Β
mA
0	338
0,0001	337,9
0,0303	317,9
0,1331	249,6
0,2516	170,9
0,3781	86,94
0,4981	7,262
0,5318	-15,12
0,5327	-15,71

Stwierdzono że wykres β(I_c) jest dość bliski wykresu z instrukcji (strona nrͦ10). Zatem można przypuszczać prawidłowy proces pomiarowy oraz „obróbkę” danych. Z tego wykresy można stwierdzić ze współczynnik β posiada przebieg paraboliczny i doznaje jedno ekstremum, dla którego jego wartość jest maksymalna. U nas uzyskano tę maksimum dla wartość I_c=[2;4]mA.

Wnioski

Opracowanie wartości diod, wyznaczenie wartości U_F dla diod.

Pierwszą diodą badaną była dioda D2 (tak jak powyżej uzasadniono, jest to dioda Zenera). Wartość największego natężenia była 50,13mA. Tak jak to skrypt nakazuje, oznacza to że: 50,13mA=0,8I_Fmax. Zatem uzyskano że I_Fmax=62,66 mA. Wiedząc że I_F = 0, 1I_Fmax, to obliczono I_F = 6, 27 mA. Te oto natężenie prądu odpowiada U_F. Według danych, można stwierdzić że U_F=0,8 V.

Drugą diodą analizowaną była dioda półprzewodnikowa D1. Postępując dokładnie w ten sam sposób uzyskano: 41,30mA=0,8I_FmaxI_Fmax=51,62mAI_F=5,16mAU_F=0,620 V. Odpowiada ta oto wartość dokładnie wartości U_F dla diody krzemowej (zaskakująco dobre i precyzyjny wynik)!