Jan KOPROWSKI

PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE

Materiały i instrukcje

do

ćwiczeń laboratoryjnych

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Kraków 2004

Na prawach rękopisu

Wydanie X (2004/5)

SPIS ĆWICZEŃ

strona

1. CHARAKTERYSTYKI STAŁOPRĄDOWE DIODY P⁺-N - diody prostownicze...........5

2. POJEMNOŚĆ ZŁĄCZA P­-N - diody pojemnościowe...................................................11

3. PARAMETRY MAŁOSYGNAŁOWE DIODY - diody detekcyjne Schottky'ego.........19

4. EFEKTY DYNAMICZNE PRZEŁĄCZANIA DIODY - diody impulsowe...................25

5. DIODY SPECJALNE : stabilizacyjne (Zenera) i tunelowe...............................................31

6. PARAMETRY TERMICZNE DIODY ............................................................................41

7. TRANZYSTORY JEDNOZŁĄCZOWE...........................................................................49

8. TYRYSTORY I TRIAKI..................................................................................................53

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

16. PARAMETRY MACIERZY [S ] TRANZYSTORÓW

PLAN ZAJĘĆ LABORATORYJNYCH w r.a. 2004/05

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

1^o - zajęcia organizacyjne: 4.-7.X.04

2^o - I tura rotacyjna 5. zajęć laboratoryjnych: 18.X. - 25.XI.04

3^o- II tura rotacyjna 4. zajęć laboratoryjnych: 29.XI.04-14.I.05

4^o- kolokwium przejściowe i zaliczenia - 17.-21.I. 2005.

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

1.+5., 2., 4., 9., oraz 10.+11.(rezerwowe 3.)

w II turze:

6.+13., 7.+8., 12., 14., i 15. (rezerwowe 16.)

1. CHARAKTERYSTYKI STAŁOPRĄDOWE DIODY P⁺­N

- diody prostownicze.

1.1. Równanie diody

Parametry elektryczne diod półprzewodnikowych są określone rodzajem i strukturą krystaliczną materiału półprzewodnikowego oraz właściwościami złącza p-n. Wielkość prądu diody i_D zależy od kierunku i wartości przyłożonego napięcia u_D (rys.1.1).

Linia prosta aproksymująca duże prądy diody w kierunku przewodzenia dla u_F=u_D>0 wyznacza napięcie zagięcia charakterystyki U_K (_K - knee), które na wstępie badań pozwala rozróżnić materiał półprzewodnikowy: około 0,4 V dla Ge, 0.7 V dla Si i 1,6 V dla GaAs.

Prąd w kierunku przewodzenia i_D=i_F przewyższa prąd rewersyjny i_R setki i tysiące razy - stąd należy pamiętać, że skale prądowe na poglądowych charakterystykach diod dla obu kierunków są różne. Przy dużych napięciach ujemnych u_R=u_D<<0 bardzo szybko wzrasta prąd rewersyjny. Przy napięciu U_B obserwujemy przebicie elektryczne diody, które często kończy się jej zniszczeniem. W warunkach stałoprądowych pomiarów „punkt po punkcie” charakterystyki w kierunku przewodzenia i rewersyjnym są zdejmowane oddzielnie.

Prąd diody rzeczywistej w kierunku przewodzenia jest zasadniczo sumą prądów dwóch modelowych diod: rekombinacyjnej i dyfuzyjnej

(1.1)

gdzie:

I_GR0-zerowy prąd generacyjno-rekombinacyjny w obszarze złącza PN przy u_D=u_F→0,

I₀ - prąd rewersyjny nasycenia nośników mniejszościowych przy u_D=u_R<0,

r_S - rezystancja szeregowa diody (głównie jej bazy),

U_T - potencjał elektrodynamiczny (U_T =kT/q = 0,026 V przy 300 K),

u_D-i_Dr_S - napięcie bezpośrednio na złączu, przeciwne napięciu dyfuzyjnemu ψ₀.

Każda z tych diod staje się bardziej widoczna na charakterystyce diody rzeczywistej, przedstawionej w półlogarytmicznym układzie współrzędnych (lni_D, u_D) lub (logi_D, u_D) różnym nachyleniem charakterystyki (rys.1.2). Przy bardzo uważnej analizie jej przebiegu można wyróżnić pięć zakresów w kierunku przewodzenia (u_D=u_F>0): małoprądowy, rekombinacyjny, dyfuzyjny, dryftowy (przy wysokim poziomie iniekcji) i omowy, oraz trzy zakresy w kierunku zaporowym (u_D=u_R<0): małoprądowy, nasycenia i przebicia.

Jak widać z przebiegu charakterystyki lni_D=f(u_D) i nachyleń prostych odcinków na jej poszczególnych zakresach, udział prądu rekombinacyjnego jest decydujący przy małych napięciach polaryzujących złącze w kierunku przewodzenia (0<u_D<4U_T). Można wykazać, że w symetrycznie domieszkowanym złączu zachodzi relacja: I_GR0/I₀ ≈4,5.10³ dla u_D=5U_T.

W diodach krzemowych prąd dyfuzyjny zaczyna dominować przy u_D≥16U_T. W takich warunkach prąd diody można aproksymować zależnością

(1.2)

gdzie: n - współczynnik nieidealności (emisji) złącza p-n, zaś I_S - efektywny prąd nasycenia diody, przy czym I₀≤I_S≤I_GR0 - w zależności od napięcia na diodzie. Przy małych wartościach prądu spadki napięcia na r_S w dobrych diodach (sygnałowych) można pominąć, i wtedy powyższe równanie ma bardziej wygodną postać Shockley'a

(1.2a)

Dla dużych napięć z zakresu diody dyfuzyjnej, takich że u_D≤U_Tln(N_D²/10n_i²), można przyjąć, że

(1.3)

Dla N_D = 10¹⁶ cm^-3 są to u_D<0,64 V oraz n≥1.

Przy dużym poziomie iniekcji nośników mniejszościowych do obszaru bazy nachylenie charakterystyki znowu maleje - tak że n≈2. Najwyżej wyróżnia się tzw. zakres omowy charakterystyki diody (rys.1.2). Prąd w tym zakresie staje się proporcjonalny do napięcia zewnętrznego na diodzie u_D, które w znacznej swej części odkłada się na rezystancji szeregowej r_S słabej domieszkowanej bazy (rys.1.3). Rezystancję szeregową wyznaczamy dla dużych stałych wartości prądu I_D, obserwując rozbieżność napięcia u_D pomiędzy rzeczywistą wartością napięcia a napięciem wynikającym z modelowej jego wartości dla diody dyfuzyjnej (według rys.1.2)

(1.4)

Przy polaryzacji zaporowej (u_D=u_R<0) prąd rewersyjny nośników mniejszościowych jest praktycznie w całym zakresie napięć ujemnych powiększany prądem generacyjnym i prądem upływności powierzchniowej - aż do przebicia lawinowego przy napięciu U_B, inicjującym przebicie przy prądzie całkowitym I_BV (rys.1.1).

1.2. Parametry stałoprądowe diody

Zasadnicza cecha diody: duża rezystancja w kierunku zaporowym i niewielka jej wartość w kierunku przewodzenia, jest wykorzystywana w elementach prostowniczych, detekcyjnych i modulacyjnych. Są to wielkości nieliniowe.

Rezystancja stałoprądowa w kierunku przewodzenia dla stałej wartości napięcia u_D=U_F>0 wynosi zatem

dla U_F>3U_T (1.5)

zaś w kierunku zaporowym dla u_D= -U_R;

dla U_R>3U_T (1.6)

Współczynnik stałoprądowy prostowania jest definiowany następująco:

(1.7)

Jego wartość jest miarą nieliniowości diody. W katalogach diod prostowniczych wartość tego współczynnika jest podawana przy |U_D|=±1V. Ponadto dla tego rodzaju diod ważne są dopuszczalne warunki pracy określane maksymalnymi wartościami prądu przewodzenia I_Fmax i napięcia rewersyjnego U_Rmax, mocy rozpraszanej na diodzie P_max, a także maksymalnej i minimalnej temperatury otoczenia.

Wielkość mocy jest oceniana jako suma mocy rozpraszanych w diodzie przy prądzie przewodzenia i rewersyjnym

P = P_F +P_R (1.8)

W większości przypadków P_R<<P_F , i można przyjąć, że

P ≈ P_F = 2U_Fśr I_Fśr (1.9)

gdzie: U_Fśr i I_Fśr - wartości średnie napięcia i prądu w kierunku przewodzenia.

1.3. 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.1.1. 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 MW) 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 (1.2a), 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

1

3

---