Ćw. 51
Badanie diody półprzewodnikowej za pomocš oscyloskopu
I. Zagadnienia teoretyczne
Półprzewodnikami nazywajš się ciała o szczególnych cechach przewodnictwa elektrycznego. Szczególnie charakterystycznš ich cechš jest zależnoœć ich przewodnictwa właœciwego od temperatury:
gdzie b jest stałš zależnš od rodzaju półprzewodnika. Istniejš półprzewodniki samoistne (samoistnie występujšce w naturze, np. german, krzem) i domieszkowe. Własnoœci półprzewodników zależš w dużym stopniu od obecnoœci domieszek. W odróznieniu od metali, gdzie domieszki zmniejszajš przwodnictwo elektryczne, wprowadzenie nawet nieznacznej iloœci domieszek do półprzewodników powoduje w nich bardzo wyraŸny wzrost przewodnictwa elektrycznego.
Wprowadzenie np. do krzemu domieszek boru zwiększa liczbę tak zwanych “dziur” — pustych miejsc, do których mogš przechodzić elektrony, co daje półprzewodnik typu p, czyli półprzewodnik, w którym pršd przenoszony jest przez dziury, spełniajšce rolę noœników dodatnich. Natomiast domieszkowanie fosforem daje półprzewodnik typu n, gdzie pršd przenoszony jest przez noœniki ujemne.
Po połšczeniu tych dwóch typów materiałów, wskutek dyfuzji dziur i elektronów, na ich styku utworzy się warstwa zaporowa, której różnica potencjałów będzie przeciwdziałać dalszej dyfuzji elektronów w kierunku n!p.
Przyłożenie do połšczonych półprzewodników n-p zewnętrznego pola elektrycznego powoduje naruszenie równowagi. Przepływ pršdu przez złšcze n-p uzależniony jest od tego czy dodatni biegun Ÿródła pršdu połšczymy z półprzewodnikiem typu n czy typu p. W pierwszym przypadku, z powodu przeciwdziałania zewnętrznego pola elektrycznego ruchowi dziur i elektronów, pršd praktycznie nie będzie płynšł. Ten kierunek włšczenia złšcza n-p w obwód Ÿródła pršdu stałęgo nazywamy kierunkiem zaporowym. W drugim zaœ przypadku, gdy strona p otrzyma wystarczajšco duży potencjał dodatni, przez złšcze połynie pršd o znacznym natężeniu. Ten kierunek z kolei nazywamy kierunkiem przewodzenia. Ze względu na te własnoœci złšcza n-p nazywamy je diodš półprzewodnikowš.
Dzięki swoim własnoœciom, dioda jest przydatna w prostowaniu pršdu zmiennego. Napięcie może być wyprostowanie półfalowo lub całofalowo (jedno- lub dwustronnie). Pierwsze polega na przepuszczaniu pršdu w tej połowie okresu, w której wartoœci chwilowe napięcia sš np. dodatnie, a nieprzepuszczaniu pršdu przy ujemnych wartoœciach napięcia. Prostowanie to realizuje się za pomocš jednej diody. Do prostowania całofalowego sš używane układy prostownicze o dwóch diodach lub układy mostkowe o czterech diodach. W układzie mostkowym pršd może płynšć tylko w kierunku przewodzenia diod. Jak można się domyœlić, przez odbiornik pršd płynie cały czas w tym samym kierunku, niezależnie od fazy napięcia:
Przebiegi napięcia i pršdu wyprostowanego nie sš stałe w czasie, lecz ulegajš wahaniom przy zachowaniu stałego zwrotu, i stšd nazywamy je przebiegami tętnišcymi.
Wartoœć maksymalna napięcia równa się jego amplitudzie. Wartoœć skuteczna pršdu sinusoidalnego (czyli odpowiadajšca jej wartoœć równoważnego pršdu stałego, który by w tym samym czasie, równym jednemu okresowi, wydzielił w tym samym oporniku takš samš iloœć ciepła) jest równa jego amplitudzie podzielonej przez pierwiastek z dwóch. Analogicznie okreœla się wartoœć skutecznš napięcia. Wartoœci œrednie pršdu prostowanego pół- i całofalowo wynoszš odpowiednio Umax/ i 2Umax/. Te właœnie wartoœci pokazujš mierniki magnetoelektryczne przy mierzeniu pršdów i napięć wyprostowanych. Mierniki magnetoelektryczne prostownikowe (z wbudowanym prostownikiem) sš używane jako mierniki uniwersalne. Posiadajš one różne podziałki dla pršdu sinusoidalnego i dla pršdu stałego, co wynika ze stosunku wartoœci skutecznej do wartoœci œredniej wyprostowanej:
Przebieg napięcia można łatwo badać oscyloskopem. Jego głównš częœciš jest lampa oscyloskopowa, w której wišzka elektronów emitowanych przez katodę pada na ekran i daje obraz w postaci plamki œwietlnej. Dwie pary płytek odchylajš plamkę w kierunkach poziomym i pionowym. Płytki te sš sterowane zewnętrznymi impulsami elektrycznymi. W oscyloskopie plamka porusza się ruchem jednostajnym, od lewej strony na prawo, a następnie szybko wraca do punktu wyjœcia. Aby w czasie ruchu powrotnego nie był rysowany obraz, plamka jest w tym czasie wygaszana. W większoœci zastosowań oscyloskopu napięcie zmienne doprowadzone do płytek odchylania poziomego powoduje ruch plamki w kierunku osi X, z jednostajnš prędkoœciš. Powstaje wtedy pozioma linia, zwana podstawš czasu. Odchylanie plamki ruchem jednostajnym uzyskuje się przez sterowanie płytek napięciem piłokształtnym, wytworzonym w układzie podstawy czasu. Na wejœciu wzmacniacza odchylania pionowego, zwanego wzmacniaczem Y, znajduje się tłumik, umożliwiajšcy uzyskanie obrazu o odpowiedniej wysokoœci, zaœ pokrętła przesuwu X i Y służš do regulowania położenia obrazu na ekranie. Mierzšc charakterystykę pršdowo-napięciowš diody, napięcie na diodzie odczytuje się bezpoœrednio z osi X, pršd zaœ ze wzoru I=Dy/R*103 . Oscyloskop elektroniczny jest idealnym narzędziem do pomiarów przebiegów okresowych, np. przebiegu pršdu elektrycznego, a przy użyciu odpowiednich przystawek, fal dŸwiękowych czy elektromagnetycznych.
II. Opis doœwiadczenia
Korzystajšc z oscyloskopu, obserwowano i mierzono przebiegi czasowe pršdu zmniennego, prostowanego jednokierunkowo (za pomocš jednej diody), jak i dwukierunkowo za pomocš układu mostkowego o czterech diodach (patrz rys. w zagadnieniach teoretycznych). Zmierzono ich wartoœci szczytowe i obliczono wartoœci skuteczne (œrednie wyprostowane) dla tych trzech rodzajów pršdów. Następnie zdjęto charakterystyki pršdowo-napięciowe dla diody selenowej i germanowej, a na koniec przecechowano wzmacniacz X oscyloskopu, porównujšc wskazania woltomierza podłšczonego równolegle do oscyloskopu z przebiegiem pršdu na samym oscyloskopie.
Opracowanie wyników
Pršd zmienny
Wykres pršdu zmiennego wg. wskazań oscyloskopu:
Ponieważ widać, że maksymalne napięcie wynosi w tym przypadku 12 V, korzystajšc ze wzoru i dzielšc przez pierwiastek z dwóch, otrzymujemy napięcie skuteczne = 8.5 V. Jak widać, częstotliwoœć napięcia wynosi 1 okres na 20 ms, czyli 50 Hz.
2. Przebieg pršdu prostowanego jednofalowo:
W tym przypadku maksymalne napięcie wynosi 11 V. Napięcie œrednie wyprostowane wynosi 11/ = 3.5 V. Częstotliwoœć w tym przypadku także wynosi 50 Hz.
3. Przebieg pršdu prostowanego dwufalowo:
W tym przypadku maksymalne napięcie wynosi 8 V, a wartoœć œrednia wyprostowana 2*8/ = 5.1 V. Ponieważ tutaj obie połowy sinusoidy znajdujš się po jednej stronie osi, częstotliwoœć napięcia zwiększyła się dwa razy, do 100 Hz.
4. Charakterystyka pršdowo-napięciowa diody germanowej i selenowej. Zgodnie ze wczeœniej podanym wzorem, wartoœć pršdu została wyliczona jako
Przecechowanie wzmacniacza X oscyloskopu:
Po podłšczeniu woltomierza szeregowo do oscyloskopu mierzšcego pršd zmienny, tak jak w punkcie pierwszym, uzyskano wynik 8,5 V, czyli dokładnie napięcie skuteczne obliczone z maksymalnej wartoœci napięcia wyœwietlonego na ekranie.
Błšd pomiaru
Wynikajšcy z błędu odczytu oscyloskopu, czyli 1 podziałka, przedstawiono na wykresach.
Wnioski
Spoglšdajšc na wykresy przebiegów czasowych trzech rodzajów pršdów,
widać, że zwiększanie liczby diód prostujšcych ma negatywny wpływ na amplitudę wyprostowanego pršdu, a co za tym idzie, na jego mniejszš moc. Niestety, jest to nieunikalne, ze względu na opór wewnętrzny samych diod.
Jeżeli zaœ chodzi o charakterystykę diód, ich wykres jest doœć nietypowy. Wynika to przypuszczalnie z dwóch czynników: a) z zamontowania obu diód odwrotnie niż na schemacie co odwróciło wykres do góry nogami i b) wybrania zbyt dużej wartoœci napięcia dla podziałki osi X, co nienaturalnie zmieniło nachylenie wykresu. Dodatkowym utrudnieniem był fakt nieregulowalnego przesunięcia wykresów w lewo o 5 wolt. Poza tš niedogodnoœciš jednak, oba wykresy zachowujš się prawidłowo; co więcej, wynika z nich, że dioda germanowa posiada większš zdolnoœć blokowania pršdu wstecznego niż dioda selenowa.
Ponieważ przy przecechowywaniu wzmacniacza X oscyloskopu otrzymano zgodnoœć pomiaru co do dokładnoœci odczytu woltomierza i oscyloskopu, można przypuszczać, że błšd pomiaru oscyloskopu jest znikomy w porównaniu z błędem odczytu tegoż samego.
Podsumowujšc, uzyskane wyniki sš wiarygodne i zgodne z oczekiwaniami; jedynym mankamentem podczas przeprowadzania doœwiadczenia był brak szczegółowej instrukcji obsługi tego modelu oscyloskopu, jak i jego mały ekran z momentami trudnš do odczytania podziałkš.