cw2.pdf

(857 KB) Pobierz

Microsoft Word - Diody i tranzystory - instrukcja ver_C.doc

Laboratorium Podstaw Elektroniki – „Badanie charakterystyk elementów półprzewodnikowych”

Ę wiczenie 2

Badanie charakterystyk elementów półprzewodnikowych

1. WST Ħ P TEORETYCZNY

1.1. Diody

Podstaw ħ wi ħ kszo Ļ ci diod półprzewodnikowych stanowi zł Ģ cze p-n. Ze wzgl ħ du na

powszechno Ļę zastosowania dzieli si ħ je na wiele grup. Dwa podstawowe rodzaje, to diody

ostrzowe i warstwowe.

Zł Ģ cze p-n diody ostrzowej (rys.1) wykonuje si ħ przez wtopienie elektryczne ostrza

metalowego do półprzewodnika typu n. W procesie zgrzewania pod ostrzem tworzy si ħ

mikroobszar typu p.

Rys. 1. Dioda ostrzowa Rys. 2. Dioda warstwowa

(epitaksjalno – planarna)

Diody warstwowe (rys.2) otrzymuje si ħ technologi Ģ stopow Ģ i dyfuzyjn Ģ , przy czym

wykorzystuje si ħ wiele odmian technologii dyfuzyjnej, a zwłaszcza epitaksjalno-planarn Ģ .

Z punktu widzenia u Ň ytkownika, najwa Ň niejszy jest podział diod zwi Ģ zany z ich

zastosowaniem. Według tego kryterium wyró Ň nia si ħ diody:

•

Prostownicze

•

Uniwersalne

•

Tunelowe

•

Schottky’ego (krótkie czasy przeł Ģ cze ı )

•

Stabilizacyjne (Zenera, stabilistory)

•

Pojemno Ļ ciowe (warikap, waraktor)

Symbol graficzny diody prostowniczej przedstawiony jest na rysunku 3. Jak wida ę ,

jest on podobny do strzałki, która w tym przypadku wyznacza kierunek przepływu pr Ģ du

przez diod ħ .

Rys.3. Symbol diody prostowniczej

Wyprowadzenie diody A nazywane jest anod Ģ , a wyprowadzenie K - katod Ģ .

Zakład Automatyki i Kriogeniki I-20, Politechnika Wrocławska

1

412687778.048.png

412687778.059.png

412687778.070.png

412687778.077.png

412687778.001.png

412687778.002.png

412687778.003.png

412687778.004.png

412687778.005.png

412687778.006.png

Laboratorium Podstaw Elektroniki – „Badanie charakterystyk elementów półprzewodnikowych”

Je Ň eli do anody diody doprowadzi si ħ napi ħ cie dodatnie wzgl ħ dem katody, czyli

U AK >0, to b ħ dzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i pr Ģ d popłynie od anody do

katody. Przy ujemnych warto Ļ ciach U AK , dioda jest spolaryzowana zaporowo i płynie przez

ni Ģ tak zwany pr Ģ d wsteczny, który jest zwykle o kilka rz ħ dów mniejszy ni Ň pr Ģ d

przewodzenia (cz ħ sto przyjmuje si ħ dla uproszczenia, Ň e pr Ģ d wsteczny jest równy zero).

Warto Ļę napi ħ cia zaporowego nie mo Ň e przekroczy ę pewnej granicy - tak zwanego napi ħ cia

przebicia, gdy Ň wówczas popłynie pr Ģ d porównywalny z pr Ģ dem w kierunku przewodzenia.

Najcz ħĻ ciej powoduje to uszkodzenie diody, z wył Ģ czeniem przypadku, gdy mamy do

czynienia z diod Ģ Zenera (stabilistorem), w której napi ħ cie przebicia wykorzystywane jest do

stabilizacji.

Rys.4. Charakterystyka diody półprzewodnikowej

Na rysunku 4 przedstawiono charakterystyk ħ diody I D = I D (U AK ). Jak wida ę , ju Ň przy

bardzo małych, dodatnich napi ħ ciach U AK pr Ģ d I D płyn Ģ cy przez diod ħ bardzo mocno wzrasta,

osi Ģ gaj Ģ c du Ň e warto Ļ ci. Tak jak ka Ň dy element, dioda ma parametry graniczne, których nie

mo Ň na przekroczy ę bez jej uszkodzenia. Dlatego pr Ģ d przewodzenia diody nie mo Ň e

przekroczy ę warto Ļ ci I Fmax (maksymalnego pr Ģ du diody w kierunku przewodzenia). Napi ħ cie

przewodzenia diody U F okre Ļ la si ħ przy pr Ģ dzie przewodzenia I F = 0,1·I Fmax . Dla diody

germanowej napi ħ cie to zawiera si ħ w zakresie od 0,2V do 0,4V, a dla diody krzemowej - od

0,5V do 0,8V.

Teoretyczn Ģ charakterystyk ħ diody w kierunku przewodzenia mo Ň na opisa ę zale Ň no Ļ ci Ģ :

Ä

AK

mU

Ô

Å

Æ

Õ

Ö

I

=

I

(T)

e

−

1

T

D

S

gdzie:

I S - teoretyczny pr Ģ d wsteczny,

m - współczynnik korekcyjny (przyjmuje warto Ļ ci od 1 do 2),

U T = kT/q - potencjał elektrokinetyczny.

Potencjał ten w temperaturze pokojowej wynosi:

kT

1,38

×

10

23

[J/K]

×

296[K]

U

=

=

=

25,5[mV]

(#)

T

q

1,60

×

10

19

[C]

Napi ħ cie U Rmax , przy którym nast ħ puje gwałtowny wzrost pr Ģ du I R , nazywa si ħ

napi ħ ciem przebicia. Ze wzgl ħ du na charakter przebicia mo Ň e ono by ę lawinowe lub Zenera.

Charakterystyki zł Ģ czy p-n zale ŇĢ w znacznym stopniu od temperatury. Dotyczy to przede

wszystkim pr Ģ du wstecznego, który wzrasta wykładniczo ze wzrostem temperatury.

W zakresie przebicia zmiany napi ħ cia w funkcji temperatury mo Ň na zapisa ę w postaci

zale Ň no Ļ ci liniowej:

Zakład Automatyki i Kriogeniki I-20, Politechnika Wrocławska

2

U

−

−

412687778.007.png

412687778.008.png

412687778.009.png

Laboratorium Podstaw Elektroniki – „Badanie charakterystyk elementów półprzewodnikowych”

U Rmax = U R0 [1 + a UR0 (T – T 0 )]

gdzie: U R0 – napi ħ cie przebicia w temperaturze T 0 , a UR0 – temperaturowy współczynnik

napi ħ cia przebicia.

Współczynnik a UR0 przyjmuje warto Ļ ci ujemne, gdy przebicie jest wywołane zjawiskiem

Zenera, a dodatnie, gdy przebicie jest wywołane zjawiskiem lawinowym.

Charakterystyki diod krzemowej (Si) i germanowej (Ge), otrzymane na podstawie

wzoru (#), przedstawiono na rysunku 6. W obliczeniach przyj ħ to typowe dane katalogowe

diod:

- krzemowej: I S =10 pA, mU T =30 mV, I Fmax =100 mA

- germanowej: I S =100 nA, mU T =30 mV, I Fmax =100 mA.

Z charakterystyk mo Ň na odczyta ę warto Ļ ci napi ħ cia przewodzenia U F : dla diody germanowej

napi ħ cie przewodzenia jest równe 0,35V, a dla diody krzemowej 0,62V.

Rys.6. Charakterystyki diod krzemowej i germanowej

w kierunku przewodzenia

Dioda Zenera (rys.7) wykorzystuje t ħ wła Ļ ciwo Ļę zł Ģ cz p-n, która w przypadku

zwykłych diod jest zgubna, a mianowicie przekroczenie maksymalnego napi ħ cia wstecznego,

przy którym pr Ģ d bardzo szybko wzrasta. W przypadku diod Zenera, napi ħ cie to jest Ļ ci Ļ le

okre Ļ lone i nazywane jest napi ħ ciem Zenera U Z .

Rys.7. Symbol diody Zenera

Charakterystyk ħ diody Zenera przedstawiono na rysunku 8. Zjawisko stabilizacji napi ħ cia na

diodzie Zenera polega na wykorzystaniu przebicia przy polaryzacji wstecznej diody,

charakteryzuj Ģ cego si ħ tym, Ň e du Ň ym zmianom pr Ģ du diody DI D towarzysz Ģ bardzo małe

zmiany spadku napi ħ cia DU AK . Przyjmuje si ħ , Ň e po przebiciu zł Ģ cza napi ħ cie na diodzie nie

zmienia si ħ i jest równe napi ħ ciu Zenera U Z .

Diody takie stosuje si ħ do stabilizacji napi ħę stałych. Dost ħ pne s Ģ diody Zenera na

napi ħ cia od 3 do 200V, przy czym, im mniejsze jest to napi ħ cie, tym gorsza stabilizacja.

Rys.8. Charakterystyka statyczna diody Zenera

Zakład Automatyki i Kriogeniki I-20, Politechnika Wrocławska

3

412687778.010.png

412687778.011.png

412687778.012.png

412687778.013.png

Laboratorium Podstaw Elektroniki – „Badanie charakterystyk elementów półprzewodnikowych”

Najprostszy układ stabilizacji napi ħ cia stałego z wykorzystaniem diody Zenera

przedstawiono na rysunku 9. Rezystor R1 ustala warto Ļę pr Ģ du płyn Ģ cego przez diod ħ i do

obci ĢŇ enia. Warto Ļę jego rezystancji musi by ę tak dobrana, aby zapewni ę wła Ļ ciwe warunki

stabilizacji dla danego typu diody Zenera. Przedstawiony układ mo Ň e słu Ň y ę jako Ņ ródło

napi ħ cia odniesienia. Układ ten ma jednak kilka wad np. wpływ temperatury i zmian pr Ģ du

płyn Ģ cego przez diod ħ na napi ħ cie stabilizacji.

Rys.9. Podstawowy układ stabilizacji napi ħ cia

W poni Ň szych tabelach zestawiono najwa Ň niejsze dane katalogowe typowych diod

prostowniczych (tab.1) i Zenera (tab.2).

Tabela 1. Dane katalogowe diod prostowniczych.

gdzie:

•

U RWM – szczytowe napi ħ cie wsteczne diody

•

U RSM - niepowtarzalne napi ħ cie wsteczne diody

•

U F – napi ħ cie przewodzenia diody

•

U R – napi ħ cie wsteczne diody

•

I o – Ļ redni pr Ģ d przewodzenia diody przy prostowaniu

•

I FSMax – niepowtarzalny pr Ģ d przewodzenia diody

•

I F – pr Ģ d przewodzenia diody

•

I R – pr Ģ d wsteczny diody

Tabela 2. Dane katalogowe diod Zenera.

Zakład Automatyki i Kriogeniki I-20, Politechnika Wrocławska

4

412687778.014.png

412687778.015.png

412687778.016.png

412687778.017.png

412687778.018.png

412687778.019.png

412687778.020.png

412687778.021.png

412687778.022.png

412687778.023.png

412687778.024.png

412687778.025.png

412687778.026.png

412687778.027.png

412687778.028.png

412687778.029.png

412687778.030.png

412687778.031.png

412687778.032.png

412687778.033.png

412687778.034.png

412687778.035.png

412687778.036.png

412687778.037.png

412687778.038.png

412687778.039.png

412687778.040.png

412687778.041.png

412687778.042.png

412687778.043.png

412687778.044.png

412687778.045.png

412687778.046.png

412687778.047.png

412687778.049.png

412687778.050.png

412687778.051.png

412687778.052.png

412687778.053.png

412687778.054.png

412687778.055.png

412687778.056.png

412687778.057.png

412687778.058.png

412687778.060.png

412687778.061.png

412687778.062.png

412687778.063.png

412687778.064.png

412687778.065.png

412687778.066.png

412687778.067.png

412687778.068.png

412687778.069.png

412687778.071.png

412687778.072.png

412687778.073.png

Laboratorium Podstaw Elektroniki – „Badanie charakterystyk elementów półprzewodnikowych”

gdzie:

•

U Z – napi ħ cie Zenera

•

r Z – rezystancja dynamiczna

•

TKU Z – współczynnik temperaturowy diody Zenera

•

P max – moc maksymalna

1.2. Tranzystor

Na poni Ň szym rysunku 10 zestawiono najwa Ň niejsze rodzaje tranzystorów.

Rys. 10. Podział tranzystorów

Opis tranzystorów w niniejszym opracowaniu b ħ dzie dotyczył wył Ģ cznie tranzystorów

bipolarnych.

Tranzystor jest elementem półprzewodnikowym o trzech ko ı cówkach (elektrodach)

i słu Ň y do wzmacniania lub przeł Ģ czania sygnałów. Tranzystory bipolarne dzieli si ħ na

krzemowe i germanowe, z których ka Ň dy mo Ň e by ę typu npn lub pnp. Zasada działania obu

typów tranzystorów jest jednakowa, natomiast ró Ň nice wyst ħ puj Ģ wył Ģ cznie w polaryzacji

zewn ħ trznych Ņ ródeł napi ħ cia i w kierunku przepływu pr Ģ dów. Na rysunku 11 przedstawione

zostały symbole graficzne tranzystorów npn i pnp oraz ich diodowe modele zast ħ pcze.

Zakład Automatyki i Kriogeniki I-20, Politechnika Wrocławska

5

412687778.074.png

412687778.075.png

412687778.076.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Podstawy_Elektroniki_-_tom_2.rar (4309 KB)
Podstawy_Elektroniki_-_tom_1.rar (3532 KB)
cw6.pdf (12849 KB)
cw5.pdf (147 KB)
cw4.pdf (854 KB)

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin