POLITECHNIKA LUBELSKA

WYDZIAŁ MECHANICZNY

Laboratorium Fizyki

Blok-Elektrotechnika, elektronika, magnetyzm

Temat ćwiczenia nr 3

WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK ELEMENTÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

(DIODA, TRANZYSTOR)

1. Część teoretyczna

1.1. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane

Półprzewodniki – stanowią grupę materiałów, które pod względem przewodzenia prądu elektrycznego zajmują miejsce pośrednie pomiędzy przewodnikami a dielektrykami. Są to najczęściej substancje krystaliczne, których rezystywność wynosi 10-5 - 10 Ωm i jest znacznie mniejsza od rezystywności dielektryków (108 –1018 Ωm), oraz znacznie większa od rezystywności przewodników (10-8 – 10-7 Ωm).

W przemyśle elektronicznym najczęściej stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są pierwiastki grupy IV układu okresowego (np. krzem, german), które domieszkowane są pierwiastkami  z grupy III (np. bor) lub z grupy V (np. fosfor). Jeżeli do półprzewodnika będącego pierwiastkiem grupy IV wprowadzi się  pierwiastek z grupy V, wówczas nadmiarowe elektrony w strukturze krystalicznej utworzą nowy poziom energetyczny zwany donorowym, który znajduje się tuż poniżej pasma przewodnictwa. Elektrony z poziomu donorowego mogą łatwo przemieszczać się do pasma przewodnictwa. W ten sposób powstaje półprzewodnik typu „n” (o przewodnictwie elektronowym). Jeżeli do półprzewodnika będącego pierwiastkiem grupy IV wprowadzi się  pierwiastek grupy III, to tuż powyżej pasma walencyjnego pojawi się wolny poziom, zwany akceptorowym. Przejście elektronów na ten poziom powoduje powstawanie tzw. „dziur”, które są nośnikiem dominującym. W ten sposób powstaje półprzewodnik typu „p” (o przewodnictwie dziurowym).

Złącze p-n powstaje przez połączenie dwóch półprzewodników domieszkowanych o różnych typach przewodnictwa elektrycznego  (dziurowe i elektronowe). W stanie równowagi termodynamicznej w pobliżu styku obszarów p i n swobodne nośniki większościowe przemieszczają się (dyfundują).

Rys. 1.1. Złącze półprzewodników typu p i n

1.2. Budowa, właściwości i zastosowanie diody prostowniczej

Dioda jest elementem elektronicznym zbudowanym z dwóch warstw półprzewodników domieszkowanych o różnym typie przewodnictwa, półprzewodnika typu p (przewodnictwo dziurowe) i półprzewodnika typu n (przewodnictwo elektronowe). Gdy biegun dodatni źródła energii elektrycznej połączony zostanie z warstwą p, a ujemny z warstwą n, wówczas obniży się bariera potencjału występująca na złączu dwóch warstw, co umożliwi dyfuzję elektronów z obszaru n do obszaru p. Taki sposób połączenia nazywa się polaryzacją w kierunku przewodzenia. Jeżeli zmieni się biegunowość obszarów n i p to dioda przejdzie w stan zaporowy i praktycznie nie będzie przewodziła prądu. Diody znalazły zastosowanie w układach prostujących napięcie i prąd zmienny oraz do blokowania przepływu prądu przez określone elementy.

Rys. 1.2. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody prostowniczej

1.3. Budowa, właściwości i zastosowanie tranzystorów

Wyróżnia się dwa główne rodzaje tranzystorów, które różnią się budową i zasadą działania, tranzystory bipolarne, w których prąd wyjściowy jest funkcją prądu wejściowego (sterowanie prądowe) oraz unipolarne (polowe), w których prąd wyjściowy jest funkcją napięcia (sterowanie napięciowe).

Tranzystor bipolarny zbudowany jest z trzech warstw półprzewodników o różnym rodzaju przewodnictwa, tworzących dwa złącza p-n, sposób polaryzacji złącz determinuje stan pracy tranzystora. Tranzystor posiada trzy końcówki przyłączone do warstw półprzewodnika, nazywane i oznaczane w następujący sposób: emiter (E),  baza (B) i  kolektor (C).

Emiter jest źródłem ładunków, zadaniem bazy jest sterowanie ich przepływem, a kolektor służy do ich „zbierania”. Ze względu na kolejność warstw półprzewodnika rozróżnia się dwa typy tranzystorów: n-p-n (nośnikiem prądu są elektrony) oraz p-n-p (nośnikiem prądu są dziury). Tranzystor n-p-n przewodzi, kiedy baza i kolektor są dodatnio spolaryzowane względem emitera. W tranzystorze p-n-p baza i kolektor muszą być ujemnie spolaryzowane względem emitera. W tranzystorach bipolarnych warstwy emitera i kolektora są silniej domieszkowane niż warstwa bazy. Jeżeli w tranzystorze n-p-n złącze baza – emiter jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze kolektor – baza w kierunku zaporowym, to w tranzystorze popłynie prąd elektronowy od emitera przez pierwsze złącze do bazy. Ponieważ warstwa bazy jest wyjątkowo cienka, elektrony przepływają przez bazę i docierają do drugiego złącza. Tam są przyciągane przez dodatnio spolaryzowaną elektrodę kolektora. Złącze baza – emiter przewodzi elektrony i nie tworzy dla nich warstwy zaporowej. Ponieważ warstwa bazy jest bardzo cienka, to z powodu mniejszej koncentracji domieszek zawiera tylko niewielką ilość dziur, które rekombinują z niewielką ilością dostarczanych z emitera elektronów. Pozostałe elektrony, które wyemitował emiter, przez cienką warstwę bazy szybko przemieszczają się do kolektora. W tranzystorze płynie bardzo mały prąd bazy. Jeżeli baza jest odłączona od źródła zasilania, to prąd kolektora nie popłynie, ponieważ złącze kolektor – baza jest spolaryzowane w kierunku zaporowym. Jeżeli prąd bazy popłynie, to przez spolaryzowane w kierunku zaporowym złącze kolektor – baza będą przenikały ładunki. Tranzystor bipolarny działa jak rezystor sterowany prądem bazy. W tranzystorze bipolarnym mała zmiana prądu bazy powoduje duże zmiany prądu kolektora. Występuje zatem zjawisko wzmocnienia prądu.

Rys. 1.3. Rodzaje tranzystorów bipolarnych i ich symbole

Tranzystor posiada właściwości wzmacniania prądu i napięcia, stosowany jest w elektronicznych  wzmacniaczach. (różnicowe, operacyjne, mocy, akustyczne, selektywne, pasmowe). Może pełnić rolę bezstykowego łącznika elektrycznego (przekaźnika) włączającego prąd w obwodzie kolektora za pośrednictwem prądu bazy, z tego względu stosowany jest w różnorakich układach sterujących. Jest podstawowym elementem układów cyfrowych dzięki dwustanowej pracy i łatwemu przełączaniu od stanu blokowania do stanu przewodzenia prądu. Ponieważ tranzystor może pełnić rolę klucza elektronicznego, buduje się z nich bramki logiczne realizujące podstawowe funkcje logiczne (boolowskie). Tranzystory są także podstawowym elementem wszelkiego rodzaju pamięci półprzewodnikowych (RAM, ROM itp.). Dzięki rozwojowi technologii oraz ze względów ekonomicznych większość wymienionych wyżej układów tranzystorowych realizuje się w postaci układów scalonych.

2. Część praktyczna

2.1. Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej diody prostowniczej

Należy połączyć układ, którego schemat zamieszczono na rysunku 2.1. Zwiększać natężenie prądu płynącego przez diodę i dokonać pomiaru spadku napięcia na elemencie półprzewodnikowym. Należy zwrócić uwagę na nieliniowość charakterystyki i wykonać właściwą ilość pomiarów w poszczególnych zakresach jej zmienności. Pomiary przeprowadzić dla diody włączonej do układu w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym. Wyniki pomiarów wpisać do tabeli 2.1. Wykreślić zależność I=f(U) na jednym wykresie dla obydwu kierunków (przewodzenia i zaporowym).

Rys. 2.1. Schemat układu do wyznaczania charakterystyki prądowo-napięciowej diody

Tabela 2.1