Skripta Elektronické součástky - Laboratorní cvičení

8. Co je to bezpečná pracovní oblast tranzistoru – jak ji lze vyjádřit ve výstupních
charakteristikách ?
9. Za jakých okolností dochází k průrazům tranzistorové struktury
10. Co je to Earlyho jev ?
11. Co jsou linearizované modely tranzistoru a jaký mají vztah k parametrům
dvojbranu ?
12. Jak jsou vyjádřeny mezní kmitočty bipolárního tranzistoru ?
13. Jak pracuje bipolární tranzistor ve funkci spínače ?
14. Jak se provede volba a nastavení pracovního bodu zesilovače s bipolárním
tranzistorem.






Elektronické součástky - laboratorní cvičení 7
3 V-A charakteristiky polovodičových diod Úloha č. 1
Spolupracoval: Datum Hodnocení

Úkol: 1. Změřte V-A charakteristiky zadaných polovodičových součástek
2. Naměřené hodnoty vyneste do grafu

Zadané diody: germaniová (Ge), křemíková (Si), Schottkyho (Sch), Luminescenční (LED)
(konkrétní typy budou upřesněny)
3.1 Pokyny pro měření:
1. Diody zapojte podle zadaného schématu a postupně proveďte měření v propustném a
závěrném směru
2. Pro měření proudu diod v závěrném směru použijte přístroj METEX na rozsahu 20µA. Na
tomto rozsahu je nejmenší odečítatelná hodnota proudu 10 nA.
3. Charakteristiky v propustném směru zakreslete do společného grafu pro možnost jejich
srovnání.
4. Jelikož jsou závěrné proudy křemíkové a luminescenční diody řádově odlišné od diody
germaniové a Schottkyho, je vhodné jejich závěrné charakteristiky zakreslit do dvou grafů.
5. Charakteristiku změřte v 10-15 bodech dle tvaru charakteristiky. V oblasti zlomu
charakteristiky je třeba vždy změřit nejméně 3 body.

Omezení: Hodnoty U a I by neměly překročit:
v propustném směru: I
Fmax
= 15 - 20 mA
v závěrném směru: U
Rmax
= 25 V, pro LED 20 V
Ochranný odpor (pro omezení proudu) R
o
= cca 1 kΩ

VA- charakteristika propustném směru







Obrázek 1: Propustný směr
VA- charakteristika v závěrném směru


Obrázek 2: Závěrný směr

Obvod zapojte podle uvedeného
schématu a postupně zvětšujte vstupní
napětí U
1
. Odečtené proudy zapisujte do
tabulky a následně zakreslete do grafu. Pro
rozpoznání elektrod diody použijte
multimetr .
Postupujte jako v případě 1a. Při napětí
přes 15V sledujte pozorně proud, aby
nedošlo k překročení maximálního
závěrného napětí a k poškození diody
(zvláště u LED).
8 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
3.2 Měření a jeho vyhodnocení
P Ge Z P Si Z P Schot Z P Lum Z
I
F
U
F
I
R
U
R
I
F
U
F
I
R
U
R
I
F
U
F
I
R
U
R
I
F
U
F
I
R
U
R

[mA] [V] [µA] [V] [mA] [V] [nA] [V] [mA] [V] [µA] [V] [mA] [V] [nA] [V]









Charakteristiky:



↑ I
F
[mA]


Propustný směr
(všechny diody)












0

U
F
[V]
→


0

←
U
R
[V]










Závěrný směr
Ge, Schot.





I
R
[µA]
↓




Elektronické součástky - laboratorní cvičení 9

0

←
U
R
[V]










Závěrný směr
Si, LED





I
R
[nA]
↓



Závěr:






























10 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
3.3 Teoretické poznámky
3.3.1 Vlastnosti polovodičových diod
Polovodičová dioda je součástka, jejíž činnost je založena na vlastnostech přechodu P-N nebo
přechodu kov-polovodič (Schottkyho dioda).
Obrázek 3: Schematická značka a uspořádání stavebních prvků diody

Základní vlastností diody je vedení elektrického proudu pouze jedním směrem (IF). Při
zapojení v tomto tzv. propustném směru, kdy na anodě je kladné napětí proti katodě (UF).
Je-li dioda zapojena v tzv. závěrném směru je přiložené napětí (UR) pólováno opačně, tj. na
anodě (-), na katodě (+) a proud jí prakticky neprotéká (pouze malý závěrný proud IR).




Zákl
charakteri
exponenciální.
Je dána Shockleyho ro








kde:
U
T
- teplotní napětí, kter






Obrázek 4:
směru

P
N
P (N)
KOV
U
F

U
R

U
R

R
0
+
-
I
R
UU
F
R
0

+
-
I
F

U
adní informace o vlastnostech polovodičové diody poskytuje její voltampérová
stika. Závislost proudu na napětí je u polovodičových diod nelineární –
vnicí ideální diody:

é je rovno kT/q, k - Boltzmanova konstanta (1,38.10
-23
JK
-1
s
-1
),
q - náboj elektronu (1,602.10
-12
C),
T - absolutní teplota [K]
(U
T
pro 300K je přibližně 26 mV)
Zapojení diody v propustném Obrázek 5: Zapojení diody v závěrném
směru
1).(eII
T
m.U
U
0
−=
U
I
Elektronické součástky - laboratorní cvičení 11

U - napětí na přechodu PN [V]
I - proud procházející přechodem [A]
I
0
- saturační proud (pro Si 10
-15
– 10
-9
A, pro Ge 10
-8
– 10
-2
A)
m - multiplikační činitel (není-li uveden, předpokládá se m=1, pro Si m=2)
Saturační proud I
0
závisí na:
• koncentraci příměsí N
A
, N
D
,
• ploše přechodu A,
• na teplotě T (jednak přímo a exponenciálně přes vlastní koncentraci n
i
),
• na době života minoritních nosičů τ
n
a

τ
p.
















Obrázek 6: Význačné hodnoty na VA-charakteristice
3.3.2 Označování parametrů diod


-
U
BR
U
RSM
U
RRM
U
P
U
I
FM
I
F
I
I
0

Význam indexů u napětí a proudu

F, D - Forward , Direct – propustný směr
R - Reverse – závěrný směr
(jako první písmeno indexu)
R - Repeatable – opakovatelné
(jako druhé písmeno indexu)
W - W ork – pracovní
(jako druhé písmeno indexu)
M - Maximum – maximální
(jako poslední písmeno indexu)
BR - Breakdown – průrazné
(jako poslední dvojice písmen
v indexu)

RMS - Real Mean Square – efektivní
hodnota
AV - Average – střední hodnota
Obvyklé označení význačných hodnot U a I u diody

U
F
- napětí na diodě v propustném směru
U
R
- napětí na diodě v závěrném směru
U
RWM
, U
Rmax
- maximální pracovní závěrné napětí
U
RRM
- opakovatelné špičkové napětí - nejvyšší
přípustná hodnota závěrného napětí, kterou
lze periodicky zatížit diodu v celém rozsahu
pracovních teplot.
U
RSM
- neopakovatelné špičkové napětí – nejvyšší
přípustná (okamžitá) hodnota závěrného
napětí, která náhodně vznikne při provozu.
U
RBR
, U
BR
– průrazné napětí

– napětí, při kterém
dochází ke zničení přechodu PN
U
P -
prahové napětí diody
I
F -
proud diodou v propustném směru
I
R -
proud diodou v závěrném směru
I
FM -
maximální proud v propustném směru
12 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
3.3.3 Přehled parametrů běžně používaných diod :

Germaniová dioda:
- rychlé spínání (velká pohyblivost nosičů b),
- malé prahové napětí (0,3 V až 0,5 V),
- malé závěrné napětí, nízká mezní teplota (75°C),
- poměrně velké závěrné proudy (v důsledku velkého n
i
), a tím značná teplotní závislost.

Křemíková dioda:
- poměrně pomalé spínání (malá pohyblivost b!!),
- velké prahové napětí (0,5 V až 1,1 V),
- vysoké závěrné napětí,
- vysoká mezní teplota (150°C),
- malé závěrné proudy (vlivem poměrně malého n
I
), a tím malá teplotní závislost.


Schottkyho bariérová dioda
Obsahuje kovový kontakt na polovodiči N (nejčastěji Si nebo GaAs), čímž
vzniká závěrná vrstva takového druhu, že při pólování v přímém směru prochází proud
(pouze elektronů) z oblasti N do kovu - jde o proud v jednom směru (unipolárni).

- malý úbytek napětí v propustném směru (menší než 0,5 V)
- neuplatňují se minoritní nosiče náboje, proud je přenášen pouze nosiči majoritními
- diody dosahují vysokých rychlostí vypínání a zapínání (kmitočet až 1 MHz)
- (Protože se při průchodu proudu nehromadí minoritní nosiče, projevuje se pouze nepatrný
kapacitní efekt, a může tak tato dioda při změně polarity signálu z přímého do zpětného směru
tuto změnu sledovat rychleji než běžný typ s přechodem PN)
- ve srovnání s diodami s PN přechodem mají větší závěrný proud, který je výrazněji závislý na
teplotě.





















Obrázek 7: V-A charakteristiky různých typů diod – typické průběhy

200
100

I
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00
I [A]
F
U [V]
F
I [nA]
R
U [V]
R
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7
Ge
Schottky
Si GaAs
Ge
Si
GaAs
600
300
900
Schottky
Závěrná oblast
Propustná oblast
Elektronické součástky - laboratorní cvičení 13
4 Dioda jako usměrňovač Úloha č. 2
Spolupracoval: Datum Hodnocení

Úkol: Ověřte vlastnosti Si diody jako sériového a paralelního usměrňovače
4.1 Pokyny pro měření
Sériový usměrňovač









Ob
a urč
poz








Paralelní usměrňovač






Obrázek 9: Paralelní usměrňovač

Postup:
1) Zapojte diodu jako sériový usměrňovač podle obr.
1, zobrazte průběhy vstupního a výstupního
napětí na osciloskopu pro nízký kmitočet (cca
100Hz) a pro vyšší kmitočet (cca 10kHz a více
podle typu diody tak, aby byl vidět projev
zotavovací doby). Pro určení zotavovací doby
zvolte takový kmitočet, při kterém překmit do
záporné půlperiody nepřekročí polovinu amplitudy
vstupního napětí. Průběhy překreslete, okótujte a
určete zotavovací dobu.
2) Na výstup usměrňovače zapojte filtrační
kondenzátor a zakreslete průběhy z osciloskopu
- pro nízký kmitočet (cca 1kHz) s kondenzátorem
C = 33nF a 220nF
- pro vyšší kmitočet (cca 10kHz) opět se stejnými
kondenzátory a průběhy porovnejte.
3) Pro kmitočty 100Hz, 1kHz, 10kHz, 100kHz určete
usměrňovací účinnost usměrňovače
100
1
0
%
⋅=
m
U
U
η
U
1m
je amplituda vstupniho napětí
U
0
je stř. hodnota výstupního napětí (změřte
multimetrem bez kondenzátoru na výstupu)


A,B
G
1) Zapojte diodu jako paralelní usměrňovač
podle obr. 2.
2) Zakreslete průběhy z obrazovky pro
kmitočet 100Hz, 1kHz, 50kHz.
3) Průběhy okótujte a při kmitočtu 100Hz
odečtěte hodnotu prahového napětí U
P .

4) Z průběhů určete pro kmitočty podle bodu 2
fázové posuny výstupního napětí
vzhledem k vstupnímu napětí.
5) (V případě, že by se, vzhledem parametrům
diody, fázový posun neprojevil, zvyšujte
kmitočet, až uvedený jev nastane).
u
u
2
rázek 8: Sériový usměrňovač
ení zotavovací doby
orovaného průběhu.

a průběhy napětí
Napětí u
2
je obrazem proudu I.
– vstupy osciloskopu
- generátor funkcí
u
u
2
ϕ
U
14 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
4.2 Měření a jeho vyhodnocení
Průběhy pozorované na osciloskopu zakreslete, proveďte popis os a vyhodnoťte !










































Závěr:

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 15
4.3 Teoretické poznámky
4.3.1 Dynamický režim polovodičové diody
Rychlost klesání proudu diodou při poklesu napětí je závislá i na parazitních
parametrech jako je např. seriová indukčnost přívodů (cca 100nH) a seriový odpor (cca 0,2
Ω).
Parametry skutečné diody jsou v praxi závislé na řadě parazitních vlivů.









Obrázek 10: Náhradní schéma diody z lineárních obvodových prvků

Konkrétní náhradní schéma je třeba vždy sestavovat podle podmínek za kterých bude
dioda pracovat, především podle rychlosti dějů, které bude zpracovávat.








Obrázek 11: Náhradní schéma diody pro nízké kmitočty
4.3.2 Náhradní odpor diody

Statický odpor R
S

pro konkrétní bod
charakteristiky

Dynamický odpor R
d
- je dán strmostí VA
charakteristiky (v propustném směru se blíží nule)
tgα.
m
m
R
I
U
d
=
Pro oblast prahového napětí jsou oba odpory
přibližně stejné
a rovnají se v podstatě odporu polovodičového
materiálu.
Obrázek 12: Statický a dynamický odpor z VA-charakteristiky


R
C
T
C
D
D
R
L
R
P
- svodový odpor diody (uplatní se
v závěrném směru)
C
D
- difúzní kapacita (uplatní se
v propustném směru)
C
T
- bariérová kapacita (uplatní se
v závěrném směru)
R
S
- odpor materiálu diody a odpor
přívodů (10
-1
- 10
2
Ω)
L
S
- indukčnost přívodů
D - ideální dioda
C
p
-

bariérová a difuzní kapacita C
T
+ C
D
R
d
- dynamický odpor diody
R
P

R
d

C
p
R
F1
F1
S
I
U
R =
α
I
F1
U
F1

16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
c
e
Jedním z mezních parametrů diody, který určuje její užitné vlastnosti je dynamický
parametr označovaný jako doba závěrného zotavení t
rr
(Reverse Recovery). Udává, jak
rychle dioda dokáže přejít z propustného do závěrného režimu a blokovat průchod proudu.
Dioda se tedy stává nevodivou až po uplynutí doby závěrného zotavení t
rr
. Pro Schottkyho
diody a diody GaAs je t
rr
řádově 10
-12
s. Tuto dobu lze stanovit z časové závislosti i
D
(t).
Zotavovací dobu je možné také určit z průběhu výstupního napětí u
2
(viz první úloha zadání),
které je obrazem proudu protékajícího diodou. Pro její určení se používá např. tečny
k překmitu (jak je naznačeno na obrázku v zadání, nebo časový interval pro pokles na 1/10
velikosti překmitu.
Při změně polarity napětí na diodě pokles proudu pokračuje i do záporných hodnot, protože
dochází k postupnému odčerpávání injektovaných minoritních nosičů náboje, které se v diodě
nahromadily při propustné polarizaci. Tzn., že postupně dochází k opětnému rozšíření oblasti
prostorového náboje.


Obrázek 13: Příklady průběhů výstupního napětí sériového usměrňovače
pro diodu BA 228





1MHz 3MHz





Uvedené průběhy byly získány simulací
v programu Multisim pro diodu BA 228.
Z průběhů je zřejmé, že při určitém
kmitočtu se dioda jako usměrňovač stává
nepoužitelnou.
5MHz
Elektronické součástky - laboratorní cvičení 17
5 Dioda jako řízený odpor Úloha č. 3

Úkol: Ověřte dynamické vlastnosti řízeného přenosového článku s Si diodou

5.1 Pokyny pro měření
Spolupracoval: Datum Hodnocení

Obrázek 14: Zapojení 1
- Výstupní napětí generátoru při změně kmitočtu nemusí
být konstantní, proto je třeba v průběhu měření je stále
kontrolovat !
- Pro získání napětí 100mV z generátoru je třeba zapnout
výstupní zeslabovací článek tlačítkem ATT nebo použít na
vstupu odporový dělič cca 1:10.

Přenos článku s řízenou diodou
podle zapojení 1
Přenos článku v dB:

1
2
log20
U
U
A= [dB]
Změřte, vypočítejte a vyneste do
grafu :

a) přenos jako funkci kmitočtu f

A
f1
= f(f) pro U
r
= konst
.
b) přenos jako funkci řídicího
napětí U
r


A
U1
= f(U
r
) pro f = konst.

Volte:
U
1
= cca 100mV
U
r
= 0 - 30V
C
V
= 1µF
f = 50Hz – 2MHz
Všechna napětí odečítejte z obra-
zovky osciloskopu.
U
1
,U
2
– amplitudy vstupního a výst.
harmonického napětí u
1
,u
2


Pro zapojení 2 proveďte stejné
měření jako pro zapojení 1
Získané přenosy
A
f2
= f(f) a A
U2
= f(U
r
)
zakreslete do odpovídajících grafů pro
zapojení 1 a výsledky porov-nejte.
(Pro závislost přenosu na kmitočtu je
vhodné použít semi-logaritmický
papír).
Obě zapojení jsou pasivní články,
proto jejich přenos musí být menší než
1.



Obrázek 15: Zapojení 2

u
1
= U
1
.sin(ωt)
Jestliže je osciloskop přepnut na střídavý vstup (AC), není
třeba použít na výstupu obvodu oddělovací kondenzátor C
v
.


18 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
5.2 Měření a jeho vyhodnocení
U
2
= f(U
R
) při f = konst. U
1
= 100mV, f = 1kHz, U
R
= 0 - 30V pro obě
zapojení.

Obě osy grafu budou lineární. Průběhy pro obě zapojení zakreslete do jednoho
souřadného systému.

Zapojení 1
U
R
[V]
U
2
[]
A
U1
[dB]

Zapojení 2
U
R
[V]
U
2
[]
A
U2
[dB]



U
2
= f(f) při U
R
= konst. U
1
= 100mV f = 50Hz – 2MHz, U
R
=

Řídicí napětí U
R
nastavte na takovou hodnotu, kdy výstupní napět