DIODIN OMINAISKÄYRÄ TRANSISTORIN OMINAISKÄYRÄSTÖ

Transkriptio

1 1 IOIN OMINAISKÄYRÄ JA TRANSISTORIN OMINAISKÄYRÄSTÖ MOTIVOINTI Työ opettaa mittaamaan erityyppisten diodien ominaiskäyrät käyttämällä oskilloskooppia XYpiirturina Työssä opetellaan mittaamaan transistorin ominaiskäyrästö Keksintöinä diodi ja transistori ovat mullistaneet tekniikan maailmankuvan 1. TORIAA Puolijohdekomponenteista diodi koostuu yhdestä pn-liitoksesta. p- ja n- puolijohteiden rajapinnan ominaisuudet määräävät sähkövirran etenemisen diodin läpi (Kuva 1.). Kuva 1. Pn-liitos ja diodin piirrosmerkki. Välittömästi, kun aineet joutuvat kosketuksiin toistensa kanssa, syntyy varauksenkuljettajien diffuusiovirta, jossa n-tyypin elektronit liikkuvat p- tyypin aukkoja kohti. iffundoituneet elektronit rekombinoituvat aukkojen kanssa synnyttäen elektronivirran. Vastaavasti p-tyypin aukot kulkeutuvat n-tyypin elektroneja kohti ja rekombinoituvat saaden aikaan aukkovirran. n- ja p-tyypin aineiden välisen rajapinnan molemmille puolille syntyy alue, jossa ei ole vapaita varauksenkuljettajia, vaan pelkkiä akseptori- ja donori-ioneja. Tällaista aluetta kutsutaan tyhjennys- tai estoalueeksi. Alue on n. 0,1 µm leveä. Akspetori-ionit aiheuttavat p-estoalueelle negatiivisen nettovarauksen ja donori-ionit muodostavat n-estoalueelle yhtä suuren positiivisen nettovarauksen. Tällöin syntyy estoalueen yli vaikuttava sähkökenttä ja potentiaaliero, jota kutsutaan kynnysjännitteeksi U. k

2 Kun kynnysjännitettä alennetaan ulkoisella jännitteellä, diodi on kytketty päästösuuntaan (Kuva 2.). 2 Kuva 2. iodi päästösuunnaassa. Kun diodi on kytketty toisin päin, diodin resistanssi kasvaa hyvin suureksi, ja virran kulku sen läpi estyy. iodi on kytketty estosuuntaan (Kuva 3.). Kuva 3. iodi estosuunnassa. Lämpötilan vaikutus puolijohdekomponentteihin on otettava huomioon elektroniikkasuunnittelussa. Lämpötilan vaikutusta diodin ominaisuuksiin voidaan havainnollistaa esimerkiksi diodia lämmittävän hehkulampun avulla. Transistorit ovat myös puolijohdekomponentteja, joita käytetään esimerkiksi muistipiireissä ja nestekidenäytöissä. Tavallinen ns. bipolaarinen transistori muodostuu kolmesta puolijohdepalasta. Ne ovat joko järjestyksessä npn tai pnp (Kuva 4.). Näitä osia kutsutaan emitteriksi, kannaksi ja kollektoriksi. Puolijohdeosien ominaisuudet vaikuttavat merkittävästi transistorin virtojen kulkuun. n p n p n p Kuva 4. npn- ja pnp-transtorit ja niiden piirrosmerkit. Transistorien toiminta perustuu kahden pn-liitoksen toimintaan. Tarkemmin sanottuna toiminta määräytyy aukkojen ja elektronien rekombinaation perusteella puolijohdeliitosten rajapinnoilla. simerkiksi npntransistorissa emitterin ja kannan rajapinnassa vain osa enemmistöva-

3 rauksenkuljettajista ehtii rekombinoitua ja siten muodostaa heikon kantavirran. Kun taas suurin osa varauksenkuljettajista kulkeutuu kollektorille, josta varaukset kerätään ulkoisella jännitteellä. Kantavirta syntyy, kun kanta-emitteriliitokseen kytketään päästösuunnassa vain kynnysjännitteen suuruinen jännite. Kantavirran olemassaolo on edellytys kollektorivirran olemassaololle. Näille virroille on aina voimassa varausten säilymisen laki: I = I + I. Kollektorivirta on erittäin herkkä kantavirran muutoksille. Pieni kantavirran muutos aiheuttaa yleensä suuren kollektorivirran muutoksen. Näiden muutoksien suhdetta kutsutaan yhteisemitterikytketyn (Kuva 5.) transistorin virranvahvistuskertoimeksi I β =. I Hyvin pienellä kantavirralla voidaan ohjata jopa 1000 kertaa suurempaa kollektorivirtaa. I 3 I R U U R I U U Kuva 5. npn-transistorin yhteisemitterikytkentä. Yhteisemitterikytketyn transistorin ominaiskäyrät saadaan, kun tutkitaan eri kantavirran I arvoilla kollektorivirran I muuttumista kollektoriemitterijännitteen U funktiona. Kuvan 5. merkinnöillä saadaan Kirchhoffin II lain mukaan U = U + R I. Tästä saadaan U U I =, R joka on toimintasuoran yhtälö. Transistorin toimintasuora määrätään selvittämällä ominaiskäyrästön koordinaattiakselien ja toimintasuoran leikkauspisteet ( U = 0, I ) ja ( U, I = 0). Transistorin toimintapiste Q = U, I, I ) on piste, jossa transistori on valittu toimimaan. ( Q Q Q

4 4 2. KOKLLINN OSUUS A. iodin ominaiskäyrä päästösuunnassa iodin ominaiskäyrä päästösuunnassa saadaan mittaamalla diodin läpäisevä virta jännitteen funktiona, kun diodi on kytketty päästösuuntaan (Kuva 6.). iodin ominaiskäyrä kuvaa diodin vastusarvoa. A 100 Ω V Kuva 6. iodin kytkentä päästösuuntaisen virran ja jännitteen mittausta varten. Germanium- ja pii-diodin ominaiskäyrät määritetään mittaamalla päästösuunnassa 20 virran ja jännitteen arvoa. rityisesti diodin ominaiskäyrän epälineaarisella osuudella kannattaa tihentää mittauspisteiden välimatkaa. Mittauksen onnistumisen kannalta on tärkeää, että diodityyppien suurimmat sallitut virrat ja jännitteet on selvitetty ennen mittauksen alkua. Sallittujen arvojen ylittäminen tuhoaa diodin! Huomaa myös jännite- ja virtamittarien kytkennät.. iodin dynaaminen ominaiskäyrä iodi kytketään vastuksen kanssa vaihtojännitteeseen (Kuva 7.). Silloin diodi on vuoroin päästö- vuoroin estosuunnassa. A 5-10 V R Y X R =100 Ω Kuva 7. Kytkentä diodin kynnysjännitteen mittaamista varten. Tällä kertaa diodin ominaiskäyrän mittaamiseen käytetään oskilloskooppia. Oskilloskoopin tulovalitsimet asetetaan -asentoon ja pyyhkäisyajan valitsin asentoon X-Y. X-poikkeutukseen tuodaan diodin päiden välinen jännite (pisteiden A ja välinen jännite). Y-poikkeutukseen viedään jännite U. Valitsemalla oskilloskoopin kanavien herkkyydet sopi- R

5 viksi saadaan oskilloskoopille diodin ominaiskäyrän kuva, josta voidaan lukea diodin kynnysjännite U. k Sen puolijakson aikana, jolloin U A > U, kulkee diodin ja vastuksen R kautta virta I. iodissa syntyy jännitehäviö U, joka poikkeuttaa kuvapistettä X-suunnassa. Vastuksen yli vaikuttava jännite on 5 U = R R I, joten pystypoikkeutusjännite (Y-suunnassa) on suoraan verrannollinen diodin virtaa I. Virran kasvaessa kuvapisteen poikkeutus tapahtuu alaspäin, ellei pystypoikkeutuslevyjen polariteettia muuteta oskilloskoopin Inverter-säätimellä. Oskilloskoopin kuva piirretään tarkasti havaintopöytäkirjaan (tai mmpaperille). Muista merkitä myös vahvistimien herkkyydet. Kuvasta saadaan diodin ominaiskäyrä, kun y-akseli muutetaan virta-akseliksi (I=U/R). Työssä määrätään annettujen germanium- ja pii-diodien kynnysjännitteet. Samanlaisella kytkennällä voidaan mitata myös zenerdiodin ja erilaisten Lien ominaiskäyrät. Kuva 8. Tyypilliset ominaiskäyrät Si- ja Ge-diodeille on esitetty viereisessä kuvassa. Huomaa kynnysjännitteiden ero sekä virtajyrkkyys.

6 6. Transistorin dynaaminen ominaiskäyrästö Transistorin ominaiskäyrät yhteisemitterikytkennässä tarkoittavat transistorin kollektorivirran I c esittämistä kollektori - emitterijännitteen U funktiona kantavirran I ollessa parametrina. Kuvan 9. kytkentä soveltuu sellaisenaan npn-transistorin tutkimiseen. µa U = 5-15 V R 1 R 2 Y X U = 1,5 V R 3 R = R = 1 kω 2 R = 1 kω 3 Kuva 9. Transistorin kytkentä sen ominaiskäyrästön määrittämiseksi. Tarkoituksena on havaita usealla (4) kantavirran I arvolla kuvan 10. tyyppisiä transistorin ominaiskäyriä. Olkoon kantavirta säädetty vastuksella R 1 esimerkiksi arvoon I 1. Koska U > 0, poikkeuttaa jännite U kasvaessaan kuvapistettä oikealle. Pystysuunassa emitterivastuksen R 3 aiheuttama jännitehäviö poikkeuttaa taas kuvapistettä alaspäin, mikäli pystypoikkeutuksen napaisuutta ei muuteta. On syytä käyttää skoopin Inverter-säädintä, jotta ominaiskäyristä tulisi normaalin esitystavan mukaisia. Koska kollektorivirta menee kokonaan emitterivastuksen läpi, niin tästä saadaan virta-akselin kalibroimiseksi yhtälö U R3 = R 3 I Oskilloskoopin näytöltä piirretään kuvaajat neljällä (4) eri kantavirran arvolla samaan koordinaatistoon.

7 7 Kuva 10. Tyypillinen transistorin ominaiskäyräparvi. 3. TULOKST A-tapauksen mittaustulokset esitetään työselostuksessa graafisesti samassa (millimetripaperille tai tietokonetta käyttäen piirretyssä) kuvassa. Piirrä diodien ominaiskäyrät. Mitkä ovat käytettyjen diodien kynnysjännitteet? -tapauksen tulokset esitetään kalibroidussa U,I-koordinaatistossa. Kalibrointi tapahtuu oskilloskoopin tunnettujen pysty- ja vaakapoikkeutusherkkyyksien ja vastuksen R avulla. Vertaa näin saatuja tuloksia A- kohdan tuloksiin ja yleismittarista saataviin arvoihin. -tapaus: työselostuksessa ominaiskäyrät esitetään kalibroidussa koordinaatistossa kuvan 10. tapaan. Siinä Y-akselilla on transistorin läpi kulkeva kollektrorivirta I ja X-akselilla kollektori-emitterijännite U. Kalibrointia varten on syytä merkitä muistiin vaaka- ja pystypoikkeutusherkkyydet. Piirrä transistorin ominaiskäyrät samaan kuvaan ja määritä sen toimintasuora. Muista piirtää kuvat mustekynällä mm-paperille tai käyttäen tietokonetta. Merkitse kuviin akselit, suureiden lyhenteet, yksiköt ja mahdolliset mittauspisteet. iodien tapauksessa näytä kynnysjännitteen määräytyminen graafisesti. Virhetarkastelu on suoritettava kaikille laskuille. 4. POHITTAVAA Mitä muutoksia diodin lämpötilan kasvu saa aikaan diodin ominaiskäyrässä? Miten valo vaikuttaa puolijohteeseen? Miten transistorin toimintapisteen kantavirran arvo voidaan säätää halutuksi?