Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

Politechniki Wrocławskiej

STUDIA DZIENNE

Ćwiczenie nr 7

Wpływ temperatury na półprzewodnik

oraz na charakterystykę I-U złącza p-n

I. Zagadnienia do samodzielnego przygotowania - zależność konduktywności półprzewodnika od temperatury,

- charakterystyka rezystancyjno-temperaturowa oraz napięciowo-prądową termistora,

- rezystancja statyczna i dynamiczna, temperaturowy współczynnik rezystancji termistora,

- wpływ temperatury na prąd złącza spolaryzowanego w kierunku zaporowym,

- wpływ temperatury na powielanie lawinowe i zjawisko Zenera,

- wpływ temperatury na charakterystykę złącza spolaryzowanego w kierunku przewodzenia,

- temperaturowe współczynniki prądu i napięcia złącza p-n – definicje i wartości.

II. Program zajęć

- pomiar charakterystyki temperaturowej termistora,

- wyznaczenie parametrów R∞, B i T na podstawie wykreślonej zależności RT = f(1/T),

- pomiar zależności U = f(T) dla diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia oraz

zależności I = f(T) dla diody spolaryzowanej w kierunku zaporowym,

- obliczenie temperaturowych współczynników napięcia oraz prądu,

- obliczenie szerokości pasma zabronionego Wg na podstawie zmierzonych zależności.

III. Literatura

1. W. Marciniak, Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, Warszawa, 1987

2. B. Schmidt, E. Kuźma, Termistory, WNT, Warszawa, 1972

3. Poradnik Inżyniera Elektronika, WNT, Warszawa, 1971

Wykonując pomiary PRZESTRZEGAJ przepisów BHP związanych z obsługą urządzeń

elektrycznych.

LABORATORIUMPRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

2

1. Wpływ temperatury na konduktywność półprzewodnika

Konduktywność półprzewodnika opisuje zależność:

pnq pn , (1)

gdzie: q – ładunek elementarny, n, p – ruchliwość elektronów i dziur, n, p – koncentracja

odpowiednio elektronów i dziur.

W wypadku półprzewodnika samoistnego otrzymuje się: pnii qn

Zależność konduktywności półprzewodnika od temperatury jest zatem wypadkową zależno-

ścią zmian koncentracji i ruchliwości nośników w funkcji temperatury. Zmiana koncentracji

nośników wraz z temperaturą wynika z generacji termicznej nośników oraz jonizacji domie-

szek półprzewodnika. Ruchliwość nośników μ w porównaniu z koncentracją zmienia się

nieznacznie z temperaturą. Zależność μ w funkcji temperatury związana jest z mechanizmem

rozpraszania nośników. W niskiej temperaturze (poniżej 150K) przeważa rozpraszanie na

jonach domieszek (μ ~ T3/2), natomiast w wyższej temperaturze dominuje rozpraszanie ciepl-

ne lub rozpraszanie na fononach i wówczas μ ~ T-3/2. Rozpraszanie na jonach domieszek jest

tym silniejsze, im większa jest koncentracja nośników, dlatego ruchliwość maleje w miarę

wzrostu poziomu domieszkowania półprzewodnika.

Można wyróżnić trzy obszary charakterystyczne zależności konduktywności półprzewodnika

niesamoistnego od temperatury (rys. 1.):

zakres I – generacja termiczna par elektron-dziura jest niewielka, następuje jednak joniza-

cja atomów domieszek. Koncentracja zjonizowanych domieszek rośnie wykładniczo

z temperaturą, stąd obserwowany prostoliniowy odcinek charakterystyki σ = f (1

T)

w układzie współrzędnych log-lin.

zakres II – prawie wszystkie domieszki są zjonizowane, koncentracja nośników praktycz-

nie nie zmienia się z temperaturą, a o konduktywności decyduje koncentracja nośników ła-

dunku pochodzących z domieszek, których ilość jest stała. Niewielkie zmniejszenie kon-

duktywności ze wzrostem temperatury wynika ze zmniejszenia się ruchliwości nośników.

zakres III – przeważa termiczna generacja par elektron-dziura, ich koncentracja jest znacz-

nie większa niż koncentracja nośników pochodzących od domieszek; konduktywność pół-

przewodnika zmienia się ze wzrostem temperatury wykładniczo tak, jak konduktywność

półprzewodnika samoistnego. Ponieważ σi ~ ni, to zależność temperaturowa σi ma postać

σi

kT

Wg

2exp .

3

Rys. 1. Zależność konduktywności półprzewodnika domieszkowanego od temperatury. Podano zakre-

sy temperatury, dla których zachodzi zmiana przebiegu charakterystyk konduktywności różnych pół-przewodników

1.1. Termistor – rezystor półprzewodnikowy wykorzystujący zależność rezystancji od tem-

peratury. Termistory podzielić można na trzy grupy:

- NTC (Negative Temperature Coefficient), TWR < 0 – termistory najczęściej stosowane,

gdzie: TWR – temperaturowy współczynnik rezystancji

TWR = 1 dR

R dT 100% = T [%/K] (2)

- PTC (Positive Temperature Coefficient), TWR > 0 w ograniczonym zakresie temperatur,

- CTR (Critical Temperature Resistor) TWR < 0, o dużej wartości bezwzględnej w wąskim

zakresie temperatur.

Zmianę rezystancji termistorów w funkcji temperatury przedstawiono na rys. 2.

a)

b)

c)

Rys. 2. Charakterystyka RT = f(T) termistora typu: a) NTC; b) PTC; c) CTR

I II III

S m-1]

1/T [K-1]

Skal

a lo

gar

ytm

iczn

a

20-150 T [K] 400-600 0

σi

4

Termistory zawierają najczęściej tlenki metali przejściowych, takie jak MnO2, TiO2 lub ich

spiekane mieszaniny. Zależność rezystancji termistora NTC od temperatury ma postać:

T

BRRT exp ,

(3)

gdzie: R – rezystancja termistora dla 1/T = 0 (czyli T → ∞), wyrażona w [Ω], B – stała wy-

rażana w Kelwinach, zwykle równa kilka tysięcy K.

Wzór (3) można przekształcić do postaci: T

BRRT lnln , z której wynika liniowa zależ-

ność RT od odwrotności temperatury we współrzędnych log-lin (rys. 3). Temperaturowy

współczynnik rezystancji (TWR), oznaczany najczęściej symbolem T, dla termistorów NTC

wynosi od kilku do kilkunastu %/K. Jego wartość bezwzględna jest 10 do 100 razy większa

niż TWR dla rezystorów metalicznych (np. 0,2 %/K). Można go wyznaczyć ze wzorów (2) i (3):

2

exp

exp1

T

B

T

BR

T

BR

dT

dR

RT

T .

Po uproszczeniu otrzymuje się:

2T

BT . (4)

Rys. 3. Charakterystyka termistora NTC w układzie współrzędnych log-lin RT = f(1/T)

5

1.2. Charakterystyka napięciowo-prądowa termistora NTC

Zależność U-I termistora jest nieliniowa, co związane jest z wydzielaniem się ciepła Joule’a

na skutek przepływu prądu przez termistor. Aby uniknąć niejednoznaczności, zależność wy-

kreśla się we współrzędnych U-I (rys. 4.), a nie w układzie współrzędnych I-U, jak na przy-

kład dla diody.

Temperatura termistora zależy od wydzielanej w nim mocy (jak dla każdego elementu elek-

tronicznego) zgodnie z zależnością:

aT TPKT , (5)

gdzie: Ta – temperatura otoczenia, T – temperatura termistora, K – rezystancja termiczna

[K/W] lub [°C/W] – wskazuje o ile stopni wzrośnie temperatura elementu na skutek wzrostu

wydzielanej mocy o 1 W, PT – moc wydzielana w termistorze.

Charakterystykę napięciowo-prądową termistora, przedstawioną na rys. 4., opisuje wzór:

aT

TTKP

BRIRIU exp (6)

Rys. 4. Charakterystyka prądowo-napięciowa termistora. Zaznaczono przykładowy punkt pracy oraz

podano definicje rezystancji statycznej i dynamicznej

Jeżeli iloczyn UI jest mały – występuje jedynie niewielkie dogrzewanie elementu – to:

KPT << Ta i U IR exp B

TI R

a

a

,

gdzie: Ra – rezystancja termistora w temperaturze otoczenia.

Tak więc w tym zakresie charakterystyki napięcie U jest liniową funkcją natężenia prądu I,

czyli spełnione jest prawo Ohma. W miarę wzrostu natężenia prądu, moc wydzielana w ter-

mistorze powoduje wzrost jego temperatury T, a więc zmaleje rezystancja RT termistora. Spa-

0

0

I

URstat

constIUdyndI

dUr

00 ,

U0, I0 – pkt. pracy

I0

U0

tu spełnione

prawo Ohma

0

0 4 8 1

2

I [mA]

2

4

6

8

U

[V]

Ta rośnie

6

dek napięcia na termistorze U = IRT zależy od rosnącego natężenia prądu I i malejącej rezy-

stancji termistora RT. Stąd, występuje maksimum funkcji U = f(I), a następnie spadek jej war-

tości (szybciej maleje RT niż wzrasta I).

Termistor stosowany jako czujnik temperatury otoczenia powinien pracować w liniowym

zakresie charakterystyki U-I. W tym zakresie, przy założeniu stałego prądu płynącego w ob-

wodzie, wzrost temperatury otoczenia Ta spowoduje zmniejszenie rezystancji RT, czyli Rstat

(rys. 4.) i w konsekwencji zmniejszenie spadku napięcia na termistorze.

2. Wpływ temperatury na charakterystykę I-U złącza p-n

Na podstawie zależności koncentracji nośników i konduktywności półprzewodnika od tempe-

ratury (rys. 1.) można zauważyć, że przyrządy półprzewodnikowe ze złączem p-n mogą pra-

cować w zakresie temperatur od ok. -200 do +200°C (zakres II na rys. 1). Górna temperatura

pracy zależy od rodzaju półprzewodnika i jest ściśle związana z szerokością przerwy zabro-

nionej Wg. Dla germanowych złącz będzie to 70°C, dla krzemowych 150°C, a dla diod z GaN

może wynosić 300°C. Wpływ wzrostu temperatury na przebieg charakterystyki I-U złącza p-n

w tym przedziale temperatury został przedstawiony na rys. 5.

a)

b)

Rys. 5. Wpływ wzrostu temperatury na charakterystykę I-U złącza p-n spolaryzowanego

w zakresie: a) przewodzenia; b) zaporowym

7

2.1. Wpływ temperatury na charakterystykę prądowo-napięciową złącza p-n spolaryzo-

wanego w kierunku przewodzenia

Dla polaryzacji złącza p-n w kierunku przewodzenia do warstwy zaporowej wstrzykiwane są

nośniki i płynie prąd dyfuzji. Stąd koncentracje dziur i elektronów są większe niż w stanie

równowagi termodynamicznej i może zachodzić rekombinacja nośników. Zazwyczaj, proces

rekombinacji nośników przeważa nad generacją. Ze wzrostem napięcia polaryzacji wpływ

składowej dyfuzyjnej prądu zaczyna dominować.

Stosunek prądu rekombinacji do prądu dyfuzji dla złącza niesymetrycznego p+-n

(gdzie: NA >> ND) przedstawić można wyrażeniem:

kT

qU

n

NC

I

I

i

D

D

r

2exp ,

(7)

gdzie: Ir – prąd rekombinacji, ID – prąd dyfuzji, ND – koncentracja donorów, ni – koncentracja

par elektron-dziura, C – stała.

Stosunek tych prądów jest więc odwrotnie proporcjonalny do koncentracji samoistnej ni. Stąd,

dla złącz p-n z Ge, wobec dużej wartości ni (mała przerwa zabroniona), udział prądu rekom-

binacji jest znacznie mniejszy niż prądu dyfuzji. Inna sytuacja jest w złączach p-n z Si (więk-

sza przerwa zabroniona), gdzie udział prądu rekombinacji jest znacznie większy niż prądu

dyfuzji. W związku z tym, że w zakresie polaryzacji w kierunku przewodzenia prąd płynący

przez złącze intensywnie wzrasta wraz ze wzrostem napięcia, udział poszczególnych składo-

wych prądu zależnie od wartości prądu i materiału złącza może być różny. Dla złącz Si

w zakresie małych natężeń prądów (dla polaryzacji U < 0,4 V) dominuje składowa prądu re-

kombinacji (współczynnik idealności złącza n ≈ 2), w zakresie prądów średnich składowa

dyfuzyjna (n ≈ 1). Natomiast dla złącz Ge w całym zakresie napięć dominuje składowa dyfu-

zyjna (n ≈ 1).

2.2. Temperaturowy współczynnik zmian napięcia (TWU) przy stałym prądzie w kie-

runku przewodzenia

Znajomość dryftu temperaturowego spadku napięcia na złączu p-n przy stałym prądzie prze-

wodzenia jest niezbędna dla wielu zagadnień spotykanych w praktyce. Równanie opisujące

charakterystykę I-U złącza dla kierunku przewodzenia, dla zakresu napięć, gdy prąd dyfuzji

jest dominujący, czyli dla n = 1, ma postać:

kT

qUII S exp gdzie:

kT

WAnAI

g

iS exp2

8

podstawiając:

kT

qU

kT

WAII

g

F expexp (8)

tak więc: kT

qU

kT

WAI

g

F lnln

stąd: q

WT

A

I

q

kU

gF

ln (9)

gdzie: IF – prąd złącza przy polaryzacji w kierunku przewodzenia, A’ – stała,

Wykres zależności U = f(T) – zob. rys. 6. – to linia prosta o nachyleniu A

I

q

k

dT

dU F

ln .

Nachylenie, czyli pochodna dT

dU, wyraża temperaturowy współczynnik napięcia (TWU)

określony przy stałym natężeniu prądu IF.

Jak widać, TWU ma wartość ujemną i dla złącz p-n Si oraz Ge wynosi około -2 mV/°C.

Rys. 6. Zależność napięcia na złączu p-n od temperatury dla kierunku przewodzenia (dla IF = const)

Na podstawie zmierzonej, dla ustalonego prądu, zależności U = f(T) można wyliczyć tempe-

raturowy współczynnik zmian napięcia wyrażany w mV/K, biorąc skończony przyrost napię-

cia ΔU (ujemny) odpowiadający przyrostowi temperatury ΔT.

Podstawiając wyrażenie na dU/dT do (9) otrzymuje się:

q

WT

dT

dUU

g . (10)

Dla T = 0K uzyskuje się wartość napięcia U = Wg/q odpowiadającą przerwie zabronionej.

Można więc wyznaczyć wartość przerwy zabronionej półprzewodnika.

9

2.3. Wpływ temperatury na charakterystykę prądowo-napięciową złącza p-n spolary-

zowanego w kierunku zaporowym

Przy polaryzacji zaporowej w warstwie zaporowej złącza praktycznie nie ma nośników swo-

bodnych, gdyż silne pole elektryczne usuwa elektrony i dziury na zewnątrz tej warstwy (stąd

nazwa: warstwa zubożona). Zgodnie z modelem zjawisk generacji-rekombinacji pośredniej

proces generacji nośników przeważa nad rekombinacją, gdyż prawdopodobieństwo emisji

elektronów i dziur z centrów generacyjno-rekombinacyjnych jest większe niż prawdopodo-

bieństwo pułapkowania nośników przez te centra.

Równanie opisujące charakterystykę I = f(U) rzeczywistego złącza p-n ma postać:

1exp

nkT

qUII R , (11)

gdzie: IR – prąd wsteczny złącza, n – współczynnik doskonałości złącza (1 ≤ n ≤ 2).

Dla zaporowej polaryzacji złącza p-n człon równania exp (qU/kT) <<1, wobec czego natęże-

nie prądu złącza można wyrazić uproszczonym wzorem: I -IR, przy czym

IR = Is + Ig,

gdzie: Is jest prądem nasycenia, a Ig prądem generacji.

Udział składowej prądu generacji, ze względu na zależność od koncentracji nośników samo-

istnych ni, jest tym większy, im większa jest szerokość pasma zabronionego półprzewodnika.

Dla złącz wykonanych z krzemu prąd generacji przeważa nad prądem nasycenia, stosunek

Ig/Is ~ 3000. Natomiast dla germanu prąd generacji jest znacznie mniejszy niż prąd nasycenia

i stosunek Ig/Is dla porównywalnych złącz wynosi około 0,1.

Dla Si prąd generacji jest proporcjonalny do koncentracji samoistnej ni:

Ig ~ ni.

Wobec znanej zależności ni = f(T) otrzymuje się, po przyjęciu pewnych uproszczeń, wyraże-

nie na zależność temperaturową prądu generacji Ig:

Ig =

kT

WCT

g

2exp2/3 , (12)

gdzie: Wg – przerwa zabroniona (pasmo zabronione), C – stała niezależna od temperatury.

Po zróżniczkowaniu wyrażenia względem temperatury otrzymuje się:

22

2/32/1

22

3

2exp

22exp

2

3

kT

WI

T

I

kT

W

kT

WCT

kT

WTC

dT

dI g

g

ggggg

.

Stąd, względne zmiany prądu generacji wywołane zmianą temperatury wynoszą:

10

22

1

2

31

kT

W

TdT

dI

I

gg

g

.

Ponieważ wpływ członu zawierającego Wg jest zdecydowanie większy, równanie opisujące

temperaturowy współczynnik prądu w kierunku zaporowym (TWIR) można zapisać w postaci:

22

1

kT

W

dT

dI

I

gg

g

(13)

Współczynnik temperaturowy prądu (generacji) w kierunku zaporowym dla Si szacuje

się na około 8%/K.

Dla złącz Ge dominuje prąd nasycenia złącza:

kT

WBTI

g

s exp3 , (14)

gdzie: B – stała niezależna od temperatury.

Przeprowadzając podobną analizę jak dla złącza Si, można otrzymać:

2

31

kT

W

TdT

dI

I

gs

s

(15)

Wzór można zapisać w skróconej formie (analogicznie jak w wypadku prądu generacji):

2

1

kT

W

dT

dI

I

gs

s

(16)

Współczynnik temperaturowy prądu w kierunku zaporowym (nasycenia) dla Ge w tem-

peraturze pokojowej (T = 300K) wynosi 10%/K.

Przyjmuje się, że TWIR dla złącz p-n wynosi 8-10%/K, niezależnie od materiału, z którego

zbudowane jest złącze. Należy podkreślić, iż współczynniki temperaturowe prądu są współ-

czynnikami względnymi, czyli zmiany prądu odniesione są do wartości początkowej prądu.

2.4. Wyznaczanie wartości Wg z pomiarów prądu w kierunku zaporowym

Człony zależności eksponencjalnych we wzorach na Ig (dla Si) oraz IS (dla Ge), wzory (12)

i (14), silnie zależą od temperatury i decydują o całościowym wpływie temperatury na natę-

żenie prądu złącza. Pozostałe czynniki można traktować jako stałe.

Można napisać, że dla germanu, gdzie przeważa prąd nasycenia Is:

kT

WAI

g

s exp (17)

11

Po zlogarytmowaniu powyższej zależności otrzymuje się:

Tk

WAggI

g

s

1434,011

Wykresem otrzymanej zależności Is = f(1/T) w układzie współrzędnych log-lin jest linia pro-

sta (rys. 7).

Na podstawie dwóch punktów leżących na uzyskanej prostej (dokładniej, na prostej aproksy-

mującej uzyskany z pomiarów wykres) można określić szerokość pasma zabronionego Wg.

Rys. 7. Zależność prądu złącza p-n od temperatury dla polaryzacji

zaporowej (układ współrzędnych log-lin)

Zapisując równanie (17) dla I1(T1) i I2(T2):

1

1 exp'kT

WAI

g oraz

2

2 exp'kT

WAI

g

i logarytmując stronami otrzymuje się:

1

1 explg'lglgkT

WAI

g oraz

2

2 explg'lglgkT

WAI

g.

Po odjęciu obu wyrażeń stronami:

ekT

We

kT

WII

gglglglglg

21

21 czyli

122

1 11lglg

TTk

We

I

I g.

Po przekształceniach, szerokość pasma zabronionego wyraża się wzorem:

1

2

2 1

1lg

lg 1 1g

IkW

e I

T T

, (18)

gdzie: k = 8,6510-5 eV/K (stała Boltzmanna), lge = 0,434.

12

Analogicznie, wychodząc ze wzoru na prąd generacji Ig otrzymać można wzór na szerokość

pasma Wg w postaci:

2

1

12

lg11

1

lg

2

I

I

TT

e

kWg

(19)

2.5. Wpływ temperatury na charakterystykę prądowo-napięciową złącza p-n

w zakresie przebicia

Przebicie złącza p-n występuje wówczas, gdy prąd płynący przez złącze w kierunku zaporo-

wym dąży do nieskończenie wielkiej wartości. Napięcie, przy którym występuje przebicie

nazywa się napięciem przebicia złącza. W zakresie przebicia zmiany napięcia przebicia Up

w funkcji temperatury można zapisać w postaci zależności liniowej:

010 TTUU pp , (20)

gdzie: Up(0) – napięcie przebicia w ustalonej temperaturze T0, p

p

UdT

dU 1 – temperaturowy

współczynnik napięcia przebicia

Współczynnik β przyjmuje wartości ujemne, gdy przebicie jest wywołane zjawiskiem Zenera,

lub dodatnie, gdy przebicie jest wywołane zjawiskiem powielania lawinowego. Wartość bez-

względna temperaturowego współczynnika zmian napięcia wynosi około 10-4-10-3/K.

Wpływ temperatury na przebieg charakterystyki I-U złącza p-n spolaryzowanego w kierunku

zaporowym w zakresie przebicia dla zjawisk Zenera i powielania lawinowego został pokaza-

ny na rys. 8.

a)

b)

Rys. 8. Schematyczne przedstawienie wpływu wzrostu temperatury na charakterystykę I-U złącza p-n

w zakresie przebicia: a) zjawisko Zenera, b) zjawisko powielania lawinowego

13

Mechanizm zjawisk powodujących zmiany napięcia przebicia spowodowane temperaturą

można wyjaśnić następująco. Dla przebicia typu Zenera wzrost temperatury (T) powoduje

nieznaczne zmniejszenie pasma zabronionego półprzewodnika (Wg). Zmniejsza się wówczas

także szerokość warstwy zaporowej złącza p-n (xd), stanowiącej barierę dla nośników. Powo-

duje to wzrost prawdopodobieństwa tunelowania (ptunelowania) nośników w złączu i następuje

wzrost prądu Zenera (IZ) przy stałym napięciu lub zmniejszenie napięcia przebicia (UZ) przy

stałym prądzie (zob. rys. 8a). Symbolicznie można zapisać:

T↑ → Wg↓ → xd↓ → ptunelowania↑ → IZ↑ @ U = const lub UZ↓ @ I = const

Dla przebicia lawinowego wzrost temperatury powoduje zwiększenie amplitudy drgań atomów

(Adrgań) w węzłach sieci krystalicznej. Zwiększa się prawdopodobieństwo zderzeń nośników

ładunku elektrycznego z atomami sieci krystalicznej (pzderzenia). Silniejsze rozpraszanie i częst-

sze zderzenia zmniejszają drogę swobodną nośników (λswobodna), co zmniejsza ich energię kine-

tyczną w chwili zderzenia, a to z kolei osłabia efekt powielania lawinowego. Przy stałym napię-

ciu maleje prąd lawinowy (I) w złączu, a przy stałym prądzie wzrasta wartość napięcia przebi-

cia (Up) lawinowego (rys. 8b). Symbolicznie można zapisać:

T↑ → Adrgań↑ → pzderzenia↑ → λswobodna↓ → I↓ @ U = const lub Up↑@ I = const

Z powyższego opisu zjawisk wynika, iż dla pewnego zakresu napięć (6-8 V) te dwa mechani-

zmy zależności temperaturowej kompensują się i współczynnik β jest bliski 0. Jest to istotne

z praktycznego punktu widzenia, gdyż dioda (złącze p-n) z takim napięciem przebicia jest

stabilna temperaturowo i może stanowić źródło referencyjne stałego napięcia odniesienia.

3. Pomiary

W trakcie wykonywania pomiarów, temperatura badanych elementów elektronicznych

będzie zadawana i stabilizowana za pomocą urządzenia grzewczego (piecyka), które zo-

stało skonstruowane i wykonane przez pracowników Wydziału Elektroniki Mikrosyste-

mów i Fotoniki. Instrukcja obsługi piecyka znajduje się w załączniku do instrukcji.

3.1. Pomiary charakterystyki temperaturowej termistora

Charakterystyki RT = f(T) dwóch termistorów zmierzyć w układzie przedstawionym na rys. 9.

W układzie stosowany jest multimetr, pracujący w funkcji omomierza.

14

Rys. 9. Układ do pomiaru charakterystyki RT = f(T) termistora

Wówczas multimetr pracuje jako źródło prądowe o określonym natężeniu prądu (zależnym od

zakresu pomiarowego), mierzy wartość spadku napięcia na badanym elemencie i wyświetla

wartość rezystancji badanego elementu.

Odczytać wartość rezystancji termistorów w temperaturze otoczenia, odczytanej z wyświetla-

cza piecyka. Pomiary wykonywać przy grzaniu piecyka, zwiększając nastaw temperatury co

10°C. Po osiągnięciu zadanej temperatury poczekać ok. 2 minut do czasu ustabilizowania

wskazania multimetru. Pomiary wykonać w zakresie temperatury 25-115°C. Wyniki pomia-

rowe zamieścić w sprawozdaniu zgodnie z poniższym wzorem. Po wykonaniu pomiarów na-

leży zadać studzenie piecyka do temperatury 25°C.

T [°C] T [K] 1/T [1/K] RT [kΩ]

Na podstawie zmierzonych wartości narysować wykres RT = f(1/T) w układzie log-lin (zob.

rys. 3). Na podstawie uzyskanego wykresu wyznaczyć:

1.

1212

11

lg

3,211

lglg

lg

1 1

2

12

TT

R

R

TT

RR

eB

T

T

TT

2. R – wartość można odczytać z wykresu, jeśli skala 1/T zaczyna się od 0 lub wyliczyć ze

wzoru

1

1exp

T

BRR T wstawiając wartość B wyliczoną w pkt. a) oraz wartości z po-

miaru w punkcie (T1, RT1),

3. 2T

BT w temperaturze otoczenia,

4. T z definicji, na podstawie odczytanych wartości RT i T w dwóch punktach wykresu

aproksymowanego prostą; porównać z wartością obliczoną w punkcie (c), a także z warto-

ścią katalogową αT mierzonego termistora.

piecyk

T Multimetr

pracujący w funkcji omomierza

15

3.2. Pomiary wpływu temperatury na charakterystykę I-U złącza p-n. Wyznaczanie

temperaturowych współczynników napięcia (TWU) i prądu (TWIR)

Pomiary przeprowadzić w układzie przełączanym, tj. umożliwiającym pomiar dla obu polary-

zacji złącza (rys. 10). Ustawienie przełącznika w pozycji „1” umożliwia pomiar natężenia

prądu płynącego przez złącze spolaryzowane w kierunku zaporowym.

Na zasilaczu należy ustawić wartość ograniczenia prądowego na 5 mA oraz napięcie

U = -5 V (należy pamiętać, aby wybrać odpowiednie wyjście zasilacza i podłączyć układ

do właściwych zacisków zasilacza, tj. -25 V oraz COM).

Ustawienie przełącznika w pozycji „2” umożliwia pomiar spadku napięcia na złączu p-n za

pomocą multimetru, pracującego w funkcji testera złącza.

Rys. 10. Układ do pomiaru charakterystyk temperaturowych złącza p-n

dla kierunku przewodzenia i kierunku zaporowego

W pomiarach zastosowany będzie tranzystor bipolarny wykonany w germanie (tranzystor

germanowy). Pomiary wykonać dla złącza E-B bądź B-C tranzystora. Pomiary wykonywać

przy nagrzewaniu piecyka, zwiększając nastaw temperatury co 5°C. Po osiągnięciu zadanej

temperatury poczekać ok. 2 minut do czasu ustabilizowania wskazania multimetrów. Pomiary

wykonać w zakresie temperatury 30-70°C. Wyniki pomiarowe zamieścić

w sprawozdaniu zgodnie z poniższym wzorem. Po wykonaniu pomiarów należy zadać stu-

dzenie piecyka do temperatury 30°C.

T [°C] T [K] 1/T [1/K] UF [mV] IR [µA]

Na podstawie uzyskanych wyników pomiarowych należy:

narysować wykres UF = f(T) w skali liniowej (temperatura na osi odciętych na wykre-

sie powinna być wyrażona w Kelwinach) i obliczyć:

1. szerokość pasma zabronionego (Wg)

2. temperaturowy współczynnik napięcia TWU = constIFdT

dU

16

narysować wykres IR = f(1/T) w układzie współrzędnych log-lin i obliczyć:

1. temperaturowy współczynnik prądu TWIR= constU

R

RRdT

dI

I

1

2. szerokość pasma zabronionego (Wg)

4. Podsumowanie

Porównać wyliczone wartości parametrów termistorów z danymi przedstawionymi w tabeli

opracowanej na podstawie noty katalogowej producenta, zamieszczonej poniżej:

Oznaczenie elementu R25 [kΩ] ± 1% B [K] ± 3%

DHT0A103F34D3SY 10 3435

DHT0A103F3553SY 10 3550

DHT0A103F39H3SY 10 3975

DHT0A104F39H3SY 100 3975

Na podstawie powyższej tabeli i uzyskanych wyników obliczeń, określić oznaczenie produ-

centa zmierzonych termistorów. zmierzonych termistorów. Skomentować uzyskane wyniki

i zapisać wnioski.

Załącznik

1

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

Politechniki Wrocławskiej

STUDIA DZIENNE

Instrukcja obsługi piecyka

W instrukcji opisano obsługę piecyka skonstruowanego i wykonanego przez pracow-

ników Wydziału Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej. Urządze-

nie składa się z podgrzewanej komory wraz z radiatorem z grzanym elementem, panelu

z gniazdami pomiarowymi, umożliwiającymi dołączenie grzanego elementu do układu po-

miarowego oraz programatora (rys. 1). Wnętrze komory przedstawiono na rys. 2.

Rys. 1. Fotografia z zaznaczonymi komponentami piecyka

Podczas obsługi piecyka należy zachować szczególną ostrożność i pamiętać, aby nie

otwierać pokrywy osłony komory, ponieważ istnieje ryzyko poparzenia!

LABORATORIUMPRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Załącznik

2

Rys. 2. Fotografia komory grzewczej

Po połączeniu układu pomiarowego, zgodnie ze schematem zamieszczonym

w instrukcji do danego ćwiczenia, należy włączyć zasilanie piecyka. Włącznik znajduje się na

panelu tylnym urządzenia.

Po uruchomieniu piecyk znajduje się w trybie gotowości. Wartość bieżącej temperatu-

ry grzanego elementu wyświetlana jest w kolorze białym na wyświetlaczu programatora, na-

tomiast zadana wartość temperatury wyświetlana jest w kolorze zielonym (rys. 3).

Rys. 3. Wyświetlacz programatora z wartością bieżącej temperatury grzanego elementu (biała

czcionka) oraz zadaną wartością temperatury (zielona czcionka)

Załącznik

3

W celu zadania temperatury, do której ma zostać podgrzany badany element, należy

przycisnąć klawisz PF w celu wybrania cyfry, której wartość użytkownik chce zmodyfikować

(bieżącą cyfrę można zidentyfikować poprzez jej migotanie), a następnie należy zmodyfiko-

wać zadaną wartość za pomocą klawiszy z symbolami strzałek (rys. 4).

Grzanie piecyka załącza się piecyka przez przytrzymanie przycisków oznaczonych ja-

ko RUN/RST do momentu pojawienia się żółtej strzałki na ekranie wyświetlacza (rys. 5).

Ponowne przytrzymanie przycisków RUN/RST spowoduje wyłączenie grzania piecyka.

Po załączeniu grzania można zmieniać nastaw temperatury i nie ma potrzeby ponow-

nego załączania komendy grzania piecyka.

Rys. 4. Klawisze programatora, służące do zadawania temperatury grzanego elementu

Rys. 5. Wyświetlacz sygnalizujący grzanie elementu (żółta strzałka), czerwonymi strzałkami

zaznaczono przyciski, które należy przytrzymać do momentu załączenia grzania

Załącznik

4

Podczas, gdy temperatura piecyka jest wyższa niż 40 °C, pokrywa osłony musi być

zamknięta. Podniesienie pokrywy osłony w takiej sytuacji jest sygnalizowane sygnałem aku-

stycznym.

Po zakończonej pracy, przed wyłączeniem piecyka od zasilania, należy schłodzić go do

temperatury 40 °C.