Měření polovodičových součástek

Transkript

1 Měření polovodičových součástek Zadání laboratorní úlohy 1) Seznamte se se zapojením měřicích přístrojů a připojením přípravku s měřeným tranzistorem pro měření charakteristik NPN tranzistoru. Definujte mezní parametry tranzistoru a stanovte limitní hodnoty napětí a proudů napájecích zdrojů pro bezpečné odměření daného tranzistoru. 2) Sestavte program pro měření výstupních charakteristik tranzistoru s možností přednastavení bázového proudu a napájecího napětí kolektorového obvodu na ovládacím panelu. Sestavený program ověřte měřením výstupních charakteristik daného tranzistoru a zobrazením v grafu na uživatelském panelu. 3) Sestavte program pro měření závislosti zesilovacího činitele h 21E na kolektorovém proudu tranzistoru s možností přednastavení maxima kolektorového proudu a napájecího napětí kolektorového obvodu tranzistoru. Program doplňte o určení maximálního zesilovacího činitele. Sestavený program ověřte měřením zesilovacího činitele h 21E na kolektorovém proudu daného tranzistoru a zobrazením závislosti v grafu. Dále zobrazte hodnotu maxima h 21E v alfanumerickém displeji na uživatelském panelu. Teoretický úvod Pro měření polovodičových součástek je vždy prvním krokem stanovení mezních (limitních) parametrů polovodičového prvku, jejichž překročení vede k jeho zničení. Na základě těchto hodnot je třeba stanovit limitní hodnoty měřicích přístrojů (především napájecích nebo signálových zdrojů, zátěží apod.) a před vlastním měřením tyto limity na měřicím přístroji nastavit. Pro bipolární tranzistor jsou kritické mezní hodnoty napětí kolektor-emitor, napětí kolektor-báze, kolektorový proud, závěrné napětí emitor-báze, teplota přechodu, případně pouzdra, a maximální výkonová ztráta. Dovolená výkonová ztráta je dána podmínkami, za kterých je tranzistor provozován. Rozhodujícím faktorem je nárůst teploty přechodu na maximální dovolenou hodnotu z pracovní teploty okolí. Ztrátový výkon musí být odveden (vyzářen) do okolí pouzdrem tranzistoru a pro správnou činnost musí odvod tepla zajistit kýžené maximální dovolené oteplení. Pokud již samotné pouzdro nestačí k odvedení ztrátového tepla z přechodu tranzistoru, je třeba doplnit pouzdro o přídavný chladič, který má větší styčnou plochu s okolním vzduchem a umožňuje tak odvést více ztrátového tepla [1]. Výkonový tranzistor Tesla KU612 [2] umístěný na chladiči měřicího přípravku dovoluje maximální výkonovou ztrátu 10 W při kontinuálním provozu. Tuto hodnotu považujte za mezní při nastavení limitních parametrů napájecích zdrojů. Zapojení přípravku (DUT Device Under Test) s NPN tranzistorem a jeho připojení k měřicímu systému je uvedeno na obr. 1. Rezistory v bázovém a kolektorovém obvodu jsou ochranné a mohou být taktéž využity pro měření procházejících proudů. Voltmetr V 1 je určen k měření napětí báze-emitor a pro aplikace v LabView byl nainstalován jako zařízení ag34410a@usbinstrument1. Voltmetr V 2 je určen k měření napětí kolektor-emitor a pro aplikace v LabView byl nainstalován jako zařízení ag34410a@usbinstrument2. Napájení bázového obvodu i kolektorového obvodu -1-

2 jsou realizována z vícehladinového zdroje Agilent E3631A [3], který je pro aplikace v LabVIEW nainstalován jako zařízení hpe3631a@gpib s adresou 5. Obr. 1 Blokové schéma pro měření charakteristik tranzistorů. Pro použití bipolárního tranzistoru v elektronickém obvodu jsou nejdůležitějšími charakteristikami tzv. výstupní charakteristiky, tj. závislost kolektorového proudu na napětí kolektor-emitor při daném bázovém proudu. Na základě těchto charakteristik lze definovat chování tranzistoru v daném obvodu a to nejen v lineárních aplikacích (zesilovač), ale i v nelineárních obvodech (spínač). Současně lze z výstupních charakteristik určit požadavky na buzení (řízení) tranzistoru. Pro některé jednodušší návrhové úlohy je výhodné znát závislost proudového zesilovacího činitele na kolektorovém proudu pro dané napájecí napětí (nebo napětí kolektor-emitor). Na základě této charakteristiky, lze optimalizovat návrh zesilovačů s maximálním ziskem. Jinou charakteristikou je převodní charakteristika, tj. závislost kolektorového proudu na bázovém proudu při konstancím napětí U CE. Postup měření 1) Mezní limity pro napájení měřeného tranzistoru KU612: Maximální dovolenou výkonovou ztrátu vzhledem k velikosti chladiče a provozním podmínkám je maximálně 10 W. 2) Pomocí příkazů z palety VISA nejprve proveďte inicializaci měřicího přístroje. Inicializaci lze provést např. pomocí funkcí VISA Open. Na konce programového kódu by měla být samotná komunikace ukončena pomocí funkce VISA Close. Funkčnost připojeného měřicího zařízení a jeho komunikace, si můžete ověřit např. pomocí příkazu *idn?. Příklad zápisu kódu pro odeslání identifikačního příkazu je uveden na obr

3 Pro hledání příslušných funkcí v LabView je využít příslušných palet s funkcemi a nebo funkci rychlého vyhledávání pomocí funkce Quick Drop s klávesovou zkratkou CTRL + mezera. Pro samotnou realizaci zadání bude možná třeba využít následujících příkazů: Obr. 2 Ukázka realizovaného kódu v prostředí LabVIEW včetně kontextové nápovědy. *rst restartuje měřicí přístroj; *idn? vrátí inicializační řetězec měřicího přístroje; *wai vyšle do měřicího přístroje dotaz, který je potvrzen po dokončení operace (čekej a pokračuj, wait and continue); MEAS:VOLT? změří napětí na nastaveném přístroji (zdroj nebo voltmetr); MEAS:CURR? změří proud na nastaveném přístroji; INST:SEL P6V nastaví napájecí zdroj pro zadávání parametrů a měření na hladině zdroje (0-6) V; INST:SEL P25V nastaví napájecí zdroj pro zadávání parametrů a měření na hladině zdroje (0-25) V; VOLT xxxv nastaví napětí na příslušné hladině zdroje (xxx je hodnota ve voltech, xxx může být reálné číslo např V, případně lze za hodnotou specifikovat přímo jednotku: V, mv); CURR xxxa nastaví proud na příslušné hladině zdroje (xxx hodnota v ampérech, případně lze za hodnotou specifikovat přímo jednotku: A, ma); OUTPUT ON uvede všechny zdroje do aktivního stavu (připojí je k výstupním svorkám); OUTPUT OFF uvede všechny zdroje do neaktivního stavu (odpojí je od výstupních svorek). Pro měření výstupních charakteristik se bude program sestávat ze dvou vnořených smyček, např. smyčky typu For Loop. V první smyčce se nastavuje výstupní proud do báze (parametr každé naměřené křivky), zdroj (hladina (0-6)V) musí pracovat v proudovém režimu. Proud zadávejte v miliampérech, maximum nechť je cca 20 ma. Ve druhé vnořené smyčce se pro každý nastavený proud do báze bude postupně nastavovat napájecí napětí kolektorového obvodu (zdroj (hladina (0-25)V) bude pracovat v napěťovém režimu až do hodnoty 10 V nebo -3-

4 do nastaveného proudového limitu). Pro vynesení křivky do grafu měřte přímo na zdroji hodnotu výstupního proudu odpovídající kolektorovému proudu a na voltmetru V 2 hodnotu napětí U CE. Nezapomeňte na začátku měření provést reset napájecího zdroje a multimetrů. Na konci měření deaktivujte zdroj, aby nemohlo dojít k tepelnému přetížení tranzistoru (na konci měření zůstane na Obr. 2 Ukázka kódu v prostředí LabVIEW s využitím funkce Format Into String. tranzistoru maximální proud a napětí). K vytvoření jednotlivých komunikačních příkazů můžete využít funkce Format Into String. Zde jenom nezapomeňte funkci správně nakonfigurovat. Konfiguraci lze provést dvojitým poklepáním na ikonu funkce, tak aby měl výstupní string správný tvar. Funkci Format Into String je nutné specifikovat jaký má být použit oddělovač desetinných míst, jak naformátovat číslenou hodnotu přivedenou na vstup označený DBL a jestli má být za číslem ještě nějaký výstupní text. Jednotlivé operace lze přidávat pomocí tlačítka Add new operation (viz obr. 2). Odměřená data jsou pak v LabVIEW reprezentována datovým typem string. Takto zístaná data je pak nutné převést na datový typ Double obdobným způsobem. K převodu dat je vhodné použít funkci Scan From String. Samotnou fukce je nutné ještě vhodně nastavit. Na funkci stačí dvakrát kliknout myší. Poté se vám zobrazí kontextové okno pro nastavení scanování dat ze přijatého stringu. Nejprve je nutné nastavit desetinný oddělovač a poté na dalším řádku, který lze přidat pomocí tlačítka Add New Operation, specifikujte formát výstupního čísla. Ve vytvořeném Corresponding scan stringu pak ještě vymažte přebytečnou mezeru, před tím něž stisknete OK. Pro dynamické zobrazování všech křivek v jednom grafu je nutné data nejprve vhobně spojit. Příklad postupu je např. zobrazen na obr. 3. Ve vnitřní smyčce cyklu dochází ke spojení právě proměřované křivky s ostatními křivkami, které jsou uloženy v poli clusteru. Toto pole je pak vytvářeno po ukončení vnitřního cyklu, kdy je křivka jiz naměřena celá a pomocí funkce Build Array je pak uložena pro další zobrazování do pole clusterů. V tomto místě je také vhodné snížit hodnotu napětí U CE na 0 V a počkat cca 200 ms. Pokuk toto nebude provedeno, nebude pravděpodobně nová křivka začínat z bodu 0 V/ 0A. Obr. 3 Příklad přípravy dat pro zobrazení všech křivek v jednom grafu. 3) Program pro měření závislosti zesilovacího činitele na kolektorovém proudu vyžaduje velmi přesné nastavování a měření bázového proudu. Ten lze nastavovat pomocí hladiny -4-

5 zdroje (0-6)V v proudovém režimu, avšak jeho měření vykazuje značnou chybu a výsledná charakteristika je pak nepřesná (až 10%). Lépe je však nastavovat napájecí napětí bázového obvodu přibližně od 0,55 V, kdy se začíná tranzistor pozvolna otevírat až do hodnoty, kdy bude dosaženo předem nastaveného kolektorového proudu. Pro přesné určení aktuálního bázového proudu provádějte měření nastaveného napětí bázového zdroje (přímo na zdroji, nastavená hodnota se od skutečné může lišit) a napětí báze-emitor pomocí voltmetru V 1. Bázový proud, který potřebujete pro výpočet proudového zesilovacího činitele h 21E, pak vypočítáte jako podíl úbytku napětí na bázovém rezistoru R B a hodnoty R B. Proud kolektorem změříte na hladině zdroje (0-25)V. Vypočtete proudový zesilovací činitel a vynesete jej do příslušného grafu jako závislost na naměřeném kolektorovém proudu. Maximum kolektorového proudu, které lze zadat jako vstupní hodnotu, kontrolujte pomocí podmínky If. Jakmile bude dosaženo maxima, ukončete vlastní měření. Napájecí napětí kolektorového obvodu je parametrem a nastavuje se externě (volte hodnotu do 8 V), jedna hodnota pro celé měření (např. 6 V pro konfrontaci s katalogovým údajem o h 21E ). Pro určení maxima zesilovacího činitele, vkládejte jednotlivá naměřená data do pole, ze kterého pak stanovíte maximální hodnotu h 21E. Literatura [1] FUKÁTKO, T., FUKÁTKO, J., Teplo a chlazení v elektronice. Ben technická literatura. Praha, [2] Tesla. Národní podnik Tesla. Rožnov pod Radhoštěm, Katalog polovodičových součástek [3] Agilent Technologies, Agilent E3631A Triple Output DC Power Supply, User s Guide. [online], [cit ]. Dostupné z < >. [4] Agilent Technologies, Agilent 34410A/11A 6½ Digit Mutlimeter, User s Guide. [online], [cit ]. Dostupné z < >. [5] MUSIL, V., BOUŠEK, J., HORÁK, M., HÉGR, O. Elektronické součástky. Elektronické skriptum. [online.]. Brno: FEKT VUT v Brně. [cit ]. Dostupné z < -5-