Page 1
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
Page 2
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 .
Page 3
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
Page 4
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)
Page 5
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
Page 6
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
Page 7
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
Page 8
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.
Page 9
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:
Page 10
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)
Page 11
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.
Page 12
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
Page 13
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.
Page 14
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
Page 15
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
Page 16
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.
Page 17
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
Page 18
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)
Page 19
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
Page 20
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.