Aparate pentru masurarea dispozitivelor semiconductoare

GRUP SCOLAR COSTIN NENITESCU

BUZAU

LUCRARE DE SPECIALITATE:

CERTIFICAT DE COMPETENTE PROFESIONALE

TEMA:APARATE PENTRU MASURAREA DISPOZITIVELOR SEMICONDUCTOARE

A.    ARGUMENT

In ultima vreme dispozitivele semiconductoare au capatat larga utilizare in cele mai diferite domenii ale tehnicii si cunoasterea mai exacta a proprietatilor acestora prin efectuarea unor masurari a devenit din ce in ce mai necesara.

Notiunea de semiconductor se refera la o clasa larga de materiale a caror rezistivitate este mai mare decat cea a metalelor, dar cu mult mai mica decat cea a dielectricilor. Cele mai raspandite materiale semiconductoare sunt germaniul, siliciul, arseniul, seleniul, stibiul, telurul, diferitii oxizi de metale, combinatii ale sulfului (sulfuri) si seleniului (seleniuri) etc.

La baza functionarii si construirii oricarui dispozitiv semiconductor sta structura de tip p-n care contine doua materiale semiconductoare unul de tip p si celalalt de tip n. In zona de tip p purtatorii majoritari de sarcina sunt goluri care au sarcina pozitiva, iar in zona tip n purtatorii majoritari de sarcina sunt electroni care au sarcina electrica negativa. Zona de contact dintre cele doua zone semiconductoare p-n se numeste jonctiune p-n.

Diodele semiconductoare avand numai doua borne anod si catod nu pot amplifica semnalul din circuitul din care ele fac parte, din aceasta cauza a aparut un dispozitiv nou tranzistorul bipolar care avand trei borne poate amplifica semnalul dintr-un circuit oarecare.

Pentru a masura dispozitivele semiconductoare au fost elaborate diferite metode de masurare si s-au construit diverse aparate pentru masurarea si testarea lor. Pentru masurarea tranzistoarelor, caracterizate printr-un numar mare de parametrii si prin dispersia mare a acestora, au fost realizate diferite tipuri de aparate, cu diferite grade de complexitate.

Pentru determinarea componentelor electronice care intra in componenta unui amplificator se folosesc niste modele adica scheme echivalente numite, scheme echivalente de semnal mic pentru tranzistorul bipolar. Pentru a putea ajunge la aceste scheme trebuie sa se defineasca anumiti parametrii specifici tranzistorului bipolar in regim de semnal mic.

Acesti parametrii de semnal mic sunt:

parametrii admitanta Y;

parametrii impedanta Z;

parametrii hibrizi    h;

B. DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE

Caracteristica unei diode redresoare

Daca se traseaza grafic variatia curentului ce se obtine printr-o jonctiune atunci cand se variaza tensiunea aplicata la bornele, se spune ca se ridica o caracteristica de tip curent-tensiune. Aspectul tipic a acesteia pentru jonctiunea p-n este reprezentata in figura 1.1. Curba este reprezentata la scari diferite pentru polarizarea directa si cea inversa, din cauza ordinelor de marime, foarte diferite, ale curentilor si tensiunilor.

In regiunea polarizarii directe atata timp cat tensiunea de polarizare este mai mica decat tensiunea de deschidere US curentul prin dioda este foare mic aproape neglijabil. Dupa ce acesta tensiune depaseste valoarea tensiunii de deschidere curentul incepe sa creasca exponential ajungand la valori mari, rezulta ca in regiunea polarizarii directe se utilizeza dioda cu jonctiune in aplicatiile in care ea lucreaza in regim de conductie directa.

In regiunea polarizarii inverse se obeserva ca pentru valoarea tensiunii inverse de polarizare mai mici decat tensiunea US numita tensiune de strapungere apare un curent invers prin dioda de valoare mica si aproximativ constanta, acesta se numeste curent de saturare(isat

1.2. Diode stabilizatoare de tensiune (diode Zener)

Aceste diode se bazeaza pe proprietatea jonctiunii p-n de a avea in regiunea de strapungere o tensiune la borne practic constanta intr-un domeniu larg de variatie a curentului invers. Dioda Zener lucreaza intr-un regim de strapungere controlata, in care atat curentul, cat si puterea disipata sunt mentinute de circuitul exterior la valori acceptabile, pe care dioda le poate suporta in regim permanent fara a se distruge.

Functionarea diodei Zener se bazeaza pe faptul ca in jurul tensiunii de strapungere, la o variatie mare de curent corespunde o variatie mica a tensiunii. Montand dioda in paralel conform figurii 1.2, orice variatie de curent ce apare in circuit (fie datorita variatiei tensiunii de alimentare fie datorita rezistentei de sarcina) este preluata de dioda; tensiunea la bornele diodei, reprezentand si tensiunea de iesire a montajului, ramane, astfel, constanta.

1.3. Diode Varicap (varactoare)

Aceste diode sunt diode cu jonctiune functionand in regim de polarizare inversa, pana la valoarea de strapungere. Ele utilizeaza proprietatea jonctiunii p-n de a se comporta ca o capacitate (capacitatea de bariera Cb) dependenta de tensiunea continua de polarizare inversa. Acesta posibilitate de a varia o capacitate intr-un circuit prin varierea unei surse de polarizare este utila in anumite aplicatii, ca de exemplu circuite de schimbare a frecventei, circuite de reglaj automat al frecventei, modulatoare pentru modulatia in frecventa.

Din graficul de mai sus se arata ca valoarea capacitatii de bariera Cb a unei diode Varicap poate sa varieze de la 10 la 50pF in conditiile in care tensiunea inversa de polarizare poate sa ajunga la circa 20V.

1.4. Diode tunel

Aceestea sunt diode cu jonctiune, care insa se deosebesc de celelate diode semiconductoare atat ca principiu de functionare, cat si a proprietati. Ea lucreaza in regim de polarizare directa, este insa o dioda la care apare fenomenul de "tunel" care consta in posiilitatea traversarii arierei de potential a jonctiunii de catre purtatorii de sarcina chiar daca acestia au o energie mai mica decat cea necesara la o dioda normala.

Ca urmare a efectului de tunel caracteristica statica de functionare a diodei tunel are o portiune de rezistenta negativa si este de forma literei N.

Se observa ca intre punctele A si B caracteristica este descendenta si pe masura ce tensiunea creste, curentul scade. Din acesta cauza acesta portiune are o rezistenta negativa. UA < UB => Ibmin < IAmax

Acesta proprietate a caracteristicii diodei tunel face ca ea sa fie utilizata in oscilatoare si ea lucreaza la frecvente mari.

Tranzistorul

Caracteristicile statice ale tranzistoarelor cu jonctiuni

Caracteristicile statice ale tranzistoarelor exprima interdependenta dintre tensiunile si curentii ce caracterizeaza un anumit regim de functionare. Cele mai folosite sunt urmatoarele categorii de caracteristici statice:

Caracteristicile de iesire exprima dependenta curentului, la variatia tensiunii de iesire, pentru diferite valori ale curentului, respectiv ale tensiunii de intrare.

Caracteristicile de intrare arata variatia curentului de intrare in functie de tensiunea de intrare, pentru diferite valori ale tensiunii de iesire.

Caracteristicile de transfer reprezinta dependenta curentului de iesire in functie de curentul, respectiv tensiunea de intrare, pentru diferite valori ale tensiunii de iesire.

Caracteristicile statice ale tranzistorului in conexiunea emitor comun (EC).

Montajul necesar pentru ridicarea acestor caracteristici este redat in fig 1.5

• Caracteristicile de iesire. Pentru cazul:

iC f(uCE cu iB = const.

Pozitia caracteristicilor este redata in figura 1.6, a.

Regimul de saturatie. Deosebirea fata de cazul conexiunii BC este ca aici tensiunea uCE este tot timpul negativa, chiar pentru regimul de saturatie. Acesta este limitat intre axa uCE = 0 si curba care tece prin punctele unde inceape scaderea curentului de colector. Tensiunea uCE corespunzatoare acestui regim este foarte mica.

Regimul de taiere. Corespunde in grafic regiunii de sub curba iB

Regimul activ normal. Caracteristicile statice sunt practic rectilinii, parametrele si echidistante, pentru cresteri egale ale curentului de intrare, parametrul iB

Caracteristicile de transfer. Pentru cazul iC = f(iB cu uCE = const. aspectul caracteristicii este reprezentat in figura 1.7, a.

Pentru cazul iC = f(uBE) cu uCE = const. aspectul caracteristicii este reprezentata in figura 1.7,b. Se observa faptul ca ea este neliniara.

Caracteristicile de intrare:

iB = f(uBE) cu uCE = const.

Se observa ca pana la o anumita valoare a tensiunii de intrare curentul de baza este negativ.

Tranzistorul cu efect de camp cu jonctiune.

Un tranzistor de tip TEC-J este format dintr-un bloc semiconductor, de anumit tip, p sau n. In extremitatile acestui bloc se depun doua contacte ohmice numite sursa(S) ai respectiv drena(D). In zona centrala dintre sursa si drena se formeaza prin impurificare o regiune de tip opus blocului semiconductor, al carei contact metalic se numeste poarta(P). O zona de acelasi tip ca si al portii (un substrat) se creaza de cealalta parte a blocului semiconductor, contactul metalic carespunzator fiind numit baza(B).

Studiul comportarii tranzistorului trebuie facut in trei situatii:

cu poarta nepolarizata (libera);

cu poarta legata la polaritatea sursei;

cu poarta polarizata separat.

Tranzistorul TEC-J cu poarta polarizata separat are doua surse de polarizare aplicate: una intre sursa si drena (ED) si a doua intre poarta si sursa EP, cu polul pozitiv si cel negativ pe sursa. Variatia curentului de drena poate fi urmarita in doua situatii:

se pastreaza tensiunea de poarta EP constanta, variind tensiunea de drena ED, pentru diferite valori ale tensiunii de poarta(caracteristici de iesire);

se pastreaza tensiunea de drena ED constanta si se variaza cea de poarta Ep, pentru diverse valori ale tensiunii de drena(caracteristici de transfer).

caracteristica curent-tensiune se reprezinta in figura 1.9, a. Se observa ca regiunea de saturatie apare la o tensiune de drena mai mica si ca pa masura ce creste tensiunea negativa de poarta, scade valoarea curentului de drena corespunzator aceleiasi tensiuni de drena. Marind tensiunea de drena peste o anumita valoare, curentul prin tranzistor creste brusc, datorita aparitiei fenomenului de multiplicare prin avalansa a purtatorilor de sarcina.

in cazul in care se urmareste variatia curentului de drena la variatia tensiunii de poarta, pentru o anumita valoare a tensiunii de drena se obtin caracteristicile reprezentate in figura 1.9, (b). In cazul cand tensinea de poarta este 0, curentul este maxim. Valoarea acestui maxim este cu atat mai mare cu cat tensiunea de drena este mai mare. La cresterea tensiunii de poarta datorita polarizarii inverse puternice, regiunile de trecere se maresc si curentul scade pana la zero, cand regiunile se ating.

Simbolul tranzistorului cu efect de camp cu jonctiuni este redat la figura 1.10

Fata de tranzistoarele obisnuite, tranzistoarele cu efect de camp cu jonctiuni prezinta urmatoarele deosebiri:

sunt comandate in tensiune(celeobisnuite sunt comandate in curent);

au curent de intrare mult mai mic;

au impedanta de intrare mult mai mare.

Pe acesta ultima proprietate se bazeaza numeroase aplicatii ale tranzistorului cu efect de camp.

2.4. Tranzistoare cu efect de camp tip MOS

Intr-un substrat de sermiconductor de tip n se creeaza prin impurficare doua regiuni de tip p, sursa (S) si drena (D), separate intre ele si avand fiecare cate un contact metalic. Pe substratul de tip n, aflat intre cele doua regiuni p, se depune un strat izolant de bioxid de siliciu, apoi se scoate contactul metalic P al portii. Datorita succesiunii straturilor de metal, oxid si semiconductor care formeaza poarta, tranzistorul se numeste MOS.

Comportarea tranzistorului se studiaza in trei situatii:

cu poarta nepolarizata (libera);

cu poarta legata la sursa;

cu poarta polarizata separat;

Trasarea variatiei curentului prin tranzistorul de tip MOS se poate face in doua cazuri (figura 1.11):

in functie de variatia tensiunii de drena, pentru valori constante ale tensiunii de poarta Ep (caracteristici de iesire);

in functie de variatia tensiunii de poarta Ep, pentru valori constante ale tensiunii de drena ED (caracteristici de transfer).

Se observa in carcteristicile de transfer (figura 1.11, b) cresterea curentului odata cu cresterea tensiunii de poarta Ep, atunci cand tensiunea ED se mentine constanta. De asemenea, se constata ca, la varierea tensiunii de drena ED, mentinand Ep constant, apare o saturatie a curentului de drena asemanatoare celei de la tranzistoarele cu efect de camp cu jonctiune.

Simbolul utilizat pentru tranzistoarele cu efect de camp tip MOS:

C.    APARATE PENTRU MASURAREA DISPOZITIVELOR SEMICONDUCTOARE

1. Tranzistormetre

Tranzistormetrele sunt aparate destinate sa evalueze rapid principalii parametrii functionali ai tranzistoarelor.

Cele mai simple tranzistormetre permit alimentarea tranzistoarelor corespunzator unui anumit punct static de functionare si masurarea factorului de amplificare in curent, in montaj emitor comun, cunoscut sub numele de "beta" (β) (de unde denumirea de betametre data acetsor aparate). Exista foarte multe tipuri constructive de betametre.

Tranzistormetre pentru masurarea tututror parametrilor "h"

Unele tranzistormetre sunt mai complexe, permitand masurarea tuturor parametrilor "h" (h h , h , h ). Cunoasterea parametrilor hibrizi ("h") ai unui tranzistor este foarte importanta, deoarece ei stau la baza principalelor formule de calcul pentru circuitele tranzistorizate. Masurarea lor est ecomoda, deoatrece se efectueaza cu intrarea tranzistorului in gol si iesirea in scurtcircuit, conditii care sunt usor de realizat in practica.

● Deoarece parametrii "h" caracterizeza functionarea tranzistoarelor in curent alternativ, in cele ce urmeaza se vor nota cu i si u componente alternative ale curentilor si tensiunilor.

Exista diferite tipuri de tranzistormetre care masoara toti parametrii "h". In general, ele se compun din mai multe elemente care se comuta intre ele pentru a realiza montajele necesare masurarii fiecarui parametru "h". Se va analiza in continuare functionarea unui astfel de aparat.

Pentru masurarea parametrilor "h" este necesra ca tranzistorul de masurat sa fie alimentat in curent continuu. In acest scop se foloseste schema din figura 1.12, (a) pentru montajul baza comuna si schema din figura 1.12 (b) pentru montajul emitor comun.

In circuitul de polarizare pentru montajul emitor comun emitorul este pus la masa pentru curentul alternativ prin condensatorul C de reactanta foarte mica, iar baza este polarizata in curent continuu prin intermediul unui circuit LC acordat pe frecventa de lucru f . In acest mod, la frecventa f circuit LC prezentand o impedanta mare (Z = Qω L), izoleaza in curent alternativ baza fata de masa, in timp ce in curent continuu se comporta ca o rezistenta mica (rezistenta bobinei), asigurand polarizarea corecta pentru baza. Comutatorul K se deschide numai cand se fac masurarile; in restul timpului el sta inchis, pentru a impiedica incarcarea condensatorului C de la tensiunea EE, in cazul in care tranzistorul nu este in soclu.    

● Masurarea parametrului h se realizeaza cu montajele din figura 1.13

Parametrul h reprezinta impedanta de intrare cu iesirea in scurtcircuit.

Pentru masurarea paramterului h , peste alimentarea de curent continuu, se injecteaza in circuitul de intrare un curent cunoscut i de la un generator de curent constant (generatorul de tensiune in serie cu rezistenta Rg de valoare foarte mare) se masoara cu voltmetru V tensiunea u . conditia de scurtcircuit la iesier, in ceea ce priveste curentul alternativ, se realizeaza cu ajutorul condensatorului C a carui reactanta trebuie sa fie mult mai mica decat impedanta de iesire a tranzistorului.

Masurarea parametrului h se realizeaza cu montajele din figura 1.15. Parametrul h reperzinta reactia interna a tranzistorului cand intrarea este in gol:

Deoarece i = 0, semnalul alternativ se aplica in circuitul de iesire sub forma unei tensiuni u prin intermediul unui transformator. Tensiunile u si u se masoara cu volmetrele electronice V si respectiv V . Conditia i = 0 este satisfacuta la montajul baza comuna (figura 1.15, a) daca R in paralel cu rezistenta voltmetrului V este mult mai mare decat impedanta de intrare a tranzistorului.

La montajul emitor comun conditia este satisfacuta daca rezistenta voltmetrului V in paralel cu impedanta Z (a circuitului LC) este mult mai mare decat impedanta de intrare. Condensatorul C scurtcircuiteaza in curent alternativ sursa EC astfel incat componentele alternative sa nu treaca prin sursa.

Masurarea parametrului h se realizeaza cu montajele din figura 1.16. Parametrul h reprezinta factorul de amplificare in curent cand iesirea este in scurtcircuit:

Pentru masurare, peste alimentarea de curent continuu, se injecteaza in circuitul de intrare un curent cunoscut i de la un generator de curent constant, iar in circuitul de iesire se masoara caderea de tensiune de la bornele rezistentei Rs cu voltmetru V . Intensitatea curentului i se calculeaza cu formula i u /Rs. Conditia u = 0 este satisfacuta daca Rs este mult mai mica decat impedanta de iesire a tranzistorului. Condesatorul C care in curent alternativ sursa EC trebuie sa aiba reactanta mult mai mica decat Rs pentru ca pe C caderea de tensiune alternativa sa fie neglijabila.

Masurarea parametrului h se realizeaza cu montajele din figura 1.17. Parametrul h reprezinta admitanta de iesire cu intrarea in gol.

Semnalul alternativ se aplica pe iesire, peste alimentarea de curent continuu, sub forma unei tensiuni u se masoara cu voltmetrul V , iar curentul i se masoara indirect, fiind cadera de tensiune la bornele rezistentei Rs montate in baza (i uRS/R). Conditia i = 0 se realizeaza daca R este mult mai mare decat impedanta de intrare a tranzistorului pentru montajul baza comuna si daca Z este mult mai mare decat impedanta de intrare a tranzistorului pentru montajul emitor comun.

In cazul montajului baza comuna ar trebuii ca rezistenta Rs montata in baza sa fie cat mai mica. Avand in vedere ca i i i , deci este un curent foarte mic, ceea ce face ca si uRS sa fie foarte mica, si sa fie nevoie de un voltmetru foarte sensibil pentru a o masura. Pentru a putea utiliza voltmetre mai putin pretentioase, se foloseste o rezistenta Rs de valoare mai mare in paralel cu un circuit LC acordat pe frecventa de lucru care in curent alternativ prezinta o impedanta foarte mare, neglijabila fata de Rs iar in curent continuu se comporta ca o rezistenta mica(rezistenta bobinei), care asigura polarizarea corecta a bazei.

2.Caracterografe

Caracterografele sunt aparate care permit vizualizarea caracteristicilor statice ale tranzistoarelor pe ecranul unui tub catodic. Pentru ca pe ecranul unui tub catodic sa apara o caracteristica IC = f(UCE), este necesar ca intre placile de deflexie pe orizontala sa se aplice o tensiune proportionala cu UCE, iar intre placile de deflexie pe verticala sa se aplice o tensiune proportionala cu IC. Tensiunea UCE trebuie sa varieze de la zero la valoarea maxima pentru care intereseaza caracteristica.

Pentru a se obtine o familie de caracteristici corespunzatoare la diferite valori ale intensitatii curentului de baza, acesta va fi variat in trepte. Daca treptele se succed cu o frecventa suficient de mare, datorita remanentei ecranului si remanentei ochiului omenesc, pe ecran se vad toate caracteristicile simultan.   

Schema bloc a unui caracterograf este reprezentat in figura 1.18. Redresorul alimenteaza colectorul tranzistorului cu tensiune pulsatorie,asigurand variatia periodica a tensiunii UCE de la zero la o valoare maxima care poate fi egalata cu un aototransformator reglabil montat pe intrarea redresorului.

Pentru ca pe ecranul tubului catodic sa apara caracteristica de vizualizat, tensiunea UCE se aplica in acelasi timp si la placile X ale tubului catodic prin intermediul amplificatorului Ax (Uy = KUCE), iar la placile Y se aplica,prin intermediul amplificatorului Ay, o tensiune proportionala cu intensitatea curentului IC. Aceasta tensiune se culege de la bornele rezistentei RC montate in colectorul tranzistorului de masurat, deci parcurse de curentul de colector al acestuia(Uy = RCIC

Pentru obtinerea mai multor caracteristici corespunzatoare la mai multe valori ale intensitatii curentului de baza IB, acesta este variat in trepte de generatorul in trepte, care este sincronizat cu tensiunea de colector. Fiecarei trepte ii corespunde un anumit IB, deci o anumita caracteristica.

Functionarea. Dupa cum arata diagramele din figura 1.19, in timpul primei variatii a tensiunii de colector (in timpul primei alternante redresat) curentul de baza IB are valoarea corespunzatoare primei trepte si se vizualizeaza prima caracteristica (cea mai de jos din figura 1.19, c). La a doua variatie a tensiunii de colector (in timpul celei de-a doua alternante redresate) curentul IB are o noua valoare, corespunzatoare celei de-a doua trepte si se vizualizeaza cea de a doua caracteristica. Daca treptele se succed suficient de repede, pe ecran se vad toate caracteristicile simultan.

In afara vizualizarii de caracteristici, pe caracterograf se pot determina si valorile unor parametrii cum ar fi: h21e, ICEO etc.

D.    BIBLIOGRAFIE

1. Componente si circuite electronice - manual pentru clasa X-a licee industriale

Autori: Ing. Theodor Danila; Ing. Prof. Monica Ionescu-Vaida

2. Componente si circuite electronice - manual pentru clasele a XI-a si a XII-a    licee industriale

Autori: Ing. Theodor Danila; Ing. Prof. Monica Ionescu-Vaida

3. Masurari electrice si electronice manual pentru clasele a X-a, a XI-a si a XII-a

Autori: Ing. Prof. Eugenia Isac

4. Aparate echipamente si instalatii de electronica industriala. Tehnologia meseriei. Manual pentru clasele a IX-a si a X-a licee industriale si scoli profesionale. Editura didactica si pedagogica R.A Bucuresti 1996.

Autori: Alexandru Iulian Stan, Traian Canescu, Mihai Huhulescu, Constantiu Popescu, Dragos Simulescu