5. Laboratóriumi gyakorlat. A p-n ÁTMENET HŐMÉRSÉKLETFÜGGÉSE



Hasonló dokumentumok
2. Laboratóriumi gyakorlat A TERMISZTOR. 1. A gyakorlat célja. 2. Elméleti bevezető

9. Gyakorlat - Optoelektronikai áramköri elemek

9. Laboratóriumi gyakorlat NYOMÁSÉRZÉKELŐK

Feszültségérzékelők a méréstechnikában

Zener dióda karakterisztikáinak hőmérsékletfüggése

1. Egy lineáris hálózatot mikor nevezhetünk rezisztív hálózatnak és mikor dinamikus hálózatnak?

Bevezetés az analóg és digitális elektronikába. V. Félvezető diódák

I. Félvezetődiódák. Tantárgy: Villamos mérések 2. Szakközépiskola 12. évfolyam számára. Farkas Viktor

4. Laboratóriumi gyakorlat A HŐELEM

Passzív és aktív aluláteresztő szűrők

I. Nyitó lineáris tartomány II. Nyitó exponenciális tartomány III. Záróirányú tartomány IV. Letörési tartomány

3. Laboratóriumi gyakorlat A HŐELLENÁLLÁS

Logaritmikus erősítő tanulmányozása

PN átmenet kivitele. (B, Al, Ga, In) (P, As, Sb) A=anód, K=katód

III. félvezetők elméleti kérdések 1 1.) Milyen csoportokba sorolhatók az anyagok a fajlagos ellenállásuk alapján?

Áramköri elemek mérése ipari módszerekkel

A kísérlet, mérés megnevezése célkitűzései: Váltakozó áramú körök vizsgálata, induktív ellenállás mérése, induktivitás értelmezése.

Az Ohm törvény. Ellenállás karakterisztikája. A feszültség és az áramerősség egymással egyenesen arányos, tehát hányadosuk állandó.

Diszkrét aktív alkatrészek

FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK I. Elektrotechnika 4. előadás

MÉRÉSI UTASÍTÁS. A jelenségek egyértelmű leírásához, a hőmérsékleti skálán fix pontokat kellett kijelölni. Ilyenek a jégpont, ill. a gőzpont.

Tételek Elektrotechnika és elektronika I tantárgy szóbeli részéhez 1 1. AZ ELEKTROSZTATIKA ALAPJAI AZ ELEKTROMOS TÖLTÉS FOGALMA 8 1.

Hőmérsékleti sugárzás

EGYENÁRAMÚ TÁPEGYSÉGEK

1. SI mértékegységrendszer

Orvosi jelfeldolgozás. Információ. Információtartalom. Jelek osztályozása De, mi az a jel?

Ellenállásmérés Ohm törvénye alapján

Analóg áramkörök Műveleti erősítővel épített alapkapcsolások

Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok

Elektromos áram. Vezetési jelenségek

2. (d) Hővezetési problémák II. főtétel - termoelektromosság

6.B 6.B. Zener-diódák

Termoelektromos hűtőelemek vizsgálata

Hobbi Elektronika. Bevezetés az elektronikába: Fényemittáló dióda (LED)

Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok

Mérés és adatgyűjtés

A munkavégzés a rendszer és a környezete közötti energiacserének a D hőátadástól eltérő valamennyi más formája.

Összefüggő szakmai gyakorlat témakörei

KÖZÖS EMITTERŰ FOKOZAT BÁZISOSZTÓS MUNKAPONTBEÁLLÍTÁSA

A töltéshordozók meghatározott irányú rendezett mozgását elektromos áramnak nevezzük. Az áram irányán a pozitív részecskék áramlási irányát értjük.

A töltőfolyadék térfogatváltozása alapján, egy viszonyítási skála segítségével határozható meg a hőmérséklet.

Elektromos áramerősség

Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás.

Analóg-digitál átalakítók (A/D konverterek)

Gépész BSc Nappali MFEPA31R03. Dr. Szemes Péter Tamás 2. EA, 2012/2013/1

A BIPOLÁRIS TRANZISZTOR.

1.zh Kösse össze a két oszlop egy-egy összetartozó fogalmát! pozitív visszacsatolás

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Áramgenerátorok alapeseteinek valamint FET ekkel és FET bemenetű műveleti erősítőkkel felépített egyfokozatú erősítők vizsgálata.

Elektronika alapjai. Témakörök 11. évfolyam

Fajhő mérése. (Mérési jegyzőkönyv) Hagymási Imre február 26. (hétfő délelőtti csoport)

7. Laboratóriumi gyakorlat KIS ELMOZDULÁSOK MÉRÉSE KAPACITÍV ÉS INDUKTÍV MÓDSZERREL

SCHWARTZ 2012 Emlékverseny

Elektronika 11. évfolyam

A 27/2012 (VIII. 27.) NGM rendelet szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

Elektronika II. 5. mérés

ELEKTROTECHNIKA-ELEKTRONIKA ELEKTROTECHNIKA

10.1. ANALÓG JELEK ILLESZTÉSE DIGITÁLIS ESZKÖZÖKHÖZ

1. Visszacsatolás nélküli kapcsolások

ELLENÁLLÁSOK HŐMÉRSÉKLETFÜGGÉSE. Az ellenállások, de általában minden villamos vezetőanyag fajlagos ellenállása 20 o

Koincidencia áramkörök

ÁGAZATI SZAKMAI ÉRETTSÉGI VIZSGA VILLAMOSIPAR ÉS ELEKTRONIKA ISMERETEK EMELT SZINTŰ SZÓBELI VIZSGA MINTAFELADATOK ÉS ÉRTÉKELÉSÜK

3 Ellenállás mérés az U és az I összehasonlítása alapján. 3.a mérés: Ellenállás mérése feszültségesések összehasonlítása alapján.

3. Termoelektromos hűtőelemek vizsgálata jegyzőkönyv. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

1. feladat Alkalmazzuk a mólhő meghatározását egy gázra. Izoterm és adiabatikus átalakulásokra a következőt kapjuk:

MÉRÉSI JEGYZŐKÖNYV. A mérés megnevezése: Potenciométerek, huzalellenállások és ellenállás-hőmérők felépítésének és működésének gyakorlati vizsgálata

Szimmetrikus bemenetű erősítők működésének tanulmányozása, áramköri paramétereinek vizsgálata.

4. /ÁK Adja meg a villamos áramkör passzív építő elemeit!

- elektromos szempontból az anyagokat három csoportra oszthatjuk: vezetők félvezetők szigetelő anyagok

Hobbi Elektronika. Bevezetés az elektronikába: Térvezérlésű tranzisztorok (FET)

1. BEVEZETÉS. Zsom Gyula: Elektronika I. 5

Elektronikai műszerész Elektronikai műszerész

F1301 Bevezetés az elektronikába Félvezető diódák

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 9. Hőtani, elektromos és kémiai tulajdonságok

Elektronika Alapismeretek

FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK II. Elektrotechnika 5. előadás

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Elektronika I. Gyakorló feladatok

ELEKTRONIKA I. (KAUEL11OLK)

SZIGETELŐK, FÉLVEZETŐK, VEZETŐK

Nagyteljesítményű LEDek fénytechnikai és elektromos tulajdonságai valós működési körülmények között

Felvételi, 2017 július -Alapképzés, fizika vizsga-

Vezetékek. Fizikai alapok

Bipoláris tranzisztoros erősítő kapcsolások vizsgálata

Mérések állítható hajlásszögű lejtőn

Hobbi Elektronika. Bevezetés az elektronikába: Félvezető diódák, LED-ek

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

6 az 1-ben digitális multiméter AX-190A. Használati útmutató

Elektronikus fekete doboz vizsgálata

ELEKTRONIKAI ALAPISMERETEK

Félvezetk vizsgálata

Elektromos egyenáramú alapmérések

Egyenáram. Áramkörök jellemzése Fogyasztók és áramforrások kapcsolása Az áramvezetés típusai

7. Mágneses szuszceptibilitás mérése

Elektronika Előadás

Feladatlap X. osztály

Műveleti erősítők. Előzetes kérdések: Milyen tápfeszültség szükséges a műveleti erősítő működtetéséhez?

Elektrotechnika. Ballagi Áron

Jegyzőkönyv. mágneses szuszceptibilitás méréséről (7)

Átírás:

5. Laboratóriumi gyakorlat A p-n ÁTMENET HŐMÉRSÉKLETFÜGGÉSE 1. A gyakorlat célja: A p-n átmenet hőmérsékletfüggésének tanulmányozása egy nyitóirányban polarizált dióda esetében. A hőmérsékletváltozási együttható meghatározása állandó áram, illetve állandó feszültség esetében. Az LM335 tipusú hőérzékelő vizsgálata. 2. Elméleti bevezető: Egy p tipusú félvezető és egy n tipusú félvezető találkozási felületét p-n átmenetnek nevezünk Azokat a jelenségeket amelyekek a p-n átmenetben lezajlanak, a töltéshordozók diffuziójával magyarázzuk. A találkozási felületen a lyukak és az elektronok diffundálnak és a p-n átmenet két oldalán egy L b vastagságban rekombinálódnak. Ennek következtében ebben az anyagtérfogatban létrejön egy forditott irányú elektromos tér E i, mely megakadályozza a töltéshordozók további áramlását, melyeknek most már nagyobb energiára van szükségük, hogy legyőzzék a zárórétegben kialakult tér energiáját. A záróréteg vastagságát a következő képpen adhatjuk meg: 4 ε ε r Lb w 2 b (1) N q ahol: ε ε ε r az alapanyag (kristály) permitivitása NN d N a a szennyeződések száma w b a zárórétegen való áthaladáshoz szükséges energia. Ha a p-n átmenetre nyitóirányú feszültséget kapcsolunk, a záróréteg vastagsága csökken, az áthaladáshoz szükséges energia szintén. Záróirányú feszültség hatására nő a záróréteg vastagsága, illetve az áthaladáshoz szükséges energia. Mig az első esetben nő az áram, a második esetben csökkenni fog az áramerősség a p-n átmeneten. Az áram ami a p-n átmeneten áthalad függ az átmenet tipusától (alapkristály anyagától, szennyeződés tipusától és számától), a rákapcsolt feszültség nagyságától, irányától, valamint a hőmérséklettól. Az 1. ábra egy dióda (p-n átmenet) jelleggörbéjét mutatja. 1. Ábra. A p-n átmenet karakterisztikája. 34

A p-n átmenet f(u) jelleggörbéjének főbb paraméterei: Küszöbfeszültség U F a nyitó irányú feszültség azon értéke melynél a p-n átmenet vezetni kezd, illetve ahol az áram,1 max nagyságrendű. A küszöbfeszültség germániumdiódák esetén,2...,4v, sziliciumdiódák esetében pedig,5...,8v. Maximális áram nyitó irányú feszültségnél az áram azon maximális értéke melynél a hő okozta folyamatok nem kárositják a p-n átmenetet (katalógus adat). Szaturációs áram maximális inverz áram. Maximális inverz feszültség U i a záró irányú feszültség azon maximális értéke amelynél a p-n átmenet még nem károsodik. Az átmenet belső ellenállása R A U R A k tgα (2) Nyitó irányú feszültség esetében a belső ellenállás nagyon kicsi, mig záró irányú feszültségnél nagyon nagy. A p-n átmeneten az áramot a következő képlet adja: q U ( T ) ( e 1) (3) ahol: a maximális viszáram, k a Boltzmann-állandó, q az elemi töltés és T az abszolut hőmérséklet. Gyakran használják az U T q jelölést, melynek értéke a gyakorlatban 3...5mV között van. Nyitó irányú feszültség esetén az áram exponenciálisan nő, a (3)-as képletet qu leegyszerűsithetjük a ( ) T e formára. Záró iránzú feszültség esetén viszont az exponenciális tagot hanyagolhatjuk el és az áramot a diódán a viszáram adja ( T ) kifejezéssel közelithetjük meg. A szaturációs áram germániumdiódák esetén µa nagyságrendű, sziliciumdiódák esetében pedig na nagyságrendű. Az áramot a következő formában (általános Ohm törvénye) is megadhatjuk: 2 N q τ J A σ E A E A (4) m ahol: N a töltéshordozók száma, q az elemi töltés, m az elemi töltés tömege, τ a töltések relaxációs ideje, σ vezetőképesség, J áramsűrűség, E elektromos térerősség és A a vezető keresztmetszete amin az áram áthalad. A töltéshordozók száma N függ a hőmérséklettől a következő képlet szerint: w 3 i 2 2 N C T e (5) ahol: C anyagállandó, T abszolut hőmérséklet, w i a tiltott zóna energiája. Figyelembe véve a (4) és (5) összefüggéseket megállapithatjuk, hogy a viszáram összetevői d + gr hőmérsékletfüggőek, d a diffuziónak megfelelő áram, gr az ionpárok generálásából és rekombinálásából adódó áram. d T α e valamint 2 gr T e β (6) Hasonló módon nyitó irányú feszültség estén a direkt áram szintén hőmérsékletfüggő: qu qu d T α 2 e gr T e β (7) 35

Tehát az áram hőmérsékletfüggése exponenciális jellegű. A direkt áram hőmérsékletfüggése kissebb mértékű mint az inverz áramé. Ez a hőmérsékletfüggés a germánium diódák esetében jóval nagyobb mint a szilicium diódák esetében. 2. Ábra. Az áram illetve a feszültság változása a hőmérséklet növekedésével egy dióda esetében. Ha csak a diffuziós áramot vesszük figyelembe, állandó nyitó irányú feszültség mellett Uállandó, az áram változását a hőmérséklet függvényében (2a ábra) a következő képlettel fejezhetjük ki: 1 d 1 w qu d i α (8) dt T d A gyakorlatban nem a direkt áram növekedése érdekel állandó feszültség mellett, hanem a nyitófeszültség csökkenése állandó áramnál. Kifejezve a feszültséget (3)-as összefüggés egyszerűsitett formájából (nyitófeszültségre) és az áramot tartjuk állandó értéken, megkapjuk a feszültség változását a hőmérséklet függvényében (2b ábra). Ennek nagyságát a feszültség hőmérsékletfüggési együtthatója adja: du C U konst (9) dt Az áram diffuziónak megfelelő összetevőjét véve figyelembe a fenti összefüggés a következő képpen alakul: 1 CU U (1) q T Az összefüggésben elhanyagoltuk a T α tagot. Az együttható gyakorlatban használt középértéke szilicium diódáknál CU 2 mv / C. A T hőmérséklet ami a fenti összefüggésekben szerepel a p-n átmeneten mért hőmérséklet, ami rendszerint nagyobb a környezeti hőmérsékletnél, a p-n átmenet ellenállásán fejlődő hő következtében. Az LM135, LM235, LM335 érzékelők nagy pontosságú, könnyen kalibrálható, integrált hőmérsékletérzékelők, melyek egymástól a hőmérséklettartományban különböznek (LM135 55 -től +15 -ig, LM235-4 -tól +125 -ig és az LM335-4 -tól +1 -ig). Működésükben egy 2 kimenetű Zenner-diódát utánoznak, melynek vágási feszültsége egyenese narányos az abszoluthőmérséklettel, hőmérsékleti együttható 1mV/ K. 25 -on kalibrálva 1 -os pontosságot lehet elérni. 36

3. A mérés menete A laboratóriumi mérőlapon három áramkör található, melyek segitségével tanulmányozhatjuk a p-n átmenet hőmérsékletfüggést állandó feszültség, állandó áramesetében, illetve az LM335 hőmérsékletérzékelő karakterisztikáját. A gyakorlat menete több részből áll. 3.1. Egy szilicium dióda karakterisztikájának megrajzolása különböző hőmérsékleteken. A szilicium diódát nyitó irányban polarizáljuk a 3-as ábrának megfelelően, majd egy ellenörzött hőmérsékletű közegbe helyezzük. Egy T állandó hőmérsékleten növeljük a feszültséget -tól 1V-ig az 1 táblázatnak megfelelően és minden értéknél meghatározzuk a diódán áthaladó áramot. A közeget felmelegitjuk egy T 1 hőmérsékletre (melyet stabilan tartunk) és megismételjük a méréseket, meghatározva a diódán áthaladó 1 áramot. Kitöltjük az 1 táblázatot, melybe belefoglaljuk a T és T 1 hőmérsékletértékeket is. 3. Ábra. A szilicium dióda karakterisztikájának megrajzolásához. 1. Táblázat Hőmérséklet U[V],1,2,3,4,5,6,7,8,9 T [ma] T 1 1 [ma] A mért adatok alapján felrajzoljuk a dióda f(u) karakterisztikáját a T és T 1 hőmérsékletekre ugyanabba a koordináta rendszerbe. 3.2. A dióda hőmérsékletfüggése állandó áram esetében U f(t) A 4-es ábrán levő kapcsolás a sziliciumdiódán egy állandó áramot biztosít. A diódát a változtatható hőmérsékletű közegbe helyezzük és melegítjük a 2 táblázatban megadott értékekre. A hőmérséklet növekedésével a diódán a feszültség csökkeni fog. Az áramkör kimenetén az U 1 feszültséget egy elektrónikus voltmérővel mérjük és a mért adatokat a 2 táblázat megfelelő sorába írjuk. A mért adatok alapján megrajzoljuk az U f(t) görbét. 37

4. Ábra. A dióda feszültségváltozása hőmérsékletnövekedésre. 3.3. A dióda hőmérsékletfüggése állandó feszültség esetében f(t) Az 5-ös ábrán levő kapcsolás a sziliciumdiódán egy állandó feszültséget biztosít. A diódát a változtatható hőmérsékletű közegbe helyezzük és melegítjük a 2 táblázatban megadott értékekre. A hőmérséklet növekedésével a diódán az áram növekedni fog. Az áram okozta feszültségváltozást a műveleti erősítő felerősíti és a kimeneten az U 2 feszültséget mérjük elektrónikus voltmérővel, amit a táblázatba írunk. 5. Ábra. A dióda áramváltozása hőmérsékletnövekedésre. Az áramváltozását a hőmérséklet függvényében megkapjuk, ha a kimeneti U 2 feszültséget osztjuk a műveleti erősítő visszacsatolásában lévő ellenállás értékével, ( U U 2 d ) 2 R, R r 2,2kΩ. Az 2 áramértékeket szintén a 2 táblázat megfelelő sorába írjuk. r A számított adatokkal megrajzoljuk az f(t) grafikont. 3.4. Az LM335 jelleggörbéjének meghatározása A 6-os ábrán az LM335 hőmérsékletérzékelő egyszerű kapcsolási rajza található. 6. Ábra. LM335 hőmérsékletérzékelő alap kapcsolása. 38

Az érzékelőt a diódákkal egyszerre melegítjük, a megadott hőmérsékletértékekre és mérjük az U 3 feszültséget. A 2 táblázat megfelelő sorának kitöltése után meghatározzuk a 9-es összefüggés segitségével az érzékelő hőmérsékletváltozási együtthatóját, majd hasonlitsuk össze az adatlapban megadott értékkel. Rajzoljuk fel az érzékelő jelleggörbéjét! 2. Táblázat T[ C] 2 3 4 5 6 7 8 Megjegyzések U 1 [V] állandó C U mv/ C U 2 [V] U állandó 2 [ma] C ma/ C U 3 [V] C U mv/ C A mérések elvégzése után megrajzoljuk a kért karakterisztikákat, és kiszámítjuk a dióda hőmérsékletváltozási együtthatóját állandó áram esetén, használva a 9-es összefüggést, minden T1 C változásra. A számított értékeknek meghatározzuk a középértékét és a táblázatba írjuk. Hasonló módon kiszámithatjuk a dióda hőmérsékletváltozási együtthatóját is, állandó feszültség esetén, majd a középértéket a táblázatba írjuk. d C U konst (11) dt 4. Kérdések, feladatok Hogyan változik a dióda küszöbfeszültsége a hőmérséklet növekedésével? A dióda melyik kapcsolása előnyösebb hőmérsékletmérésre? Milyen hatása van töltéshordozók számának a vezetőképességre, félvezetők esetében? Keressetek olyan integrált hőmérsékletérzékelőt melynek kimenete digitális! 39