Báo cáo đề tài nghiên cứu Ứng dụng máy vi tính để nghiên cứu đặc trưng điện của linh kiện bán dẫn

Báo cáo đề tài nghiên cứu Ứng dụng máy vi tính để nghiên cứu đặc trưng điện của linh kiện bán dẫn

BO GIAO DUC VA DAO TAO Trường Đại học Tổng hợp Hà nội

Tên đề tài nghiên cứu:

“ứng dụng máy vĩ tỉnh để nghiên cứu

đặc trưng điện của linh kiện bản dan” |

Tên chủ trì đề tài: Ngô Diên Tập, PTs

Hà nội

tháng 3 năm 1995

Tên để tài nghiên cứu:

“ang dung may ví tính để nghiên cúu

đặc trưng điện của linh kiện bán dẫn”

MỤC LỤC

1- Mở đầu

2- Vài nét về đường đặc trưng điện

của linh kiện bán dẫn

3- Nguyên tắc hoạt động của hệ thống đo

1- MỞ ĐẦU:

Trong khi tiến hành nghiên cứu các linh kiện bán dẫn cũng như khi thiết

kế mạch, khi sửa chữa các thiết bị điện tử cao cấp người ta thường phải quan

tâm đến đường đặc trưng Von-Ampe của linh kiện (đặc trưng tĩnh) Để có được

các đường đặc trưng này theo cách tự vẽ từng điểm thường mất rất nhiều thời gian vì phải điều chỉnh, thiết lập rồi đọc từng giá trị của dòng và điện áp Gần đây, kĩ thuật đo hiện số, kỹ thuật tự ghi đã cho phép giảm đi nhiều động tác và

thời gian đo đạc nhưng việc vẽ các họ đường đặc trưng vẫn còn là một công việc

in ra trên giấy bằng máy in, lưu nhớ kết quả trên đĩa từ - vừa giảm được kích

thước vừa dễ bảo quản và lại có thể gọi ra so sánh khi cần thiết

Những ưu điểm kể trên đã khích lệ chúng tôi tìm kiếm khả năng ghép nối

hệ thống đo để mở rộng khả năng ứng dụng máy vi tính vào giảng dạy, nghiên

cứu cũng như trong đời sống hàng ngày.

2- VẢI NÉT VỀ ĐƯỜNG ĐẶC TRƯNG ĐIỆN CỦA LINH KIỆN BAN DAN:

Các linh kiện bán dẫn như điốt (tách sóng, chỉnh lưu, ổn 4p, .) tranzito (lưỡng cực, trường ) đều được đặc trưng bởi đường đặc trưng (hay nói đúng hơn

là họ đường đặc trưng) Vor-Ampe hay còn gọi là đặc trưng dòng-thế Sau đây là một số đường đặc trưng thường gặp:

- Điết chỉnh lưu có tính dẫn điện

theo một chiều Đường đặc trưng dòng-

thế có dạng như hình 1 Theo hướng

thuận điện trở của điết là nhỏ, cð hàng

trăm ôm, nhưng theo hướng ngược lại

điện trở của điết rất lớn Khi điện áp

ngược đủ lớn trên đường đặc trưng có

thể quan sát thấy hiện tượng đánh

thủng lớp tiếp xúc p-n và đường đặc

trưng ngược đang nằm sát trục hoành

bắt đầu có xu hướng đi xuống phía dưới,

- Điốt ổn áp có hiện tượng đánh thủng

điển hình hơn, khi điện áp ngược đủ lớn

đường đặc trưng có một đoạn dốc gần

như vuông góc với trục hoành, tương

ứng với điện áp ổn áp hay còn gọi là

điện áp Zener Uz (xem hình 2)

Hình 2: Đường đặc trưng của điốt ổn áp

- Tranzito có một số loại họ đường đặc trưng nhưng đáng chú ý nhất là đường đặc trưng lc = f(Uce) mô tả sự phụ thuộc dòng cực góp theo điện áp phát-góp ứng với những giá trị khác nhau của dòng cực gốc Một họ đường đặc trưng tiêu

biểu được mô tả trên hình vẽ 3 (ở trang sau)

Các đường đặc trưng

trên đây được vẽ trong vùng

điện áp từ vải von đến vải chục

von và dòng điện từ vải

miliampe đến hàng trăm

miliampe Trong một số sách

tra cứu có thể lìm thấy họ

đường đặc trưng của những linh `

3 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐO:

Để có thể đo và vẽ ra đường đặc trưng của linh kiện bán dẫn, hệ thống đo cần phải đáp ứng được những yêu cầu sau:

- Có một khối nguồn một chiều cung cấp mội điện áp một chiều ổn định nhưng có thể thay đổi được để dùng làm điện áp (Uce), các tài liệu tham khảo cho thấy điện áp thích hợp nhất dùng để đo là có thể thay đối trong khoảng từ

0 V đến + 20 V

- C6 một khối nguồn dòng thay đổi được để dùng làm dòng gốc, dòng này

có thể thay đối được trong vùng từ 0,01 mÁ đến 100 mA, nghĩa là thích hợp cho những tranzito công suất nhỏ đến tranzito công suất vừa và đủ lớn

- Xác định duoc giá trị dòng góp lc ứng với dòng gốc Ib và điện áp giữa hai cực góp phát (Uce)

- Mô tả được sự phụ thuộc trên bằng đồ thị

- Ghép nối với máy vì tính để có thể thực hiện tất cả các thủ tục lấy mẫu, thay đổi, điều khiển, lưu giữ số liệu một cảch tự động trong một khoảng thời gian ngắn

Việc xây dựng hệ thống đo được tiến hành trước hết theo sơ đồ khối rồi dần dần chỉ tiết hoá để lắp ráp thử và hiệu chỉnh

Khối Biến đổi Bộ ghép nối |_+ PC

x

Biến đổi Khuyếch đại A/D

có điểu khiển

|

š

Hình 4: Sơ đồ khối của hệ thống đo và ghép nối

Trên hình vẽ 4 là sơ đồ khối của hệ thống đo Cách hoạt động của mạch này như sau: từ điện áp + 12 V của máy tính, khối nguồn nuôi sẽ biến đổi thành các điện áp một chiều: + 24 V để dùng làm điện áp góp-phát (Uce) và + 15 V để nưôi phần mạch tuyến tính (tạo dòng cực gốc), các điện áp khác như + 5 V,

+ 12 V cho mạch đo lấy từ bộ nguồn của máy tính qua rãnh cắm (Slot)

Điện áp + 24 V được đặt lên tranzito cần đo thử qua một yếu tố điều

chỉnh Tín hiệu điều chỉnh cho pháp thay đổi sụt áp trên yếu tố này và do đó thay

đổi điện áp đặt lên tranzito cần đo thử trong khoảng 0 + 20 V (thực tế khi điều

chỉnh có thể đến + 22 V)

Điện áp thực tế (đặt lôn linh kiện đo thử) được lấy ra qua bộ chia thế, còn

điện áp nên có nhận được từ rãnh cắm (Slot) của máy tính qua bộ biến đổi D/A, nghĩa là được đặt trực tiếp từ máy tính Bộ điều khiển so sánh hai tín hiệu này và đưa ra tín hiệu điều khiển thích hợp tác động lên yếu tố điều khiển Theo cách này từ phần mềm của máy tính có thể đặt chính xác điện áp Uce đặt lên tranzito

Còn dòng cực góp Ic được đo thông qua điện áp sut trên điện trở shun Rs,

khuyếch đại lên và đưa đến bộ biến đổi Á/D để tới phần điều khiển và cũng tại

đây, dữ liệu được trao đổi với máy tinh Nhờ vậy, mối liên quan qua lại giữa dòng cực góp và điện áp góp-pháp (Uoe) hay loạ độ của các điểm trên đường đặc trưng lc = f(Uce)} được máy tính ghi nhận

Đường đặc trưng trên được đo ứng với các giá trị khác nhau của dòng cực gốc Ib và dòng này được sinh ra từ một khối riêng ở bên trái của hình vẽ Khối chức năng này nhận điện áp từ nguồn + 15 V (không liên kết về điện với nguồn +

24 V), còn tín hiệu điều khiển để có giá trị đồng gốc mong muốn cũng lấy từ khối

điều khiển ở trên

Như vậy là toàn bộ mạch điều khiến và đo được khép kín

Còn một vấn đề được đặt ra trong quá trình đo là chống quá dòng để không làm hỏng linh kiện cần khảo sát Chức năng này đựợc bộ điều khiển đảm nhận Khi điện áp Uce quá cao sẽ dẫn đến dòng cực góp quá lớn, nhưng đồng

thời cũng dẫn đến điện áp thực đo được trên bộ chia thế quá lớn, điện áp này

7

thông qua bộ điều khiển làm cho sụt áp trên yếu tố điều khiển tăng lên và điện

áp trên linh kiện cần đo giảm xuống, dòng lc qua linh kiện thử cũng bị giảm theo

Từ sơ đồ khối ta có thể chia hệ thống đo ra 3 phần chính:

1- Phần nguồn nuôi

2- Phần đo và điều khiển, bao gồm: mạch điều khiển điện áp góp phát,

mạch khuyếch đại biến đổi D/A va A/D, mạch gidi mã địa chỉ, mạch đệm Bus và

điều khiển rơle

3- Phần tạo dòng cực gốc

Dưới đây xin giới thiệu chỉ tiết hơn hoạt động của từng phần:

* Phần nguồn nuồi: Nhũng yêu cầu đặt ra cho khối nguồn nuôi:

- Phải có được điện áp một chiều cd 22 - 24 V để đặt lên giữa hai cực góp

và phát cửa tranzito

- Có được điện áp + 15 V để nuôi các mạch tuyến tính

- Cð được điện áp + 5 V cho các mạch số

Từ nguồn của máy tính chỉ có thể lấy ra điện áp cao nhất là + 12 V ổn định, giá trị điện áp này là quá nhỏ so với yêu cầu thứ nhất kể trên nên không thể chỉ dùng trực tiếp nguồn nuôi của máy tính Có thể thoả mãn các yêu trên theo hai cách:

- Từ điện áp lưới điện xoay chiều 220 V qua biến áp (loại thông thường) lấy ra các điện áp xoay chiều thích hợp rồi chỉnh lưu, lọc và ổn áp để lấy ra các điện áp cần thiết

- Biến đổi từ điện áp một chiều của nguồn nuôi máy tính

Cách thứ nhất có thể thực hiện một cách đơn giản nhưng gây phiển phức

khi lắp ghép sử dụng, cách thứ hai phức táp về mặt kỹ thuật nhưng tiện lợi khi sit dụng và giữ nguyên được hình dáng bên ngoài cho máy tính Chúng tôi đã thử

nghiệm cả hai cách và cuối cùng chọn cách thứ hai Sơ đổ nguyên lý của mạch

có thể mô tả như hình vẽ 5 ở dưới đây

Hình 5: Sơ đồ hoạt động của khối nguồn một chiều

Vi.mạách ÍC1 (UC 3524) đóng vai trò tạo dao đông, các xung gần như

vuông góc được đưa vào mạch khuyếch đại công suất T1 và T2 rồi dẫn ra biến

áp xung dùng lõi pherit Tr1 Để tránh ảnh hưởng của các dao động đa hài lên mạch nguồn nuôi, một bộ lọc LC đã được ghóp xen kẽ

Tỷ số biến áp được lựa chọn cỡ 1:2 nên ở lối ra thu được điện áp quãng

24 V Một nhánh khác đưa qua vi mạch ổn áp 7815 để tạo ra điện áp ổn định + 15 V Để giảm tiêu hao nhiệt chúng tôi đã lựa chọn mạch lọc LC cho nguồn điện áp + 24 V, mạch lọc này cũng phát huy ưu điểm vì xung vuông ở mạch dao

động có tin số khá cao (cð 50 kHz, nghĩa là 1000 lần lớn hơn tần số của lưới

điện xoay chiều) Do dùng biến áp (xung) nên mạch nguồn này cũng có thêm ưu

điểm là các điện áp một chiều được tạo được cách ly về điện với nguồn một chiều của máy tính

Mach + 5 V để nuôi các mạch số được lấy trực tiếp từ máy tính qua các tụ lọc 0,1

uF để loại trừ các xung nhiễu (mỗi vi mạch một tụ lọc) có thể lẫn vào trên đường truyền, hoặc trong quá trình hoạt động

* Phần mạch đo: Mạch điều khiển điện 4p góp phát dùng tranzito BD 250 C như

một yếu tố điều khiển Điện áp từ bộ chia thế và từ máy tính được so sánh và đưa

qua hai mạch khuyếch đại thuật toán TL 084 đến tăng đệm (dùng tranzito

2N3019) để tới cực gốc của yếu tố điều chỉnh Nhờ vậy mà từ nguồn nuôi + 24 V

có thể lấy ra một điện áp nằm trong vùng 0-20 V tuỳ chọn để đặt lên tranzito hoặc điốt cần thử

Các thông tin điều khiển dẫn tới các lối vào DO-D7 của bộ biến đổi D/A (dùng vi mạch AD 7524) rồi qua mạch khuyếch đại thuật toán để nhận được một điện áp một chiều so sánh nằm trong khoảng 0 - 2,55 V

Để đo dòng cực góp, một điện trở phụ với độ chính xác cao (0,5 %) được

sử dụng, điện áp lấy ra ở hai đầu điện trở shun này được bộ khuyếch đại dùng vi mạch có độ trôi rất nhỏ (loại TLC 271) khuyếch đại lên Với một dòng cực góp bằng 1 A, sụt áp trên điên trở shun bằng 1 V và được khuyếch đạt lên hai lần để đưa vào bộ biến đổi A/D Còn với dòng cực góp bằng 10 mA thì để có được điện

áp bằng 2 V bộ khuyếch đại phải có hệ số khuyếch đại bằng 200 lần Như vậy,

bộ khuyếch đại phải có hộ số khuyếch đại điều chỉnh được và điều này có thể thực hiện được đơn giản bằng máy vi tính

* Phan tạo dòng cực gốc: được cung cấp điện áp từ nguồn + 15 V ở phần nguồn Giá trị + 15 V được lựa chọn để có được dòng gốc lớn nhất là 100 mA Nguồn điện áp này cũng được điều chỉnh, tương tự như nguồn điện áp phát-góp,

10

rồi đặt lên mạch nguồn dòng để tạo ra dòng điện cực gốc thích hợp Tín hiệu

điều khiến điện áp cũng nhận được từ máy tính và cho phép đặt chính xác 13 giá

trị khác nhau từ 1,5 V đến 15 V cách đầu nhau 1,5 V Cũng như nhiều điện trở khác trong hệ thống đo, các điện trở trong mạch nguồn dòng điện cực gốc ( xác

định giá trị của dòng) cũng được lựa chọn theo phương pháp bán thực nghiệm,

cụ thể là được ước tính theo định luật Ohm sau đó kiểm tra lại bằng thực nghiệm

rồi chọn giá trị chính xác

Để bảo đảm độ chính xác cao cho hệ thống đo, tất cả các điện trở được

sử dụng đều là loại điện trở màng kim loại với độ chính xác là 1%; còn việc điều chỉnh điện áp chuẩn cho nguồn so sánh của bộ biến đổi AD và D/A được tiến hành với Von kế hiện số có độ chính xác 0,5 %

mạch và khá nhiều điện trở, tụ điện ; nhưng cho phép tạo ra sự thuận tiện khi

sử dụng vÌ chỉ cần mở một nắp che ở phía sau máy vi tính, rồi gài đặt tấm mạch

mỏ rộng này vào là đã có thể tiến hành đo được Việc trao đổi dữ liệu với máy tính được tiến hành qua rãnh cắm 8 bit, còn các đầu đo nằm ở phía sau của máy

tính đưới dạng 3 dây màu: đỏ, vàng và xanh được hàn liền với 3 kẹp cá sấu Ba

dây đo này ứng với 3 cực: phát, gốc, góp của tranzito, trong dây màu đỏ có điện

áp dương vì vậy được nối với cực góp của tranzilo loại n-p-n hoặc cực phát của tranzito loại p-n-p Khi đo thử điốt, dây màu vàng (ứng với cực gốc) sẽ bỏ hở; nếu như dây màu đỏ nối với anốt còn dây màu xanh nối với catốt sẽ có đường đặc

trưng theo hướng thuận, còn như hoán vị lại ta sẽ có đường đặc trưng theo hướng ngược Với quá trình kiểm tra hàng loạt có thể thay các kẹp cá sấu bằng

một ổ cắm chuyên dụng

Từ máy tính có thể dễ dàng lựa chọn trên thực đơn:

- loại độ dẫn của tranzito (pnp hay npn)

- giá trị dòng cực góp lớn nhất trong bảy giá trị có thể: 10 mA, 20 mA,

50 mA, 100 mA, 200 mA, 500 mA và 1000 mA hay 1 A

- giá trị điện áp góp phát Uce lớn nhất trong 6 giá trị: 1 V 3V, 5V, 10 V,

15 V và 20 V

- giá trị dòng cực gốc lớn nhất trong số 13 giá trị có thể từ 0,01 mA đến

100 mA

Sau đó có thể cho tiến hành đo; chừng một giây sau họ đường đặc trưng

sẽ tự động hiện lên trên màn hình với dạng tiêu biểu như trên hình vẽ 8 ở trang sau Trên đồ thị mô tả đường đặc trưng, trục hoành là trục điện áp góp-phát còn trục tung là trục dòng điện cực góp lc Mười đường cong mô tả sự phụ thuộc

lc = f(Uce) ứng với mười giá trị dòng gốc khác nhau Nếu như đường cong nhận được cho thấy các giá trị đã lựa chon là chưa thích hợp thì có thổ quay về với

thực đơn chính để lựa chọn lại Khi ta đã hài lòng với họ đường cong đo được và

muốn lưu lại thì có thể gửi đồ thị này ra máy in Lệnh in màn hình này không cần

lua chon trước loại máy in

Để đánh giá hệ đo chúng tôi đã tiến hành rất nhiều phép đo trên các loại

tranzito Khác nhau Một số trong các họ đường cong này được mô tả trên các

hình vẽ ở phần phụ lục

Họ đường cong trên hình vẽ 6 (ở trang sau) được đo trên một tranzito

công suất trung bình là tiêu biểu cho rất nhiều họ đường cong đã được đo thử,

trên đó điện áp góp-phát được thay đổi trong khoảng từ 0 V đến + 5 V, còn dòng

cực góp thay đổi từ 0 đến 100 mA, còn dòng cực gốc nhận các giá trị khác nhau

tit 0,2 mA đến 0,8 mA (thay đổi từng bậc 0.1 mA) Trên hình vẽ chỉ có tám