Charakterystyki i parametry diod polprzewodnikowych

Содержание

Слайд 2

Spis treści 2.2. Wyznaczanie charakterystyk diod w kierunku przewodzenia 2. Przebieg

Spis treści

2.2. Wyznaczanie charakterystyk diod w kierunku przewodzenia

2. Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego

2.1.

Cel ćwiczenia

2.3. Wyznaczanie charakterystyk diod w kierunku zaporowym

3. Opracowanie wyników pomiaru

1. Wstęp teoretyczny

1.1. Diody prostownicze

1. 2 Diody Zenera

Symulacje charakterystyk diod półprzewodnikowych

Слайд 3

1. Wstęp teoretyczny Diodą nazywamy element wykonany z półprzewodnika, zawierającego jedno

1. Wstęp teoretyczny

Diodą nazywamy element wykonany z półprzewodnika, zawierającego jedno

złącze p-n lub złącze metal – półprzewodnik m-s z dwoma końcówkami wyprowadzeń. Złącze p-n stanowi warstwę przejściową między obszarem półprzewodnika typu p i półprzewodnika typu n.
Diody stosowane są w układach analogowych i cyfrowych. W układach analogowych wykorzystywana jest zależność rezystancji dynamicznej od napięcia lub prądu wejściowego, lub też zmiany pojemności w funkcji napięcia. W układach cyfrowych istotne są natomiast właściwości przełączające diody. Diody półprzewodnikowe stosuje się w układach prostowania prądu zmiennego, w układach modulacji i detekcji, przełączania, generacji i wzmacniania sygnałów elektrycznych.
Слайд 4

Diody można podzielić ze względu na: materiał, z którego dioda jest

Diody można podzielić ze względu na:

materiał, z którego dioda jest wykonana:
krzemowe,


germanowe,
z arsenku galu,
selenowe.
konstrukcje:
ostrzowe,
warstwowe,
stopowe,
dyfuzyjne,
planarne,
epiplanarne.

zastosowanie:
prostownicze,
uniwersalne,
impulsowe,
stabilizacyjne (Zenera),
pojemnościowe,
tunelowe,
mikrofalowe,
optoelektroniczne
świecące LED,
fotodiody.

Слайд 5

Zasada działania diody Charakterystyka diody oraz jej parametry są podobne, a

Zasada działania diody

Charakterystyka diody oraz jej parametry są podobne, a niekiedy

takie same jak złącza p-n. W momencie zetknięcia się półprzewodnika typu p i n, w wyniku dyfuzji popłyną prądy termokinetyczne. Elektrony (nośniki większościowe) będą przechodziły z półprzewodnika typu n do p, natomiast dziury (też nośniki większościowe) – z p do n. Na skutek dyfuzyjnego przepływu nośników, w obszarze przyzłączowym tworzą się nieskompensowane ładunki (w półprzewodniku n – dodatni, w p- ujemny). W związku z tym w obszarze złącza powstaje różnica potencjałów, która tworzy barierę energetyczną (napięcie na barierze nosi nazwę napięcia dyfuzyjnego - UD). W temperaturze bliskiej pokojowej dla złączy krzemowych UD = (0,6 - 0,8)V, a dla złączy germanowych UD = (0,1 - 0,3)V. Bariera przeciwdziała dalszej dyfuzji nośników większościowych. Powstała w ten sposób jest nazywana warstwą zaporową lub warstwą ładunku przestrzennego, ewentualnie warstwą zubożaną.
Слайд 6

Polaryzacja złącza p-n Złącze p-n posiada różne właściwości w zależności od

Polaryzacja złącza p-n

Złącze p-n posiada różne właściwości w zależności od sposobu

polaryzacji. Jeżeli do półprzewodnika p przyłożymy potencjał dodatni, a do n ujemny to złącze spolaryzowane będzie w kierunku przewodzenia. Zmniejsza się wówczas bariera potencjału do wartości UD – U (U – napięcie zasilające), maleje szerokość warstwy zaporowej, maleje ładunek i natężenie pola elektrycznego. Zmniejszenie bariery potencjałów powoduje wzrost prądu dyfuzyjnego.
Przy odwrotnej polaryzacji złącza (w kierunku zaporowym) napięcie zewnętrzne ma kierunek zgodny z kierunkiem UD. Następuje więc dalszy odpływ nośników z obszaru otaczającego warstwę zaporową. Zwiększa się jej szerokość i wzrasta bariera potencjału. Zwiększenie liczby nośników spowoduje zmniejszenie prądu dyfuzji. Przez tak spolaryzowane złącze płynie niewielki prąd związany tylko z nośnikami mniejszościowymi, nazywany prądem unoszenia. Prąd ten praktycznie nie zależy od przyłożonego napięcia.
Слайд 7

Rys. 1. Polaryzacja złącza p–n w kierunku przewodzenia

Rys. 1. Polaryzacja złącza p–n w kierunku przewodzenia

Слайд 8

Rys. 2. Polaryzacja złącza p–n w kierunku zaporowym

Rys. 2. Polaryzacja złącza p–n w kierunku zaporowym

Слайд 9

1.1. Diody prostownicze Diody prostownicze są przeznaczone do prostowania napięcia lub

1.1. Diody prostownicze

Diody prostownicze są przeznaczone do prostowania napięcia lub prądu

przemiennego o małej częstotliwości (z reguły chodzi o 50Hz). Są to diody pracujące przeważnie w układach prostowniczych bloków zasilania, różnych urządzeń elektronicznych i elektrycznych. Czasami diody pracują przy częstotliwości 400Hz (systemy pokładowe) lub nawet kilku kiloherców.

Rys. 3. Dioda prostownicza 1N4004 (URWM =400V IFmax =1A)

Слайд 10

Diody prostownicze charakteryzują się następującymi parametrami: Maksymalny prąd przewodzenia IFmax Maksymalne

Diody prostownicze charakteryzują się następującymi parametrami:

Maksymalny prąd przewodzenia IFmax
Maksymalne napięcie przewodzenia UFmax
Napięcie przewodzenia

(dla IF=0,1IFmax) UF
Dopuszczalne napięcie wsteczne URWM
Dopuszczalna moc admisyjna Pad
Rezystancja statyczna w punkcie P(UP, IP) R
Rezystancja dynamiczna w punkcie P(UP, IP) rd
Слайд 11

Rys. 4. Charakterystyka prądowo – napięciowa diody prostowniczej

Rys. 4. Charakterystyka prądowo – napięciowa diody prostowniczej

Слайд 12

Charakterystyki prądowo – napięciowe diod Na rys. 4. przedstawiono charakterystykę prądowo

Charakterystyki prądowo – napięciowe diod

Na rys. 4. przedstawiono charakterystykę prądowo –

napięciowa diody prostowniczej z zaznaczeniem podanych wyżej parametrów diody. W katalogach podaje się znacznie większą liczbę parametrów, jednak z punktu widzenia ćwiczenia laboratoryjnego są one trudne do pomiaru lub niezbyt istotne, dlatego też wyszczególnienie ich uznano za niepotrzebne. Na rys. 5. przedstawiono charakterystyki prądowo - napięciowe diody krzemowej i germanowej. Diody zaczynają przewodzić (następuje gwałtowny wzrost prądu) dopiero po przekroczeniu pewnej wartości napięcia w kierunku przewodzenia zwanego napięciem progowym UD. Dla diod krzemowych ok.0,6V – 0,7V dla germanowych ok. 0,1V - 0,3V. Jest to jedyna wyższość diody germanowej nad krzemową. Diody germanowe mają znacznie mniejsze dopuszczalne napięcie wsteczne i mniejszą temperaturę dopuszczalną.
Слайд 13

Rys. 5. Charakterystyki prądowo - napięciowe diody krzemowej i germanowej

Rys. 5. Charakterystyki prądowo - napięciowe diody krzemowej i germanowej

Слайд 14

1. 2 Diody Zenera Diody Zenera są to diody stabilizacyjne, warstwowe

1. 2 Diody Zenera

Diody Zenera są to diody stabilizacyjne, warstwowe p-n

przeznaczone do zastosowań w układach stabilizacji napięć, w układach ograniczników napięć, jako źródła napięć odniesienia itp. Diody stabilizacyjne pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym. Typowy obszar pracy tych diod znajduje się na odcinku charakterystyki prądowo-napięciowej (rys. 5.) odpowiadającym gwałtownemu wzrostowi prądu wstecznego wskutek zjawiska przebicia Zenera lub (i) przebicia lawinowego. Przebicie Zenera występuje w złączach silnie domieszkowanych przy napięciach do 5V. Przebicie lawinowe występuje w złączach słabo domieszkowanych przy napięciach powyżej 7V. Przy napięciach od 5V do 7V w złączach średnio domieszkowanych występują jednocześnie oba zjawiska.
Слайд 15

Rys 6. Charakterystyki prądowo –napięciowe diod Zenera 3V9 i 5V6

Rys 6. Charakterystyki prądowo –napięciowe diod Zenera 3V9 i 5V6

Слайд 16

Najważniejsze parametry statyczne diody Zenera: napięcie stabilizacji UZ ; maksymalna moc

Najważniejsze parametry statyczne diody Zenera:

napięcie stabilizacji UZ ;
maksymalna moc strat

Ptot;
minimalny prąd stabilizacji IZmin
maksymalny stały prąd przewodzenia IFmax

maksymalny dopuszczalny prąd stabilizacji IZmax;

rezystancja dynamiczna rZ w punkcie P(UP ,IP)

Слайд 17

2. Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego 2.1. Cel ćwiczenia 2.2. Wyznaczanie charakterystyk diod

2. Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego

2.1. Cel ćwiczenia

2.2. Wyznaczanie charakterystyk diod w kierunku

przewodzenia

Celem ćwiczenia jest poznanie własności i wyznaczenie charakterystyk napięciowo-prądowych diod prostowniczych, elektroluminescencyjnych i Zenera oraz wybranych parametrów badanych elementów.

Charakterystyki napięciowo-prądowe diod będą wyznaczane metodą „punkt po punkcie”. W oparciu o wyniki pomiarów można wykreślić charakterystyki prądowo-napięciowe diody, obliczyć jej podstawowe parametry takie jak: napięcie progowe, rezystancja statyczna i dynamiczna. Do wyznaczania charakterystyk diod w kierunku przewodzenia będzie zastosowany układ „dokładnego pomiaru napięcia”.

Слайд 18

Rys. 7. Układ do pomiaru charakterystyk diod w kierunku przewodzenia a)

Rys. 7. Układ do pomiaru charakterystyk diod w kierunku przewodzenia a)

dioda prostownicza b) dioda elektroluminescencyjnej

a)

b)

Schematy pomiarowe

Слайд 19

Rys. 8. Układ do pomiaru charakterystyk diody prostowniczej w kierunku przewo-

Rys. 8. Układ do pomiaru charakterystyk diody prostowniczej w kierunku przewo- dzenia

(połączenie przyrządów pomiarowych z elementami na makiecie)
Слайд 20

Rys. 9. Układ do pomiaru charakterystyk diody elektroluminescencyjnej w kierunku przewodzenia

Rys. 9. Układ do pomiaru charakterystyk diody elektroluminescencyjnej w kierunku przewodzenia

(połączenie przyrządów pomiarowych z elementami na makiecie)
Слайд 21

Sposób przeprowadzenia pomiarów Należy kolejno podłączać do układu: diodę prostowniczą krzemową

Sposób przeprowadzenia pomiarów

Należy kolejno podłączać do układu:
diodę prostowniczą krzemową 1N4002
diodę germanową

DZG7 lub AAP 152
diody elektroluminescencyjne L-53 ID, L-53 YD, L-53 MBDL
Wykonać pomiary charakterystyk diod w kierunku przewodzenia.
Pomiar polega na ustawieniu regulowanym zasilaczem E odpowiedniej wartości prądu IF mierzonego miliamperomierzem mA i odczycie napięcia na diodzie UF mierzonego woltomierzem V.
Należy pamiętać, aby nie przekroczyć maksymalnego prądu IFmax. badanego elementu.
Dla diody krzemowej i germanowej wykonać pomiary dla określonych prądów IF np. 8 mA, 10 mA, 12 mA – w celu wyznaczenia rezystancji statycznej i dynamicznej diody.
Wyniki pomiarów zanotować w Tabeli 1.
Слайд 22

Tabela 1. Pomiary charakterystyk diod w kierunku przewodzenia.

Tabela 1. Pomiary charakterystyk diod w kierunku przewodzenia.

Слайд 23

2.3. Wyznaczanie charakterystyk diod w kierunku zaporowym Schemat pomiarowy Rys. 10.

2.3. Wyznaczanie charakterystyk diod w kierunku zaporowym

Schemat pomiarowy

Rys. 10. Układ do wyznaczania

charakterystyk diod w kierunku zaporowym (układ dokładnego pomiaru prądu).

Do wyznaczania charakterystyk diod w kierunku zaporowym będzie zastosowany układ „dokładnego pomiaru prądu”.

Слайд 24

Rys. 11. Układ do pomiaru charakterystyk diody prostowniczej w kierunku zaporo-

Rys. 11. Układ do pomiaru charakterystyk diody prostowniczej w kierunku zaporo-

wym (połączenie przyrządów pomiarowych z elementami na makiecie)
Слайд 25

Sposób przeprowadzenia pomiarów Należy kolejno podłączać do układu: diodę prostowniczą krzemową

Sposób przeprowadzenia pomiarów

Należy kolejno podłączać do układu:
diodę prostowniczą krzemową 1N4002
diodę prostowniczą

germanową DZG7,
diody elektroluminescencyjne L-53 ID, L-53 YD, L-53 MBDL.
Wykonać pomiary charakterystyk diod w kierunku zaporowym.
Pomiar polega na ustawieniu regulowanym zasilaczem E odpowiedniego napięcia na diodzie UR (woltomierz V) i odczycie prądu IR (mikroamperomierz μA).
Należy pamiętać, aby nie przekroczyć maksymalnego napięcia URmax.= 30V.
Wyniki pomiarów zanotować w Tabeli 2.
Слайд 26

Tabela 2. Pomiary charakterystyk diod w kierunku zaporowym

Tabela 2. Pomiary charakterystyk diod w kierunku zaporowym

Слайд 27

2.3. Wyznaczanie charakterystyki diody Zenera w kierunku zaporowym Rys 12. Układ

2.3. Wyznaczanie charakterystyki diody Zenera w kierunku zaporowym

Rys 12. Układ do wyznaczania

charakterystyki diody Zenera w kierunku zaporowym.

Schemat pomiarowy

Do wyznaczania charakterystyk diod Zenera w kierunku zaporowym będzie zastosowany układ „dokładnego pomiaru napięcia”.

Слайд 28

Rys 13. Układ do wyznaczania charakterystyki diody Zenera w kierunku zaporowym.

Rys 13. Układ do wyznaczania charakterystyki diody Zenera w kierunku zaporowym. (połączenie

przyrządów pomiarowych z elementami na makiecie)
Слайд 29

Sposób przeprowadzenia pomiarów. Połączyć układ do wyznaczania charakterystyki diody Zenera w

Sposób przeprowadzenia pomiarów.

Połączyć układ do wyznaczania charakterystyki diody Zenera w kierunku

zaporowym (rys. 12.);
Wykonać pomiary charakterystyk diod Zenera w kierunku zaporowym.
Pomiar polega na ustawieniu regulowanym zasilaczem E odpowiedniej wartości prądu IZ (miliamperomierz mA) i odczycie napięcia na diodzie Zenera U (woltomierz V).
Należy pamiętać, aby nie przekroczyć prądu maksymalnego Imax.=100 mA.
Wykonać pomiary dla określonych prądów np. 8 mA, 10 mA, 12 mA w celu wyznaczenia rezystancji statycznej i dynamicznej diody.
Wyniki pomiarów zanotować w Tabeli 3.
Слайд 30

Tabela 3. Pomiary charakterystyk diod Zenera w kierunku zaporowym.

Tabela 3. Pomiary charakterystyk diod Zenera w kierunku zaporowym.

Слайд 31

3. Opracowanie wyników pomiaru W sprawozdaniu należy zamieścić: Schematy układów pomiarowych

3. Opracowanie wyników pomiaru

W sprawozdaniu należy zamieścić:
Schematy układów pomiarowych realizowanych na

ćwiczeniu;
Tabele pomiarowe z wynikami.
Charakterystyki prądowo – napięciowe poszczególnych diod sporządzone na podstawie przeprowadzonych pomiarów.
Wyznaczenie rezystancji statycznej i dynamicznej diody prostowniczej krzemowej i germanowej w kierunku przewodzenia dla określonej wartości prądu np. 10 mA na podstawie pomiarów.
Wyznaczenie rezystancji statycznej i dynamicznej wszystkich diod Zenera w kierunku zaporowym dla określonej wartości prądu np. 10 mA na podstawie pomiarów.
Wnioski.
Слайд 32

Rys 14. Układ do wyznaczania charakterystyki diody krzemowej 1N4002 (symulacja w

Rys 14. Układ do wyznaczania charakterystyki diody krzemowej 1N4002 (symulacja w programie

CircuitMaker Student V6.2c)

Symulacje charakterystyk diody prostowniczej

Слайд 33

Rys 15. Charakterystyka diody krzemowej 1N4002 w kierunku przewodzenia (symulacja w programie CircuitMaker Student V6.2c)

Rys 15. Charakterystyka diody krzemowej 1N4002 w kierunku przewodzenia (symulacja w programie CircuitMaker

Student V6.2c)
Слайд 34

Rys 16. Charakterystyka diody krzemowej 1N4002 w kierunku zaporowym (symulacja w programie CircuitMaker Student V6.2c)

Rys 16. Charakterystyka diody krzemowej 1N4002 w kierunku zaporowym (symulacja w programie CircuitMaker

Student V6.2c)
Слайд 35

Symulacje charakterystyk diody elektroluminescencyjnej Rys 17. Układ do wyznaczania charakterystyki diody

Symulacje charakterystyk diody elektroluminescencyjnej

Rys 17. Układ do wyznaczania charakterystyki diody

LED (czerwona) (symulacja w programie CircuitMaker Student V6.2c)
Слайд 36

Rys 18. Charakterystyka diody LED (czerwona) w kierunku przewodzenia (symulacja w programie CircuitMaker Student V6.2c)

Rys 18. Charakterystyka diody LED (czerwona) w kierunku przewodzenia (symulacja w programie CircuitMaker

Student V6.2c)
Слайд 37

Rys 19. Charakterystyka diody LED (czerwona) w kierunku zaporowym (symulacja w programie CircuitMaker Student V6.2c)

Rys 19. Charakterystyka diody LED (czerwona) w kierunku zaporowym (symulacja w programie CircuitMaker

Student V6.2c)
Слайд 38

Rys 20. Układ do wyznaczania charakterystyki diody Zenera 1N5342B 6V8 (symulacja

Rys 20. Układ do wyznaczania charakterystyki diody Zenera 1N5342B 6V8 (symulacja w

programie CircuitMaker Student V6.2c)

Symulacje charakterystyk diody Zenara

Слайд 39

Rys 21. Charakterystyka diody Zenara 1N5342B 6V8 w kierunku przewodzenia (symulacja w programie CircuitMaker Student V6.2c)

Rys 21. Charakterystyka diody Zenara 1N5342B 6V8 w kierunku przewodzenia (symulacja w programie

CircuitMaker Student V6.2c)
Слайд 40

Rys 22. Charakterystyka diody Zenara 1N5342B 6V8 w kierunku zaporowym (symulacja w programie CircuitMaker Student V6.2c)

Rys 22. Charakterystyka diody Zenara 1N5342B 6V8 w kierunku zaporowym (symulacja w programie

CircuitMaker Student V6.2c)