Slajd 1
Spis treści
1. Wstęp teoretyczny
Diody można podzielić ze względu na:
Zasada działania diody
Polaryzacja złącza p-n
Slajd 7
Slajd 8
1.1. Diody prostownicze
Diody prostownicze charakteryzują się następującymi parametrami:
Slajd 11
Charakterystyki prądowo – napięciowe diod
Slajd 13
1. 2 Diody Zenera
Slajd 15
Najważniejsze parametry statyczne diody Zenera:
2. Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego
Slajd 18
Slajd 19
Slajd 20
Sposób przeprowadzenia pomiarów
Slajd 22
Slajd 23
Slajd 24
Sposób przeprowadzenia pomiarów
Slajd 26
2.3. Wyznaczanie charakterystyki diody Zenera w kierunku zaporowym
Slajd 28
Sposób przeprowadzenia pomiarów.
Slajd 30
3. Opracowanie wyników pomiaru
Slajd 32
Slajd 33
Slajd 34
Slajd 35
Slajd 36
Slajd 37
Slajd 38
Slajd 39
Slajd 40
Slajd 41
5.30M
Категория: ЭлектроникаЭлектроника

Charakterystyki i parametry diod polprzewodnikowych

1. Slajd 1

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu
Społecznego
Materiały dydaktyczne pomocnicze i informacyjne do przedmiotu
PODSTAWY ELEKTRONIKI
Część II: „Badania laboratoryjne elementów i układów elektronicznych”,
zrealizowana w ramach zadania nr 9 projektu:
„Program Rozwojowy Potencjału Dydaktycznego Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach: kształcenie na miarę sukcesu.”,
nr umowy: UDA-POKL 04.01.01. – 175/08-00.
Ćwiczenie 1:
Charakterystyki i parametry diod półprzewodnikowych.
dr inż. Marek Fijałkowski
Katedra Elektroniki i Systemów Inteligentnych
Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Politechniki Świętokrzyskiej
Al. 1000-lecia P.P. 7, 25-314 Kielce
tel.: +48 41 34 24 203, e-mail: [email protected]

2. Spis treści

1. Wstęp teoretyczny
1.1. Diody prostownicze
1. 2 Diody Zenera
2. Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego
2.1. Cel ćwiczenia
2.2. Wyznaczanie charakterystyk diod w kierunku przewodzenia
2.3. Wyznaczanie charakterystyk diod w kierunku zaporowym
3. Opracowanie wyników pomiaru
Symulacje charakterystyk diod półprzewodnikowych

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Slajd 7

I
U
kierunek ruchu elektronów
p
n
obszar ładunku przestrzennego
Anoda
Katoda
Rys. 1. Polaryzacja złącza p–n w kierunku przewodzenia

8. Slajd 8

U
I
kierunek ruchu elektronów
p
n
obszar ładunku przestrzennego
Anoda
Katoda
Rys. 2. Polaryzacja złącza p–n w kierunku zaporowym

9. 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)

10. Diody prostownicze charakteryzują się następującymi parametrami:

Maksymalny prąd przewodzenia
Maksymalne napięcie przewodzenia
Napięcie przewodzenia (dla IF=0,1IFmax)
Dopuszczalne napięcie wsteczne
Dopuszczalna moc admisyjna
Rezystancja statyczna w punkcie P(UP, IP)
Rezystancja dynamiczna w punkcie P(UP, IP)
R
UP
IP
rd
IFmax
UFmax
UF
URWM
Pad
U U 2 U 1
I
I 2 I1
R
rd

11. Slajd 11

IF [mA]
Pad
IFmax
P2(U2,I2)
P(UP,IP)
P1(U1,I1)
UR[V]
URWM
UFmax
UF [V]
Pad
Uszkodzenie diody
IR[μA]
Rys. 4. Charakterystyka prądowo – napięciowa diody prostowniczej

12. 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.

13. Slajd 13

IF [mA]
UR[V]
UF [V]
Dioda krzemowa
Dioda germanowa
IR[μA]
Rys. 5. Charakterystyki prądowo - napięciowe diody krzemowej i germanowej

14. 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.

15. Slajd 15

IFmax=625 mA
IZ [mA]
5V6
400
3V9
200
-6,0
-5,0
-4,0
-3,0
-2,0
-1,0
IZ min
UZ=5,6 V
1,0
U [V]
UZ=3,9 V
P1(U1,I1)
-30
P(UP ,IP)
P2(U2,I2)
IZmax=89 mA
-60
-90
Dioda 5V6
Ptot=0,5W
Dioda 3V9
Rys 6.
IZmax=128 mA
-120
Charakterystyki prądowo –napięciowe diod Zenera 3V9 i 5V6

16. Najważniejsze parametry statyczne diody Zenera:

napięcie stabilizacji
UZ ;
maksymalna moc strat
Ptot;
minimalny prąd stabilizacji
IZmin
maksymalny stały prąd przewodzenia IFmax
I F max
Ptot [W ]
0,8 [V ]
maksymalny dopuszczalny prąd stabilizacji IZmax;
I Z max
Ptot
UZ
rezystancja dynamiczna rZ w punkcie P(UP ,IP)
rZ
U U 2 U 1
I
I 2 I1

17. 2. Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego

2.1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie własności i wyznaczenie
charakterystyk napięciowo-prądowych diod prostowniczych,
elektroluminescencyjnych i Zenera oraz wybranych parametrów
badanych elementów.
2.2. Wyznaczanie charakterystyk diod w kierunku przewodzenia
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”.

18. Slajd 18

• Schematy pomiarowe
R
a)
mA
1kΩ
E
D
V
D
V
R
mA
b)
1kΩ
E
Rys. 7. Układ do pomiaru charakterystyk diod w kierunku przewodzenia
a) dioda prostownicza b) dioda elektroluminescencyjnej

19. Slajd 19

Rys. 8. Układ do pomiaru charakterystyk diody prostowniczej w kierunku przewodzenia (połączenie przyrządów pomiarowych z elementami na makiecie)

20. Slajd 20

Rys. 9. Układ do pomiaru charakterystyk diody elektroluminescencyjnej w kierunku
przewodzenia (połączenie przyrządów pomiarowych z elementami na makiecie)

21. 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.

22. Slajd 22

Tabela 1. Pomiary charakterystyk diod w kierunku przewodzenia.
1N4002
DZG7
L-53 ID
L-53 YD
L-53 MBDL
Lp.
IF [mA]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
UF [V]
IF [mA]
UF [V]
IF [mA]
UF [V]
IF [mA]
UF [V]
IF [mA]
UF [V]

23. Slajd 23

2.3. Wyznaczanie charakterystyk diod w kierunku zaporowym
Do wyznaczania charakterystyk diod w kierunku zaporowym będzie
zastosowany układ „dokładnego pomiaru prądu”.
• Schemat pomiarowy
R
μA
1kΩ
E
V
D
Rys. 10. Układ do wyznaczania charakterystyk diod w kierunku zaporowym
(układ dokładnego pomiaru prądu).

24. Slajd 24

Rys. 11. Układ do pomiaru charakterystyk diody prostowniczej w kierunku zaporowym (połączenie przyrządów pomiarowych z elementami na makiecie)

25. 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.

26. Slajd 26

Tabela 2. Pomiary charakterystyk diod w kierunku zaporowym
IN4002
Lp.
UR [V]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
IR [µA]
DZG7
UR [V]
L-53 ID
IR [µA]
UR [V]
IR [µA]
L-53 YD
UR [V]
IR [µA]
L-53 MBDL
UR [V]
IR [µA]

27. 2.3. Wyznaczanie charakterystyki diody Zenera w kierunku zaporowym

Do wyznaczania charakterystyk diod Zenera w kierunku zaporowym będzie
zastosowany układ „dokładnego pomiaru napięcia”.
• Schemat pomiarowy
R
mA
1kΩ
E
DZ
V
Rys 12. Układ do wyznaczania charakterystyki diody Zenera w kierunku zaporowym.

28. Slajd 28

Rys 13. Układ do wyznaczania charakterystyki diody Zenera w kierunku zaporowym.
(połączenie przyrządów pomiarowych z elementami na makiecie)

29. 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.

30. Slajd 30

Tabela 3. Pomiary charakterystyk diod Zenera w kierunku zaporowym.
Lp.
1N5335B 3V9
IZ [mA]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
U [V]
1N5339B 5V6
IZ [mA]
U [V]
1N5343B 7V5
IZ [mA]
U [V]
1N5347B 10V
IZ [mA]
U [V]
1N5352B 15V
IZ [mA]
U [V]

31. 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.

32. Slajd 32

Symulacje charakterystyk diody prostowniczej
D1
1N4002
+
Vs1
10V
-
Rys 14. Układ do wyznaczania charakterystyki diody krzemowej 1N4002
programie CircuitMaker Student V6.2c)
(symulacja w

33. Slajd 33

Xa: 937.3m
Yc: 1.000
Xb: 697.7m
Yd: 13.33m
a-b: 239.6m
c-d: 986.7m
a
b
d1[id] 1.2
1
c
800m
600m
400m
200m
0
0
158m
317m
Ref=Ground
475m
X=158m/Div Y=current
633m
792m
d
950m
Rys 15. Charakterystyka diody krzemowej 1N4002 w kierunku przewodzenia (symulacja w
programie CircuitMaker Student V6.2c)

34. Slajd 34

Xa: 13.74p
Yc: 600.0p
A
Xb:-99.00
Yd:-3.000n
a-b: 99.00
c-d: 3.600n
a
b
600p
c
0
-600p
-1.2n
-1.8n
-2.4n
-3n
-99
-82.5
-66
Ref=Ground
-49.5
X=16.5/Div Y=current
-33
-16.5
d
2.21u
Rys 16. Charakterystyka diody krzemowej 1N4002 w kierunku zaporowym (symulacja w
programie CircuitMaker Student V6.2c)

35. Slajd 35

Symulacje charakterystyk diody elektroluminescencyjnej
+
Vs1
2V
D1
LED1
-
Rys 17. Układ do wyznaczania charakterystyki diody LED (czerwona)
(symulacja w programie CircuitMaker Student V6.2c)

36. Slajd 36

Xa: 0.000
Yc: 0.000
A
Xb: 1.918
Yd: 40.24m
a-b:-1.918
c-d:-40.24m
b
a
120m
100m
80m
60m
d
40m
20m
0
0
333m
667m
Ref=Ground
1
X=333m/Div Y=current
1.33
1.67
Rys 18. Charakterystyka diody LED (czerwona) w kierunku przewodzenia
(symulacja w programie CircuitMaker Student V6.2c)
2
c

37. Slajd 37

Xa:-41.0e-15Xb:-3.702
Yd:-94.12p
Yc: 0.000
A
0
a-b: 3.702
c-d: 94.12p
a
b
c
d
-400p
-800p
-1.2n
-1.6n
-2n
-2.4n
-4
-3.33
-2.67
Ref=Ground
-2
X=667m/Div Y=current
-1.33
-667m
Rys 19. Charakterystyka diody LED (czerwona) w kierunku zaporowym
(symulacja w programie CircuitMaker Student V6.2c)
89.4n

38. Slajd 38

Symulacje charakterystyk diody Zenara
D1
1N5342B
+
Vs2
8V
-
Rys 20. Układ do wyznaczania charakterystyki diody Zenera 1N5342B 6V8
(symulacja w programie CircuitMaker Student V6.2c)

39. Slajd 39

Xa: 800.0m
Yc: 240.0u
A
Xb: 0.000
Yd: 0.000
a-b: 800.0m
c-d: 240.0u
a
b
240u
c
200u
160u
120u
80u
40u
0
0
133m
267m
Ref=Ground
400m
X=133m/Div Y=current
533m
667m
Rys 21. Charakterystyka diody Zenara 1N5342B 6V8 w kierunku przewodzenia
(symulacja w programie CircuitMaker Student V6.2c)
d
800m

40. Slajd 40

Xa:-6.667
Yc:-51.76m
A
800m
Xb:-7.253
Yd:-687.1m
b
a-b: 586.7m
c-d: 635.3m
a
400m
0
c
-400m
d
-800m
-1.2
-1.6
-8
-6.67
-5.33
Ref=Ground
-4
X=1.33/Div Y=current
-2.67
-1.33
179n
Rys 22. Charakterystyka diody Zenara 1N5342B 6V8 w kierunku zaporowym (symulacja w
programie CircuitMaker Student V6.2c)

41. Slajd 41

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu
Społecznego
Materiały dydaktyczne pomocnicze i informacyjne do przedmiotu
PODSTAWY ELEKTRONIKI
Część II: „Badania laboratoryjne elementów i układów elektronicznych”,
zrealizowana w ramach zadania nr 9 projektu:
„Program Rozwojowy Potencjału Dydaktycznego Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach: kształcenie na miarę sukcesu.”,
nr umowy: UDA-POKL 04.01.01. – 175/08-00.
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ!
Następna prezentacja pt.:
Ćwiczenie 2:
Badanie zasilaczy niestabilizowanych
English     Русский Правила