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