Wydział Elektroniki Politechniki Wrocławskiej	Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych
^Wykonał Andrzej Pieliński		^Grupa -	^Ćw. nr 11	^Prowadzący dr. Bober
Zautomatyzowany pomiar charakterystyk prądowo-napięciowych elementów półprzewodnikowych.		^Data^wykonania 99.04.14	^Data oddania 99.04.21	^Ocena

PROGRAM ZAJĘĆ:

• Zapoznanie się z możliwościami programu HP VEE

• Pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej złącza p-n w kierunku przewodzenia

• Przedstawienie wyników pomiarów na odpowiednich wykresach

• Pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej złącza p-n w kierunku przewodzenia

• Wyznaczenie parametrów statycznych badanych elementów I_S, R_S, n.

WYKAZ PRZYRZĄDÓW :

• Komputer klasy PC

• zasilacz HP E3631A

• multimetr cyfrowy typu HP 34401A

• Badane elementy:

Dioda DZG - 7:

U_R = 128 [ V ]

I_F = 100 [ mA ]

Dioda BZP 620:

I_f=200 [mA]

U_Z=11 [V]

P=250 [mW]

Dioda BAT 42:

I_f=200 [mA]

U=1 [V]

P=200 [mW]

PRZEBIEG ĆWICZENIA :

1. Pomiar charakterystyki prądowo - napięciowej złącza p-n w kierunku przewodzenia.

a) dioda DZG -7

Charakterystykę prądowo-napięciową w kierunku przewodzenia dla tego elementu obrazuje wykres nr 1 i wykres nr 2 (log I).

Wzory i obliczenia:

1. Rezystancja szeregowa R_s.

W celu obliczenia rezystancji szeregowej R_s skorzystamy ze wzoru:

gdzie U” = 0,48[V] ; U' = 0,44[V] ; I = 266 [mA] (patrz charakterystyka). Dla tych danych rezystancja szeregowa wynosi:

.

Zatem ostatecznie R_s = 0,15 [Ω].

2. Współczynnik doskonałości n.

Do wyprowadzenia współczynnika doskonałości n skorzystamy ze wzoru Shockley'a:

.

Z prostoliniowego odcinka charakterystyki prądowo - napięciowej bierzemy dwa punkty (U₁, I₁) i (U₂, I₂) i zapisujemy dla nich równanie Shockley'a:

.

Dla kierunku przewodzenia mamy
, więc w powyższym układzie równań możemy pominąć jedynki. Logarytmując powyższe wzory uproszczone otrzymujemy:

.

Odejmując równania stronami otrzymamy:

Przekształcając ostatnie równanie otrzymujemy ostatecznie wzór na n:

Przyjmuję U₁ = 0,15 [V] ; I₁ = 1 [mA]; U₂ = 0,27 [V]; I₂ = 10 [mA] oraz
i otrzymuję n równe:

Zatem ostatecznie n = 2.

3. Prąd nasycenia Is.

Do wyznaczenia tego parametru wykorzystano te same punkty i zależności (wzory).

Prąd nasycenia wyliczony wynosi I_s = 55 μA].

b) dioda BZP 620

Charakterystykę prądowo-napięciową w kierunku przewodzenia dla tego elementu obrazuje wykres nr 3 i wykres nr 4 (log I).

Wszystkie obliczenia są analogiczne jak dla diody DZG -7, zatem:

1. Rezystancja szeregowa R_s.

Z powodu braku możliwości odczytania wartości napięć potrzebnych do obliczenia R_s , parametr ten nie został wyliczony. Należy jednak się spodziewać, że dla tego elementu rezystancja szeregowa jest bardzo mała.

2. Współczynnik doskonałości n.

Przyjmuję U₁ = 0,62 [V] ; I₁ = 1 [mA]; U₂ = 0,675 [V]; I₂ = 10 [mA] oraz
i otrzymuję n równe:

Zatem ostatecznie n = 0,917.

3. Prąd nasycenia Is.

Do wyznaczenia tego parametru wykorzystano te same punkty i zależności (wzory).

Prąd nasycenia wyliczony wynosi I_s = 5,064⋅10^-15 A]

c) dioda BAT 42

Charakterystykę prądowo-napięciową w kierunku przewodzenia dla tego elementu obrazuje wykres nr 5 i wykres nr 6 (log I).

1. Rezystancja szeregowa R_s.

Obliczenia dla U” = 0,7 [V] ; U' = 0,425 [V] ; I = 170 [mA]. Dla tych danych rezystancja szeregowa wynosi:

.

Zatem ostatecznie R_s = 1,618 [Ω].

2. Współczynnik doskonałości n.

Przyjmuję U₁ = 0,21 [V] ; I₁ = 0,1 [mA]; U₂ = 0,275 [V]; I₂ = 1 [mA] oraz
i otrzymuję n równe:

Zatem ostatecznie n = 1,083.

3. Prąd nasycenia Is.

Do wyznaczenia tego parametru wykorzystano te same punkty i zależności (wzory).

Prąd nasycenia wyliczony wynosi I_s = 573,55 μA].

2. Pomiar charakterystyki prądowo - napięciowej złącza p-n w kierunku zaporowym.

Charakterystyki I-U (kier. zaporowy) dla kolejnych elementów obrazują następujące wykresy:

• Dioda DZG -7 wykres nr 7.

• Dioda BZP 620 wykres nr 8.

• Dioda BAT 42 wykres nr 9.

WNIOSKI I UWAGI:

Kształt tych charakterystyk w kierunku przewodzenia jest zgodny z założeniami teoretycznymi. Wykres zależności I=f(U) został wykonany również w skali półlogarytmicznej, gdzie zlogarytmowano oś prądu. Pozwala to w prosty sposób zobrazować kilka rzędów wielkości prądu oraz wyznaczyć podstawowe parametry (I_s, n, R_s). Zauważalne jest na tych wykresach zagięcie się uzyskanych charakterystyk dla większych wartości prądów (np. wykres nr 6 dla diody BAT 42). Wartości rezystancji szeregowej reprezentującej spadek napięcia poza obszarem złącza (obszar p, n, doprowa­dzenia) wyniosły od niemal zera dla diody BZP 620 do ok. 1,6 [Ω] dla diody BAT 42.

Z prostoliniowych części charakterystyk wyznaczono współczynniki doskonałości złącz p-n. Obliczone wartości współczynnika doskonałości n zawarły się w teoretycznym przedziale [1,2] (jedynie dla diody BZP 620 przyjął on wartość nieznacznie mniejszą od jedności - jest to związane z kłopotliwym zaproksymowaniem liniowej części charakterystyki) . Współczynnik ten zależy od udziału składowej rekombinacji i dyfuzji w prądzie płynącym przez złącze. Czyli dla n=1 płynąć powinien jedynie prąd przewodzenia, natomiast dla n=2 tylko prąd rekombinacji. Zatem przez diodę DZG -7 przepływa jedynie prąd rekombinacji. Natomiast w dwóch pozostałych elementach dominuje prąd przewodzenia.

Wartość prądu nasycenia I_s wyliczana była na podstawie wcześniej obliczonego współczynnika doskonałości.

Następnie dokonano pomiaru charakterystyk diod w kierunku zaporowym. Z charakterystyki dla diody DZG -7 widzimy, że przy polaryzacji wstecznej płynie prąd unoszenia, którego wartość jest stała w szerokim zakresie napięć. Nie jest tu widoczne zjawisko przebicia, natomiast jest ono ukazane na charakterystyce dla diody BZP 620. I tak po przekroczeniu pewnej wartości napięcia (z wykresu nr 8 U_P = -3 [V] ) następuje efekt gwałtownego wzrostu prądu. Dla diody BAT 42 z powodu niedokładności pomiaru prądu rzędu nanoamperów na charakterystyce pojawiły się „zygzaki” wokół zera - prąd nasycenia tej diody jest bardzo mały, niezmierzalny dostępnymi przyrządami.

- 2 -

---