II EE-DI 2012 29.03.2012 Rzeszów

LABORATORIUM - ELEKTRONIKA

NUMER ĆWICZENIA: 2

TEMAT ĆWICZENIA:

Diody

Damian Kielar

L2

Schemat pomiarowy:

Pomiar charakterystyk prądowo-napięciowych badanych diod

Napięcie progowe:

Napięcie progowe to takie napięcie po przekroczeniu którego w kierunku przewodzenia gwałtownie wzrasta prąd w diodzie, zaś w kierunku zaporowym wzrasta szybko prąd wsteczny co powoduje trwałe uszkodzenie diody.

Napięcie progowe można wyznaczyć z charakterystyki prądowo-napięciowej diody rysując styczną do wykresu.

Badanie poszczególnych diod

Używane przyrządy pomiarowe

1. Zasilacz – Unitra ZS TYP 5121

2. Woltomierz – Metex MS-9150(Digital multimetr)

3. miliamperomierz – Agilent 33405A

Do badania diod należy zastosować następujące schematy:

Jeżeli badamy diodę w kierunku przewodzenia lepiej nadaje się układ poprawnie mierzonego napięcia. Stosuje się ten układ ze względu na małą rezystancję szeregową w kierunku przewodzenia w stosunku do rezystancji wewnętrznej woltomierza. Prąd płynący przez woltomierz jest pomijalnie mały, dlatego wskazanie amperomierza jest prawie równe prądowi przepływającemu przez diodę.

Jeżeli badamy diodę w kierunku zaporowym lepiej nadaje się układ poprawnie mierzonego prądu. Stosuje się ten układ ze względu na dużą rezystancję szeregową w kierunku zaporowym w stosunku do rezystancji wewnętrznej amperomierza. Spadek napięcia na amperomierzu jest pomijalnie mały, dlatego wskazanie woltomierza jest prawie równe napięciu odłożonemu na diodzie.

Dioda Schottky’ego

Dioda Schottky'ego - dioda półprzewodnikowa, w której w miejsce złącza p-nzastosowano złącze metal-półprzewodnik. Charakteryzuje się małą pojemnością złącza, dzięki czemu typowy czas przełączania wynosi tylko około 100 ps. Diody te znajdują zastosowanie w układach działających przy dużej częstotliwości. Diody Schottky'ego mają również mniejszy spadek napięcia w kierunku przewodzenia (UF = 0,3 V) niż diody krzemowe(UF = 0,6-0,7 V). Zwykle maksymalne napięcie wsteczne jest niewielkie i nie przekracza 100 V.

Symbol:

Parametry diody CE IN5821

U_R = 20V I_F = 800mA

Tabela pomiarowa:

Lp.	IF	UF	Lp.	IR	UR
	[mA]	[V]		[mA]	[V]
1.	0,07	0,1	1.	2,2	1
2.	1,9	0,2	2.	2,8	3
3.	4,34	0,25	3.	3,4	5
4.	50	0,33	4.	4	7
5.	90	0,38	5.	4,6	9
6.	200	0,4	6.	5,1	11
7.	300	0,43	7.	5,8	13
8.	400	0,5	8.	6,3	15
9.	600	0,55	9.	7	17
10.	700	0,6	10.	7,2	18

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Schottky’ego w kierunku przewodzenia:

U_p=0,38[V]

Charakterystyka prądowo-napięciowa w kierunku zaporowym:

Wyznaczenie rezystancji szeregowej, prądu zerowego i współczynnika złącza:

współczynnika złącza;

gdzie:

I₀ – to prąd zerowy złącza wyznaczony jako przedłużenie wykresu (w skali log-lin) z osią prądu

R_S – rezystancja szeregowa diody wyznaczona jako różnica napięć idealnej charakterystyki do prądu płynącego przez diodę lub nachylenie charakterystyki I_F(U_RS)

U_RS – spadek napięcia na rezystancji R_S

η – współczynnik złącza jako nachylenie wykresu (w skali log-lin)

U_T – potencjał termodynamiczny

Charakterystyka logarytmiczno-liniowa diody Schottky’ego

Napięcie na rezystancji R_S jest różnicą napięć U_F , U_P.

U_P= 0,38[V]

U_RS = U_F - U_P

IF	URS
[mA]	[V]
0	-0,38
0,07	-0,28
1,9	-0,18
4,34	-0,13
50	-0,05
90	0
200	0,02
300	0,05
400	0,12
600	0,17
700	0,22

Rezystancje wyznaczymy jako przyrosty napięć i prądów

$$R_{s} = \frac{U_{\text{RS}}}{I} = \frac{0,02}{90 \bullet 10^{- 3}} = 2,22\ \lbrack\Omega\rbrack$$

Współczynnik złącza wyznaczymy ze wzoru

$$\eta = \frac{U - U_{\text{RS}}}{U_{T} \bullet ln\frac{I_{F}}{I_{0}}} = \frac{0,4 - 0,02}{0,025 \bullet \ln\frac{200}{1}} = 2,87$$

Rezystancja statyczna i różniczkowa dla 3 różnych prądów

IF [mA]	Rs [Ω]	RF [Ω]
90	4,22	0,78
200	2	0,36
400	1,25	0,18

$$R_{s} = \frac{U}{I_{F}}$$

$$R_{F} = \frac{\eta \bullet U_{T}}{I_{F}}$$

Dioda LED: niebieska

Diody elektroluminescencyjne jako przyrządy półprzewodnikowe bezpośrednio zamieniają energię na promieniowanie świetlne. Przykładem oszczędności oświetleń na diodach LED może być to, że w przypadku strumieni o kolorze zielonym, czerwonym lub żółtym można uzyskać nawet dziesięciokrotnie mniejsze zużycie energii niż w przypadku zwykłych oświetleń.

Diody LED cechują się tym, że pracują niezawodnie w ciężkich warunkach atmosferycznych i są o wiele bardziej odporne na uszkodzenia mechaniczne. Doskonale sprawdzają się w zakresie temperatur dochodzących od -30 C do 65 C. Pokrywane są specjalną warstwą farby która chroni je przed takimi czynnikami jak woda, wstrząsy oraz wibracje. Do zalet zaliczany jest fakt, że dioda LED nie wydziela ciepła, a ich temperatura minimalnie przekracza temperaturę otoczenia.

Działanie diody elektroluminescencyjnej (LED) opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku. Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony przechodząc z wyższego poziomu energetycznego na niższy zachowują swój pseudo-pęd. Jest to tzw. przejście proste. Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju dominują w półprzewodnikach z prostym układem pasmowym, w którym minimum pasma przewodnictwa i wierzchołkowi pasma walencyjnego odpowiada ta sama wartość pędu.

Barwa światła emitowanego przez diodę LED zależy od rodzaju materiału z jakiego jest wykonana (półprzewodnika) oraz od technologii wykonania. Diody o barwie czerwonej i zielonej wykonane są z fosforku galu (GaP), a diody świecące na czerwono, pomarańczowo i żółto wykonuje się z arsenofosforku galu (GaAsP). Do wyrobu diod świecących w paśmie światła widzialnego używa się również fosforku galowo-indowego (InGaP) i arsenku glinowo-galowego(AlGaAs). Diody świecące światłem podczerwonym robi się z arsenku galu (GaAs) domieszkowanego cynkiem (Zn) i krzemem (SI).

Materiał	Barwa promieniowania
GaAs GaP GaAs1-xPx AlxGa1-xAs	podczerwień czerwna, zielona, żółta czerwona, pomarańczowa, zółta czerwona, podczerwień

Odmiany i zastosowania diod LED:

IR – emitujące promieniowanie podczerwone – wykorzystywane w łączach światłowodowych, a także w urządzeniach zdalnego sterowania

HBLED, High Brightness LED – diody o wysokiej jasności świecenia; za takie uważa się, których jasność przekracza 0.2 cd; znajdują one zastosowanie w miejscach, gdzie zwykle używa się tradycyjnych źródeł światła – w sygnalizacji ulicznej, w oświetleniu pojazdów, w latarkach

tricolor LED – dioda mająca struktury do generowania trzech podstawowych barw (czerwony, zielony, niebieski), a co za tym idzie, przez możliwość ich mieszania, praktycznie dowolnej barwy

warmwhite LED – dioda LED generująca światło bardzo zbliżone do światła żarówki (temperatura barwy 3500 K, odpowiednio dobrana jaskrawość)

Tabela pomiarowa:

Lp.	IF	UF	Lp.	IR	UR
	[mA]	[V]		[mA]	[V]
1.	0,02	2,43	1.	0,001	0,5
2.	0,05	2,48	2.	0,001	1
3.	0,1	2,51	3.	0,002	1,5
4.	0,5	2,7	4.	0,002	2
5.	1	2,8	5.	0,002	2,5
6.	2	3	6.	0,003	3
7.	4	3,2	7.	0,003	3,5
8.	6	3,4	8.	0,003	4
9.	8	3,5	9.	0,003	4,5
10.	10	3,7	10.	0,004	5

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody LED w kierunku przewodzenia

U_p = 2,5 [V]

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody LED w kierunku zaporowym

Charakterystyka logarytmiczno-liniowa

Napięcie na rezystancji szeregowej:

U_RS = U_F − U_p

IF	URS
[mA]	[V]
0,02	-0,07
0,05	-0,02
0,1	0,01
0,5	0,2
1	0,3
2	0,5
4	0,7
6	0,9
8	1
10	1,2

Rezystancje wyznaczymy jako przyrosty napięć i prądów

$$R_{s} = \frac{U_{\text{RS}}}{I} = \frac{0,2}{1 \bullet 10^{- 3}} = 200\ \lbrack\Omega\rbrack$$

Współczynnik złącza wyznaczymy ze wzoru

$$\eta = \frac{U - U_{\text{RS}}}{U_{T} \bullet ln\frac{I_{F}}{I_{0}}} = \frac{3,7 - 2,5}{0,025 \bullet \ln\frac{10}{0,01}} = 6,95$$

Rezystancja statyczna i różniczkowa dla 3 różnych prądów

IF [mA]	Rs [Ω]	RF [Ω]
1	2800	173,8
4	800	43,4
10	370	17,4

$$R_{s} = \frac{U}{I_{F}}$$

$$R_{F} = \frac{\eta \bullet U_{T}}{I_{F}}$$

Dioda Zenera:

Diody stabilizacyjne (Zenera) są to diody przeznaczone do stabilizacji lub ograniczania napięć. Istnieją diody stabilizujące prąd i są nazywane polowymi ogranicznikami prądu (działają na innej zasadzie). Diody stabilizacyjne pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym, charakteryzując się niewielkimi zmianami napięcia pod wpływem dużych zmian prądu. Wykorzystują one zjawisko Zenera bądź lawinowe. Diody te zbudowane są z krzemu.

Typowy obszar pracy tych diod znajduje się na odcinku charakterystyki prądowo-napięciowej, odpowiadającym gwałtownemu wzrostowi prądu wstecznego wskutek zjawiska przebicia Zenera lub (i) przebicia lawinowego. Oba wymienione mechanizmy przebicia charakteryzują się następującymi właściwościami:

· przebicie Zenera występuje w złączach silnie domieszkowanych przy napięciach do 5V;
· przebicie lawinowe występuje w złączach słabo domieszkowanych przy napięciach ponad 7V;
· przebicie Zenera i lawinowe występują w złączach o średniej koncentracji domieszek przy napięciach 5...7V;
· temperaturowy współczynnik napięcia przy przebiciu Zenera ma znak ujemny;
· temperaturowy współczynnik napięcia przy przebiciu lawinowym ma znak dodatni.

 

Parametry diod stabilizacyjnych:

a) napięcie stabilizacji – UZ
b) prąd stabilizacji – IZ
c) napięcie przewodzenia – UF, przy określonym prądzie przewodzenia
d) prąd wsteczny diody – IR, przy określonym napięciu wstecznym
e) rezystancja dynamiczna – rZ, której wartość zmienia się w zależności od napięcia stabilizacji
f) temperaturowy wsółczynnik napięcia stabilizacji - aUz.

Do parametrów dopuszczalnych zaliczamy: maksymalną moc strat – Ptot i maksymalny prąd przewodzenia – I0.

Tabela pomiarowa diody Zenera do stabilizatora:

Lp.	UR	IR
	[V]	[A]
1.	1	0
2.	2	0
3.	2,5	0
4.	3	0,00003
5.	4	0,0002
6.	4,5	0,00067
7.	4,7	0,0014
8.	5	0,013
9.	5,1	0,031
10.	5,15	0,048

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera w kierunku zaporowym:

U_Z= 4,7 V

Charakterystyka logarytmiczno-liniowa:

Zaprojektowanie stabilizatora parametrycznego

Parametry użytej diody:

P = 0,3 W U_Z = 5,15 V

$I_{\text{ZMAX}} = \frac{P_{Z}}{U_{Z}} = \frac{0,3}{5,15} = 0,058 = 58\ mA$

Parametry rezystora R

R=75,8 Ω P=0,25 W

Parametry do stabilizatora:

P_odb = 250 mW

U_we = I × R + U_Z = 0, 057 × 75, 8 + 5, 15 = 9, 5 V

$I_{\text{WYMAX}} = \frac{P_{R}}{U_{\text{WE}}} = \frac{0,25}{9,5} = 0,026\text{\ A}$ Iwy = 0÷26mA

$$R_{0} = \frac{U_{\text{WE}}}{I_{\text{WYMAX}}} = \frac{9,5}{0,026} \cong 365\ \mathrm{\Omega}$$

Do pomiarów wykorzystaliśmy rezystor o wartości 340 Ω

Tabela pomiarowa stabilizatora:

Stan jałowy Maksymalny prąd Połowa I_{MAX R=805 Ω}

UWE UWY [V] [V] 1 1 2 2 3 3 4 4 5 4,8 6 5 7 5,07 8 5,12 9 5,16		UWY IWY [V] [mA] 0,5 1,25 1 2,5 2 5,1 3 7,5 4 10 5 12,5 6 14,6 7 15,35 8 15,5 R=340 Ω				UWY IWY [V] [mA] 0,5 0,6 1 1,1 2 2,3 3 3,4 4 4,5 5 5,6 6 6,15 7 6,25 8 6,3

W stanie jałowym zaciski wyjściowe są rozwarte, by uzyskać połowę maksymalnego prądu obciążenie, użyliśmy rezystora o wartości 805 Ω, a dla maksymalnego prądu obciążyliśmy układ rezystorem 340 Ω.

Charakterystyka przejściowa stabilizatora parametrycznego:

-dla stanu jałowego

Współczynnik stabilizacji

$$S_{U} = \frac{\Delta U_{\text{wy}}}{\Delta U_{\text{we}}}$$

Stan jałowy

Uwe	Uwy	Su
[V]	[V]
7	5,07	0,72
8	5,12	0,64
9	5,16	0,57

Charakterystyki wyjściowe stabilizatora parametrycznego:

Porównanie charakterystyk prądowo-napięciowych diod w kierunku zaporowym:

Zmierzone charakterystyki diod w kierunku przewodzenia na jednym wykresie:

Wykresy rezystancji szeregowej diod

Jakie są stosowane prawidłowości i zasady oznaczania diod półprzewodnikowych przez czołowych producentów.

Oznaczenie elementu półprzewodnikowego składa się z dwóch części: literowej i numerowej. Część literowa ma dwie litery.

Pierwsza litera określa materiał, z jakiego wykonano element:
A - materiał o szerokości pasma zabronionego 0,6-1,0 eV (np. Ge);
B - materiał o szerokości pasma zabronionego 1,0-1,3 eV (np. Si);
C - materiał o szerokości pasma zabronionego większej niż 1,3 eV (np. GaAs);
D - materiał o szerokości pasma zabronionego mniejszej niż 0,6 eV (np. InSb);
R - inne materiały.

Druga litera określa rodzaj elementu półprzewodnikowego:
A - diody detekcyjne, mieszające i szybko przełączające;
B - diody o zmiennej pojemności;
C - tranzystory małej mocy, małej częstotliwości;
D - tranzystory dużej mocy, małej częstotliwości;
E - diody tunelowe;
F - tranzystory małej mocy, wielkiej częstotliwości;
G - elementy powielające złożone z rożnych struktur;
H - czujniki Halla (sondy do pomiaru natężenia pola magnetycznego);
K - generatory Halla o otwartym obwodzie magnetycznym;
L - tranzystory mocy, wielkiej częstotliwości;
M - generatory Halla o zamkniętym obwodzie magnetycznym (np. modulatory);
P - elementy czułe na promieniowanie (np. fotodiody);
Q - elementy promieniujące (np. diody luminescencyjne);
R - tyrystory małej mocy;
S - tranzystory impulsowe małej mocy;
T - tyrystory mocy;
U - tranzystory impulsowe mocy;
Y - diody prostownicze;
X - diody powielające;
Z - diody stabilizacyjne (diody Zenera).

Część numerowa zawiera jedną literę i trzy cyfry lub dwie litery i dwie cyfry. Część ta określa grupę oraz konkretny typ elementu w danej grupie, zawiera informację o przeznaczeniu i wytwórcy elementu, a w niektórych przypadkach także o wartościach niektórych parametrów elementu. Ma ona następującą budowę:
P + 3 cyfry - dla elementów do zastosowań powszechnego użytku;
YP + 2 cyfry - dla elementów do zastosowań profesjonalnych;
AP + 2 cyfry - dla elementów do zastosowań specjalnych.

Dla elementów profesjonalnych można zamiast litery Y stosować litery Z, X, W itd., a dla elementów specjalnych zamiast litry A dalsze litery B, C, D itd. Litera P jest umownym znakiem wytwórcy (Naukowo-Produkcyjne Centrum Półprzewodników) i często nie występuje w oznaczeniu.

Oznaczenia diod stabilizacyjnych, diod prostowniczych i tyrystorów zawierają ponadto dodatkowe symbole informujące o wartościach niektórych parametrów:

Dla diod stablizacyjnych litera (często poprzedzona znakiem minus) określa tolerancje napięcia stabilizacji:
A - 1%
B - 2%
C - 5%
D - 10%
E - 15%
Po tej literze następują cyfry określające wartość znamionowego napięcia stabilizacji w woltach. Literę V stosuje się zamiast przecinka, jeżeli napięcie stabilizacji jest liczbą ułamkową. Gdy dioda ma polaryzację odwrotną (obudowa połączona z anodą), to na końcu występuje litera R. Polaryzacji normalnej (obudowa połączona z katodą) nie oznacza się.

Dla diod prostowniczych i tyrystorów cyfry (poprzedzone znakiem minus, odstępem lub ukośnikiem) określają maksymalną wartość impulsowego napięcia wstecznego w woltach. Litera R oznacza również polaryzację odwrotną.

Wnioski

Dioda Schottky'ego to dioda półprzewodnikowa, w której w miejsce złącza p-nzastosowano złącze metal-półprzewodnik. Charakteryzuje się małą pojemnością złącza, dzięki czemu typowy czas przełączania wynosi tylko około 100 ps. Diody te znajdują zastosowanie w układach działających przy dużej częstotliwości.

Diody elektroluminescencyjne jako przyrządy półprzewodnikowe bezpośrednio zamieniają energię na promieniowanie świetlne.Diody LED cechują się tym, że pracują niezawodnie w ciężkich warunkach atmosferycznych i są o wiele bardziej odporne na uszkodzenia mechaniczne. Doskonale sprawdzają się w zakresie temperatur dochodzących od -30 C do 65 C.

Diody stabilizacyjne (Zenera) są to diody przeznaczone do stabilizacji lub ograniczania napięć. Diody stabilizacyjne pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym, charakteryzując się niewielkimi zmianami napięcia pod wpływem dużych zmian prądu. Wykorzystują one zjawisko Zenera bądź lawinowe. Diody te zbudowane są z krzemu.

Napięcie progowe diod zależy od ich rodzaju.

Charakterystyki stabilizatora pokazują nam, że przy zwieraniu prądu obciążenia musi być zapewnione także większe napięcie na wejściu aby wyjściowe napięcie miało żądaną wartość i było stabilizowane, ma to znaczny wpływ z poprawną pracą stabilizatora a także na jego sprawność.