DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE-CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi parametrami
i charakterystykami diod półprzewodnikowych. Ćwiczenie składa się z dwóch części: najpierw studenci samodzielnie badają charakterystyki diod, następnie oglądają charakterystyki diod, następnie oglądają charakterystyki diod na charakterografie.

Wykaz przyrządów:

• zasilacz stabilizowany TYP 5121 pod. UNITRA UNIMA

• woltomierz DIGITAL VOLTOMETR V544 prod. MERATRONIK

• multimetr DIGITAL MULTIMETR V560 prod. MERATRONIK

Przebieg ćwiczeń

1. Wyznaczanie charakterystyk prądowo napięciowych diod półprzewodnikowych metoda „punkt po punkcie”

Zmontować układ pomiarowy jak na rys. 1. Zastanowić się na tym, który z układów pomiarowych: poprawnie mierzonego prądu, poprawnie mierzonego napięcia jest właściwy dla zakresu zaporowego? W przypadku stosowania woltomierza o stałej i znanej rezystancji wejściowej (jak w wykazie prądu), można przy wszystkich pomiarach stosować układ dokładnie mierzonego napięcia, zaś prąd diody obliczać jako różnicę wskazań mili/mikroamperomierza i prądu wejściowego woltomierza.

Po zaakceptowaniu układu pomiarowego przez prowadzącego zajęcie przystąpić do pomiarów. Zwróć uwagę na to by nie przekroczyć wartości maksymalnych: prądu przewodzenia i napięcia wstecznego dla poszczególnych diod. Należy zbadać diody wskazane przez prowadzącego. Wartości pomiarów badanych diod podane są w końcowej części instrukcji. Pomiary należy wykonać w możliwie jak najszerszym zakresie prądów i napięć (patrz przykładowe ch-ki).

1. Oglądanie ch-yk prądowo napięciowych diod na charakterografie. Ta część ćwiczenia wykonywana jest pod bezpośrednim nadzorem prowadzącego ćwiczenia.

1. porównanie ch-yk : diody germanowej (np.AAP153) i diody krzemowej (np.BA157).

2. dioda stabilizacyjna. Na podstawie oznaczenia i typy budowy znaleźć wartości parametrów w katalogu. Jeśli to możliwe, wyznaczyć na podstawie ch-yki rezystancję dynamiczną dla zakresu stabilizacji.

3. diody stabilizacyjne BAP811, BAP812. Na jakiej zasadzie odbywa się stabilizacja napięcia w tych „diodach”?Sprawdzić zgodność parametrów katalogowych z wartościami rzeczywistymi (napięcia stabilizacji). Porównać wartości napięć przebicia, wyznaczonych na charakterografie, tych diod. Zwróć uwagę na charakterystykę diody BAP811 w zakresie małych prądów. Dlaczego ona ma taki dziwny kształt?

4. dioda stabilizacyjna wysokonapięciowa. Na podstawie oznaczenia (kolor
   i szerokość paska, typ obudowy) znależć w katalogu wartości parametrów tej diody. Sprawdź czy wartość napięcia stabilizacji wyznaczona na charakterografie zgodna jest z parametrem katalogowym. W sprawozdaniu podać przykład zastosowania diody stabilizacyjnej wysokonapięciowej.

DIODY 1,2:AAP153

napięcie wsteczne U 10V

szczytowe napięcie wsteczne U 30V

prąd przewodzenia I 50mA

szczytowy prąd przewodzenia I 50mA

napięcie przewodzenia przy I=10mA U typ.1.6V

max.2.V

prąd wsteczny przy U=30V I typ.30mA

max.100mA

DIODA 3:BYP680-300R

napięcie wsteczne maksymalne U 300V

napięcie wsteczne niepowtarzalne U 500V

prąd wyprostowany średni 5A

prąd przewodzenia szczytowy I

prąd przewodzenia niepowtarzalny 100A

napięcie przewodzenia przy I U typ.0.94V

max.1.3V

prąd wsteczny przy U I typ.3.5mA

max.50mA

DIODA 4:BYP401-100

napięcie wsteczne maksymalne U 100V

napięcie wsteczne niepowtarzalne U 200V

prąd wyprostowany średni I 1A

prąd przewodzenia szczytowy I 10A

prąd przewodzenia niepowtarzalny I 50A

napięcie przewodzenia przy I U typ.1V

max.1.1V

prąd wsteczny przy U I typ.1mA

max.5mA

DIODA 5:BZ650/EC8V2

moc całkowita P 1.2W

napięcie stabilizacji przy I=5mA U 7.7V

U 8.7V

rezystancja dynamiczna przy I=5mA r 2Ω

DIODA 6:BZP683C6V8

moc całkowita P 0.4W

napięcie stabilizacji przy I=5mA U 6.4V

U 7.2V

rezystancja dynamiczna przy I=5mA r 15Ω

Opracowanie wyników

Przy opracowywaniu danych pomiarowych zaleca się korzystanie z arkuszy kalkulacyjnych lub programów graficznych z elementami statystyki.

1. Wykreślić (wydrukować) wszystkie zmierzone charakterystyki.

2. Dla wszystkich badanych diod wyznaczyć: rezystancję szeregową Rs, prąd nasycenia Io, oraz współczynnik złącza n (współczynnik n bywa nazywany współczynnikiem doskonałości złącza, sprawności złącza, emisji). Wyznaczenie tych trzech wielkości możliwe jest na podstawie wykresu charakterystyki prądowo napięciowej diody I (U) wykonanego w następującym układzie współrzędnych: skala prądu I logarytmiczna zaś skala napięcia U liniowa (rys.2,4). W przypadku idealnego złącza (Rs=0) taki wykres byłby zbliżony do prostej (dlaczego). Rezystancja szeregowa diody powoduje odchylenie wykresu od linii prostej. Dla dużych napięć tj. dla exp(U/Ut)>>1 wpływ rezystancji Rs jest najbardziej widoczny. Dla tego zakresu można przyjąć:

I=IoEXP(U-I*Rs)/n*Ut

Wartość Io można wyznaczyć przez znalezienie punktu przecięcia ekstrapolowanego wykresu z osią prądu, zaś n będzie nachyleniem ekstrapolowanej charakterystyki. Odległość (w kierunku poziomym dla dużych prądów) wykresu rzeczywistej charakterystyki od aproksymowanej linia prosta charakterystyki dla zakresu średnich prądów, (charakterystyki dla Rs=0 jest napięciem Us na rezystancji szeregowej. Wykreślając napięcie Us w funkcji prądu diody I dla zakresu dużych prądów i aproksymując punkty pomiarowe funkcja liniowa, można wyznaczyć Rs jako nachylenie aproksymującej funkcji (rys.5). Przy dokładnych pomiarach zauważyć można, iż współczynnik n zależy od prądu diody tj. dla złącza krzemowego dla małych prądów (prąd rekombinacji) n=2, dla średnich prądów (prąd dyfuzji n=1, dla dużych prądów (duży poziom wstrzykiwania) n=2. Mimo to najczęściej aproksymuje się wyniki pomiarów równaniem ze stałą wartością współczynnika n:, n=1..2. Tym niemniej jeśli to tylko możliwe należy wyznaczyć współczynnik złącza i odpowiednie prądy „zerowe” dla każdego
z zakresów prądów (rys.4).

3. Wyznaczyć rezystancję dynamiczną diody stabilizacyjnej dla zakresu stabilizacji (rys.3).

4. W sprawozdaniu należy także skomentować oglądane na charakterografie charakterystyki.

Zadanie nadobowiązkowe

Napisać program, który na podstawie danych pomiarowych obliczać będzie parametry diod półprzewodnikowych: Rs, n, Io (problem optymalizacji i identyfikacji parametrów modelu diody).

Zalecana literatura:

1. A. Kusy „Podstawy elektroniki”

2. W. Marciniak „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone”

3. W. Marciniak „Modele elementów półprzewodników”

4. „Elementy półprzewodnikowe i układy scalone” (katalog UNITRA - CEMI)

ZASILACZ

ZASILACZ

mA

v

v

mA

---