Wydział:
Politechniczny
Przyrządy półprzewodnikowe - laboratorium
Data
wykonania:
16.10.2007
Kierunek:
Elektronika i
Telekomunikacja
temat ćwiczenia:
Diody specjalne
Data oddania:
23.10.2007
Zespół:
3
Skład:
Mariusz Kaczmarczyk, Dominika Juszczyk, Artur
Maciejczyk Damian Hamowski
Ocena:
Podstawy teoretyczne:
Diody stabilizacyjne:
Diody stabilizacyjne pracują w zakresie rewersyjnym charakterystyki napięciowo-
prądowej w warunkach odwracalnego przebicia elektrycznego złącza p
+
-n
+
o mechanizmie
Zenera lub/i lawinowym. W takim bardzo cienkim złączu powstają warunki ostrego i
wyraźnego przebicia wyrażającego się nagłym i znacznym wzrostem prądu przy stosunkowo
niskich napięciach. Diody stabilizacyjne są wykonywane zwykle z krzemu, które są bardziej
stabilne i odporne na przebicie cieplne niż diody germanowe.
Rysunek przedstawia zakres pracy diody stabilizacyjnej(Zenera). Można na nim
zaobserwować charakterystyczne parametry i charakterystyczny przebieg prądu. Widać na
charakterystyce, że przy małych zmianach napięcia zmienia się w bardzo dużym zakresie
prąd.
Charakterystyczne parametry diod to:
°
napięcie stabilizacji - U
Z
,
°
prąd stabilizacji – Iz,
°
napięcie przewodzenia – U
F
,
przy określonym prądzie przewodzenia,
°
prąd wsteczny diody – I
R
,
przy określonym napięciu wstecznym,
°
rezystancja dynamiczna – r
Z
,
której wartość zmienia się w zależności od napięcia
stabilizacji:
∆
∆
Aby dioda spełniała swoje stabilizacyjne zadanie trzeba wyznaczyć taką rezystancję R
o
aby prąd nie spadł poniżej I
min
co spowoduje, że dioda będzie cały czas w stanie przebicia i
będzie stabilizować napięcie.
Skuteczność stabilizacji napięcia przez diodę oceniamy przy pomocy współczynnika
pulsacji napięcia na obciążeniu
∆
∆
porównując go z współczynnikiem pulsacji na źródle:
∆
Porównując te parametry otrzymujemy:
Jako, że R
z
>>r
z
można wyznaczyć parametr A i wynosi on:
Diody pojemnościowe:
JeŜeli obszar złącza diody zostanie jeszcze bardziej domieszkowany niŜ w diodzie
Zenera, to napięcie przebicia takiego złącza stanie się bliskie zeru; U
Z0
≈
0. Dioda p
++
-n
++
,
która ma większą rezystancję w kierunku przewodzenia niŜ w kierunku zaporowym jest diodą
wsteczną. Jest to zatem odwrócenie funkcji złącza - bardzo uŜyteczne w detekcji sygnałów
mikrofalowych.
Diody tunelowe są najbardziej domieszkowane (ponad 10
18
cm
-3
)
i wyróŜniają się swoją
nietypową, w kształcie litery N, charakterystyką napięciowo-prądową w kierunku
przewodzenia.
1
1
O
O
S
Z
L
pL
pS
O
O
S
Z
L
R
R
U
R
R
k
k A
R
R
U
r
R
∆
+
+
=
=
+
+
1
1
1
O
O
Z
L
O
O
Z
L
R
R
R
R
A
R
R
r
R
+
+
=
<<
+
+
Jej szczególną cechą jest zakres napięciowy o ujemnej rezystancji dynamicznej r=du
D
/di
D
, w
którym prąd maleje od wartości szczytowej I
P
(peak) do minimum lokalnego I
V
(valley) przy
wzroście napięcia od U
P
do U
V
. W tym zakresie napięć średnia wartość ujemnej rezystancji
wynosi
Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest zaobserwowanie i zobrazowanie charakterystyk napięciowych i
prądowych diod specjalnych.
Przebieg ćwiczenia:
1.
Na podstawie schematu pokazanego poniżej ściągamy charakterystykę statyczną
diody stabilizacyjnej punkt po punkcie a potem na wspólnym układzie równań(i
z
, u
z
)
narysować charakterystykę.
2.
Zmieniamy rezystor R
L
=5,1kΩ i wykreślamy charakterystyki:
a)
u
L
(u
s
)
b)
u
L
(i
L
) przy u
s
=10[V]
3.
Zmontować układ pokazany na rysunku poniżej i zaobserwować charakterystyki na
oscyloskopie.
4.
Wykreślić zależność r
z
(i
z
)
5.
Wyznaczyć charakterystyczne parametry diod takie jak: A, k
pL
, k
pS
Oscylosko
p
X
Y
1 k
22 k
5,1 k
1
24V
Wyniki pomiarów
:
1.
U[V]
I[mA]
U[V]
I[mA]
1,17
0,001
3,83
4,8
2,04
0,053
3,88
5,5
2,49
0,298
3,95
6,62
2,86
0,37
4,03
8,25
3,04
0,62
4,06
9,06
3,23
1,01
4,1
10,11
3,38
1,49
4,13
11,23
3,5
2,04
4,17
12,4
3,6
2,62
4,19
13,3
3,69
3,36
4,23
15
3,77
4,1
4,29
17,9
2.
Lp.
R
L
=5,1[kΩ]
R
L
=1[kΩ]
U
S
[v]
U
L
[mV]
U
S
[V]
U
L
[mV]
1
0,6
3,2
0,3
7,8
2
0,9
4,4
0,6
15,1
3
1,0
4,8
0,8
19,8
4
1,3
6,1
1,1
26,5
5
1,5
7,3
1,4
32,1
6
1,7
8,2
1,9
44,6
7
1,9
9,2
2,2
52,6
8
2,1
10,4
2,5
58,9
9
2,3
12,4
2,8
71,3
10
3,0
28,2
3,1
84,1
2.
R[kΩ]
IL[mA]
UL[mV]
1
3,52
82,4
5,1
1,32
28,2
22
0,92
19,5
Analiza wyników i obliczenia:
1.
Wyznaczenie charakterystyki statyczne w układzie (U
Z
, I
Z)
:
2.
Charakterystyka odczytana z ekrany oscyloskopu:
W oscyloskopie, który mieliśmy do dyspozycji możliwe było zaobserwowanie i
zapisanie na przenośnym dysku przebiegów zaobserwowanych na oscyloskopie.
Dzięki temu możliwe jest bardzo dokładne odwzorowanie charakterystyki:
0
5
10
15
20
0
1
2
3
4
5
-I
z[
m
A
]
-Uz[V]
Iz(Uz)
3.
Wyznaczenie charakterystyki (U
a)
Dla R=5,1[kΩ]
b)
Dla R=1[kΩ]
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0
5
U
s[
V
]
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0
0,02
U
s[
V
]
Wyznaczenie charakterystyki (U
L
, U
S
):
5
10
15
20
25
Ul[mV]
Us(Ul)
0,02
0,04
0,06
0,08
Ul[mV]
Us(Ul)
30
0,1
4.
Wyznaczenie charakterystyki (I
L
, U
L
):
Przy stałym napięciu Us=3V i zmienionych rezystorach 1kΩ, 5,1kΩ, 22kΩ
Na wykresie widać, że przy zwiększeniu rezystancji obciążenia zmniejsza się prąd
obciążenia.
5.
Wyznaczenie charakterystycznych parametrów A, k
pL
, k
pS
:
∆
0,7179
∆
19,5641
0,7179
19,5641
0,0366
1k
5,1k
22k
0
20
40
60
80
100
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
U
l[
m
V
]
iL[mA]
Ul(il)
6.
Wyznaczanie zależności (r
Z
, i
Z
):
Wnioski:
W
ć
wiczeniu
obserwowali
ś
my
charakterystyki
kilku
diod
stabilizacyjnych.
Zastosowanie metody oscyloskopowej pozwala na szybkie i łatwe zdejmowanie
charakterystyk jednak wad
ą
tej metody jest jej mała dokładno
ść
oraz trudno
ść
przedstawienia i opracowania wyników. Dlatego przedstawione oscylogramy oddaj
ą
rzeczywiste charakterystyki w do
ść
znacznym przybli
Ŝ
eniu. Metoda punkt po punkcie
jest bardziej pracochłonna i czasochłonna jednak pozwala na uzyskanie wyników
bardziej jednoznacznych i dokładnych.
Podczas obserwacji charakterystyk wstecznych diod o ró
Ŝ
nych napi
ę
ciach
przebicia mo
Ŝ
na zauwa
Ŝ
y
ć
łagodne zakrzywienie wykresu dla diod o niskim napi
ę
ciu
przebicia, a znacznie bardziej ostre dla diod o wy
Ŝ
szym napi
ę
ciu. Na kształt tej
cz
ęś
ci wykresu decyduj
ą
cy wpływ ma mechanizm zjawiska przebicia wyst
ę
puj
ą
cego
w zł
ą
czu. Dla napi
ęć
wy
Ŝ
szych od ok. 2,5V wyst
ę
puje zjawisko lawinowe, które
charakteryzuje si
ę
bardzo gwałtownym wzrostem pr
ą
du wstecznego powodowanego
jonizacj
ą
lawinow
ą
(w zł
ą
czach słabo domieszkowanych). Dla napi
ęć
ni
Ŝ
szych od ok.
1,5V wyst
ę
puje zjawisko Zenera, powoduj
ą
ce generacj
ę
par no
ś
ników elektron-
dziura w cienkiej warstwie zaporowej zł
ą
cza p-n. Nat
ęŜ
enie pola w takiej warstwie
mo
Ŝ
e osi
ą
gn
ąć
tak du
Ŝ
e warto
ś
ci,
Ŝ
e jest mo
Ŝ
liwe wyrwanie elektronu z wi
ą
zania
kowalencyjnego atomów w sieci krystalicznej. W zakresie napi
ęć
1,5-2,5 V oba wy
Ŝ
ej
opisane zjawiska wyst
ę
puj
ą
równocze
ś
nie.
Niestety nie mogli
ś
my zaobserwowa
ć
charakterystyki diody tunelowej. Jak si
ę
okazało dioda tunelowa b
ę
d
ą
ca w zestawie okazała si
ę
by
ć
diod
ą
spalon
ą
bo
niestety ale nie zaowocowało nam zaobserwowaniem przebiegu na ekranie
oscyloskopu.
0
.00
4.00
8
.00
12
.0
0
16
.0
0
20
.0
0
I[m
A
]
0
.00
40
.0
0
80
.0
0
1
20
.0
0
1
60
.0
0
2
00
.0
0
r[ohm
]