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:

Jeżeli obszar złącza diody zostanie jeszcze bardziej domieszkowany niż 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 niż w kierunku zaporowym jest diodą
wsteczną. Jest to zatem odwrócenie funkcji złącza - bardzo użyteczne w detekcji sygnałów
mikrofalowych.

Diody tunelowe są najbardziej domieszkowane (ponad 10

18

cm

-3

)

i wyróżniają 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

ż

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

ż

nych napi

ę

ciach

przebicia mo

ż

na zauwa

ż

y

ć

łagodne zakrzywienie wykresu dla diod o niskim napi

ę

ciu

przebicia, a znacznie bardziej ostre dla diod o wy

ż

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

ż

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

ż

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

ęż

enie pola w takiej warstwie

mo

ż

e osi

ą

gn

ąć

tak du

ż

e warto

ś

ci,

ż

e jest mo

ż

liwe wyrwanie elektronu z wi

ą

zania

kowalencyjnego atomów w sieci krystalicznej. W zakresie napi

ęć

1,5-2,5 V oba wy

ż

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

]