- 93 -

Ćwiczenie 16. Badanie diody półprzewodnikowej
i układów prostownikowych

CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się studentów z podstawowym elementem elektronicznym, jakim
jest dioda półprzewodnikowa oraz z podstawowymi układami prostowniczymi.

16.1. Dioda półprzewodnikowa i złącze p-n

Podstawowym elementem elektronicznym wykorzystującym jedno złącze p-n jest dioda
półprzewodnikowa. Złącze p-n powstaje na styku warstw półprzewodnika typu p i n. Półprzewodnik
typu n powstaje przez domieszkowanie półprzewodnika (najczęściej krzemu) pierwiastkiem o pięciu
elektronach walencyjnych (np. fosfor, arsen, antymon). Są to tzw. domieszki donorowe. W
półprzewodniku typu n zastąpienie jednego atomu krzemu przez atom domieszki powoduje, że jeden
elektron domieszki po dostarczeniu niewielkiej energii staje się elektronem swobodnie poruszającym
się w przestrzeni domieszkowanego kryształu. Półprzewodnik typu p powstaje przez domieszkowanie
półprzewodnika pierwiastkiem o trzech elektronach walencyjnych (np. bor, aluminium, gal). Są to
tzw. domieszki akceptorowe. Tego rodzaju domieszka powoduje, że wskutek braku elektronu (jedno z
wiązań jest „niekompletne”) powstaje tzw. dziura. Po dostarczeniu niewielkiej energii dziura może
zostać zapełniona przez dowolny elektron walencyjny sąsiedniego atomu. W ten sposób dziura może
przemieszczać się w krysztale półprzewodnika. W półprzewodniku typu n istnieje nadmiar elektronów
swobodnych (są one tzw. nośnikiem większościowym prądu). Analogicznie w półprzewodniku typu p
nośnikiem większościowym prądu są dziury. Należy wspomnieć, że w półprzewodniku typu n istnieje
pewna niewielka liczba dziur (są one w tym przypadku nośnikiem mniejszościowym). Podobnie w
półprzewodniku typu p nośnikiem mniejszościowym jest niewielka liczba elektronów swobodnych.
Istnienie nośników mniejszościowych wynika z przewodnictwa samoistnego półprzewodnika (tj.
przewodnictwa chemicznie czystego półprzewodnika).
Schemat złącza p-n przedstawiono na rys. 16.1. Na rys. 1 kropkami oznaczono elektrony swobodne,
a kółkami dziury (tzn. nośniki większościowe w odpowiednich obszarach półprzewodnika.

p

n

∆V

0

Rys. 16.1. Złącze p-n

Ponieważ koncentracja elektronów swobodnych jest znacznie większa w obszarze n niż ich
koncentracja w obszarze p, a koncentracja dziur jest znacznie większa w obszarze p niż ich
koncentracja w obszarze n to w chwili powstania złącza p-n elektrony zaczynają dyfundować z
obszaru n do obszaru p, a dziury z obszaru p do obszaru n. Po przejściu przez złącze ładunki
większościowe ulegają rekombinacji i w ten sposób po obu stronach granicy między obszarami
powstają ładunki objętościowe. W obszarze n powstaje ładunek dodatni (niedomiar elektronów), a w
obszarze p ładunek ujemny (niedomiar dziur). Powstała w ten sposób na złączu różnica potencjałów
hamuje ruch nośników większościowych. W stanie równowagi wypadkowe strumienie elektronów i
dziur (obejmujące zarówno ruch nośników większościowych jak i mniejszościowych) są równe zeru.

- 94 -

Jeżeli do złącza p-n przyłożone zostanie napięcie w taki sposób, że potencjał dodatni będzie
występował na warstwie p, a potencjał ujemny na warstwie n to zewnętrzne pole elektryczne obniży
barierę potencjałów i nastąpi ruch nośników większościowych w kierunku warstwy zaporowej. Prąd
ten może przyjmować znaczne wartości przy niewielkim spadku napięcia na złączu p-n. Jest to
kierunek przewodzenia złącza p-n. W przypadku przeciwnej polaryzacji napięcia zewnętrznego
zwiększa się wysokość bariery potencjału i następuje odprowadzanie nośników ze strefy złącza p-n.
Przez złącze popłynie wówczas niewielki prąd nośników mniejszościowych. Jest to kierunek
zaporowy złącza p-n.
Charakterystykę prądowo-napięciową złącza p-n (a tym samym charakterystykę diody)
przedstawiono na rys. 16.2.

I

U

U

z

Rys. 16.2. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody półprzewodnikowej

Diody półprzewodnikowe odznaczają się małym spodkiem napięcia w kierunku przewodzenia. Dla
diod krzemowych wynosi on zwykle 0,6 – 1,4 V. Natomiast dla kierunku zaporowego w diodzie
płynie niewielki prąd wsteczny (ok. kilku mikroamperów), który gwałtownie wzrasta po
przekroczeniu tzw. napięcia przebicia U

z

.

Podstawowym rodzajem diody jest dioda prostownicza (wykorzystywana. do budowy układów
prostowniczych). Inne często stosowane diody to: dioda Zenera (do budowy stabilizatorów), dioda
elektroluminescencyjna (LED) lub fotodioda. Wybrane symbole jakimi oznacza się diody na
schematach przedstawiono na rys. 16.3.

a)

b)

d)

c)

Rys. 16.3. Symbole diod: a) prostowniczej, b) Zenera, c) elektroluminescencyjnej, d) fotodiody

- 95 -

16.2. Prostowniki

Prostownik jest to układ umożliwiający przepływ prądu jednokierunkowego przez odbiornik w
sytuacji gdy źródło wytwarza napięcie przemienne. Najprostszym prostownikiem jest prostownik
jednopołówkowy, wykorzystujący jedną diodę prostowniczą. Schemat takiego prostownika wraz z
przebiegami prądu odbiornika i napięcia źródła przedstawiono na rys. 16.4.

a)

u(t)

R

0

i(t)

b)

i(t)

t

u(t)

t

Rys. 16.4. Prostownik jednopołówkowy: a) schemat ideowy, b) przebiegi napięcia źródła i prądu

odbiornika

Przy prostowaniu jednopołówkowym prąd w odbiorniku płynie tylko przez połowę okresu napięcia
zasilającego. Dla wielu zastosowań może to być niekorzystne. Nadto jego wartość średnia jest
niewielka w stosunku do wartości skutecznej napięcia źródła (przy danym odbiorniku). Lepsze efekty
daje prostowanie dwupołowkowe, w którym prąd popłynie w całym okresie napięcia zasilajacego.
Schematy ideowe prostowników dwupołowkowych wraz z przebiegiem prądu odbiornika
przedstawiono na rys. 16.5.

W wielu zastosowaniach przez odbiornik powinna płynąć tylko składowa stała. W takich
przypadkach należy zastosować filtr wygładzający. Najprostszym rodzajem filtru jest kondensator
połączony równolegle z prostownikiem. Schemat ideowy prostownika dwupołówkowego z prostym
filtrem wygładzającym przedstawiono na rys. 16.6.

W przypadku rozwiązania przedstawionego na rys. 16.6 część harmonicznych prądu płynie

przez kondensator. Dzięki temu przez odbiornik płynie prąd praktycznie stały o niewielkiej jedynie
zawartości harmonicznych (ich wartość zależy od doboru kondensatora C).

- 96 -

R

0

i(t)=i

a

(t)+i

b

(t)

D1

R

0

D1

D3

D4

D2

i

b

(t)

u(t)

i

a

(t)

D2

i(t)=i

a

(t)+i

b

(t)

i

a

(t)

i

b

(t)

i

a

(t)

i

b

(t)

u(t)

a)

b)

c)

i(t)

t

Rys. 16.5. Prostowniki dwupołówkowe: a) konwencjonalny (z dzielonym źródłem),

b) mostkowy (układ Graetza), c) przebieg prądu odbiornika

i(t)=i

a

(t)+i

b

(t)

R

0

D1

D3

D4

D2

u(t)

i

a

(t)

i

b

(t)

i

a

(t)

i

b

(t)

C

Rys. 16.6. Schemat ideowy prostownika dwupołówkowego z prostym filtrem wygładzającym.

16.3. Ćwiczenia laboratoryjne

16.3.1. Zdejmowanie charakterystyki diody w kierunku przewodzenia

1. Połącz układ według schematu z rys. 16.3.1.

2. Zdejmij charakterystykę

)

U

(

f

I

=

I = f(U) diody dla kierunku przewodzenia. Zwracaj uwagę aby

nie przekraczać wartości prądu podanej przez prowadzącego ćwiczenia.
Wyniki zanotuj w tabeli 16.1.

Tabela 16.1

Lp.

U

I

---

V

mA

- 97 -

R

D

ZS

+

V

el

mA

I

Rys. 16.3.1 Schemat układu do wyznaczania charakterystyki diody w kierunku przewodzenia.

ZS – zasilacz, V

el

– woltomierz elektroniczny, R – rezystor dekadowy, mA - miliamperomierz

16.3.2. Dioda jako prostownik jednopołówkowy

1. Połącz układ według rys. 16.3.2.

mA

At.

transformator

separacyjny

V

el

C

R

oscyloskop

Rys. 16.3.2. Schemat układu prostownika jednopołówkowego. At – autotransformator,

V

el

– woltomierz elektroniczny, R – rezystor dekadowy, C – kondensator dekadowy

mA – miliamperomierz (magnetoelektryczny)

2. Zmieniaj wartość pojemności C w zakresie podanym przez prowadzącego ćwiczenie. Zanotuj
wskazania przyrządów w tabeli 16.2. Zanotuj też amplitudę i okres przebiegu prądu obserwowanego
na ekranie oscyloskopu.

Tabela 16.2

Lp.

C

I

U

---

µF

mA

V

16.3.3. Prostownik dwupołówkowy w układzie mostkowym (Graetza)

1. Połącz układ według rys. 16.3.

2. Zmieniaj wartość pojemności C w zakresie podanym przez prowadzącego ćwiczenie. Zanotuj
wskazania przyrządów w tabeli 2. Zanotuj też amplitudę i okres przebiegu prądu obserwowanego na
ekranie oscyloskopu.

- 98 -

D1

D3

D4

D2

mA

At.

transformator

separacyjny

V

el

C

R

oscyloskop

Rys. 16.3. Schemat układu prostownika dwupołówkowego. At – autotransformator,

V

el

– woltomierz elektroniczny, R – rezystor dekadowy, C – kondensator dekadowy

mA – miliamperomierz (magnetoelektryczny)