POLITECHNIKA RZESZOWSKA 2012-03-01 Katedra Podstaw Elektroniki

1

DIODY cz.1

(prostownicze, Schottky'ego, LED)

Celem ćwiczenia jest pomiar charakterystyk prądowo-napięciowych podstawowych rodzajów

diod półprzewodnikowych i wyznaczenie ich wybranych parametrów oraz badanie właściwości
prostowników półokresowych.

A) Zadania do samodzielnego opracowania przed zajęciami:

 zapoznać się z teoretycznymi podstawami działania diod półprzewodnikowych,

 zapoznać się z danymi katalogowymi badanych diod np.:

http://www.datasheetcatalog.org
www.elenota.pl
http://unitrel.pl/index.php?go=2&tech=1&id=10&find=0&folder=dane/diody&wyb=diody

 opracować schematy pomiarowe i wstępne formy protokołu,
 zaprojektować układ do badania prostownika półokresowego (jednopołówkowego).

B) Pomiary

Uwagi wstępne:

 Przed przystąpieniem do pomiarów ustalić i uzgodnić z prowadzącym dopuszczalne zakresy

pomiaru charakterystyk poszczególnych diod.

 Bezwzględnie przestrzegać bezpiecznych warunków pomiarów uwzględniając parametry

dopuszczalne diod w obu kierunkach.

 Pamiętać o właściwym doborze układów: poprawnie mierzonego napięcia lub poprawnie

mierzonego prądu w zależności od kierunku pracy diody.

 Każda z mierzonych charakterystyk powinna zawierać co najmniej 10 punktów

pomiarowych. Pomiary wykonać w możliwie dużym, ale bezpiecznym zakresie zmian
prądów i napięć.

1. Zmierzyć charakterystyki I

F

=f(U

F

) dla diody prostowniczej (krzemowej i germanowej),

Schottky'ego oraz kilku diod LED o różnej barwie świecenia (rys. 1). Pomiarów dokonać w co
najmniej dziesięciu punktach pomiarowych powyżej doświadczalnie wyznaczonego napięcia
progowego.

2.

Zmierzyć charakterystyki I

R

=f(U

R

) dla diod z pkt.1.

3.

Wykorzystując uniwersalna płytkę pomiarową zbudować prostownik półokresowy. Jako źródło
napięcia zmiennego zastosować generator funkcyjny, a rezystor dekadowy jako obciążenie.
Wyznaczyć i dobrać bezpieczne wartości napięcia zasilania i rezystancji obciążenia.
REZYSTANCJA OBCIĄŻENIA NIE MOŻE BYĆ MNIEJSZA OD 50 Ω!!

4.

Za pomocą oscyloskopu dokonać obserwacji i pomiaru przebiegów napięć i prądów w
prostowniku półokresowym z obciążeniem rezystancyjnym dla różnych diod prostowniczych.

5. Za pomocą oscyloskopu dwukanałowego dokonać obserwacji i pomiaru przebiegów napięcia

wejściowego i prądu (uzasadnić jak tego dokonać) w prostowniku półokresowym z wybraną
dioda prostowniczą i obciążeniem rezystancyjnym. Pomiarów dokonać dla pięciu wartości
napięcia U

we

(f=const, R

obc

=const). Woltomierzem napięcia zmiennego dokonać pomiaru

napięcia na rezystorze. Na tej podstawie wyliczyć wartość prądu.

6. Przy jakiej częstotliwości zaczyna być widoczny wpływ pojemności diody.
7. Pomiary z pkt. 5. i 6 powtórzyć dla innych diod półprzewodnikowych dla tych samych trzech

wartości napięcia U

we

co poprzednio.

POLITECHNIKA RZESZOWSKA 2012-03-01 Katedra Podstaw Elektroniki

2

A

V

A

Zasilacz

stabilizowany

Badana dioda

Rezystor

dekadowy

Rys. 1. Proponowany układ pomiarowy do badania diod w kierunku przewodzenia lub zaporowym. W
zależności od kierunku pracy diody zastosować układ poprawnie mierzonego prądu lub napięcia. Rezystor
dekadowy należy zastosować w uzasadnionych przypadkach.

C)

Opracowanie i analiza wyników

1. Narysować zmierzone charakterystyki diod w kierunku przewodzenia na jednym wykresie.

Punkty pomiarowe powinny być uwidocznione na charakterystykach. Charakterystyki
narysować w liniowej i logarytmicznej skali dla prądu.

2. Jak się definiuje i jakie są sposoby doświadczalnego wyznaczania napięcia progowego. Jakie

zasady stosują producenci?

3. Wyznaczyć napięcie progowe U

t

dla badanych diod. Jakie istnieją prawidłowości?

4. Jaka relacja występuje pomiędzy napięciem progowym, a barwą świecenia diod LED? Jakie są

uzasadnienia teoretyczne?

5. Dla wszystkich badanych diod wyznaczyć: rezystancję szeregową R

S

, prąd nasycenia I

0

oraz

współczynnik złącza



dla wybranego punktu pracy.

Wyznaczenie tych trzech wielkości możliwe jest na podstawie wykresu I(U) w skali logarytmiczno (I)
liniowej (U). W przypadku idealnego złącza (R

S

= 0), taki wykres byłby zbliżony do prostej.

Rezystancja szeregowa diody powoduje odchylenie wykresu od linii prostej. Dla dużych napięć tj. dla
exp(U/U

T

)

1 wpływ rezystancji R

S

jest najbardziej widoczny. Dla tego zakresu można przyjąć:











 



T

S

U

IR

U

I

I



exp

0

.

Wartość I

0

można wyznaczyć przez znalezienie punktu przecięcia ekstrapolowanego wykresu z osią

prądu, zaś



będzie nachyleniem ekstrapolowanej charakterystyki. Odległość (w kierunku poziomym

dla dużych prądów) wykresu rzeczywistej charakterystyki od aproksymowanej linią prostą
charakterystyki dla zakresu średnich prądów (charakterystyki dla R

S

= 0), jest napięciem U

S

na

rezystancji szeregowej. Wykreślając napięcie U

S

w funkcji prądu diody I

F

dla zakresu dużych prądów i

aproksymując punkty pomiarowe funkcją liniową, można wyznaczyć R

S

jako nachylenie

aproksymującej funkcji. Przy dokładnych pomiarach można zauważyć, iż współczynnik



zależy od

prądu diody tj. dla złącza krzemowego dla małych prądów (prąd rekombinacji)



=2, dla średnich

prądów (prąd dyfuzji



=1, dla dużych prądów (duży poziom wstrzykiwania)



=2. Należy wyznaczyć

współczynnik złącza i odpowiednie prądy „zerowe” dla każdego z zakresów prądu I

F

.

6. Dla trzech wartości prądu I

F

dla każdej z diod, wyznaczyć rezystancję statyczną i różniczkową

r

r

 U

F

/

I

F

, gdzie

U

F

i

I

F

to odpowiednio małe przyrosty napięcia i prądu. Na podstawie

przybliżonego wzoru teoretycznego obliczyć r

r

 U

T

/I

F

dla tych samych prądów co

poprzednio. Wartość



dobrać w zależności od zakresu prądu. Porównać uzyskane wyniki.

Zaproponować optymalny (uśredniony) schemat zastępczy w kierunku przewodzenia.

7. Zmierzone charakterystyki diod w kierunku zaporowym narysować na jednym wykresie.
8. Porównać obliczone parametry diod z danymi katalogowymi.
9. Jakie są stosowane prawidłowości i zasady oznaczania diod półprzewodnikowych przez

czołowych producentów.

10. Jakie są aktualne główne osiągnięcia i kierunki rozwoju technologii diod LED (uwzględnić

diody IR, niebieskie i białe).

POLITECHNIKA RZESZOWSKA 2012-03-01 Katedra Podstaw Elektroniki

3

11. Dokonać analizy porównawczej diod germanowych, krzemowych i Schottky'ego,

uwzględniając zalety, wady, ograniczenia, zastosowanie itp.

12. Dla prostownika półokresowego wyznaczyć:

a) wartość skuteczną napięcia wejściowego (zasilającego) i wyjściowego (na obciążeniu) oraz
prądu we wszystkich pomiarach.
b) wyznaczyć P

obc

i P

we

we wszystkich przypadkach. Jaka jest sprawność układu?

c) wyznaczyć zależność P

obc

=f(f). Czy sprawność układu zależy od częstotliwości?

d) przedstawić i skomentować zaobserwowane prawidłowości w badanym prostowniku.

13. Czy woltomierz i miliamperomierz cyfrowy może być zastosowany do pomiarów

w prostowniku półokresowym. Jakie będą wskazania?

14. W sprawozdaniu umieścić własne wnioski i spostrzeżenia.

D) Dodatek

1. Złącze p-n – dioda.

Złącze p-n, jest to struktura półprzewodnika monokrystalicznego utworzonego przez dwie

graniczące ze sobą warstwy typu p i typu n. Wskutek ich „połączenia” zachodzi dyfuzyjny
przepływu nośników prądu wywołanego gradientami koncentracji w obszarze granicznym warstw.
Po obu stronach złącza tworzą się nieskompensowane ładunki nieruchomych centrów donorowych
i akceptorowych. Powstaje warstwa dipolowa ładunku, wytwarzająca pole elektryczne
przeciwdziałające dalszej dyfuzji nośników większościowych. Nazywamy ją warstwą zaporową
lub warstwą zubożoną, a napięcie wytworzone w obszarze granicznym złącza nosi nazwę bariery
potencjału lub napięcia dyfuzyjnego. Napięcie dyfuzyjne powoduje unoszenie elektronów i dziur
w kierunkach przeciwnych do ich dyfuzji. W ten sposób powstają dwa strumienie prądu unoszenia
nośników mniejszościowych J

pu

, J

nu

, skierowane przeciwnie do dwu strumieni prądu dyfuzji J

pd

, J

nd

,

nośników większościowych.

1) Polaryzacja w kierunku zaporowym (Rys. 2a) – polaryzacja zewnętrzna zgodna z

biegunowością napięcia dyfuzyjnego – bariera potencjału zwiększa się o wartość napięcia
zewnętrznego. Większej wartości bariery potencjału odpowiada większa wartość ładunku
przestrzennego, wzrasta szerokość warstwy zaporowej. Maleje prawdopodobieństwo przejścia
nośników większościowych, maleją składowe dyfuzyjne prądów elektronów i dziur. Nie zmieniają
się składowe prądu unoszenia nośników mniejszościowych. W kierunku zaporowym płynie przez
złącze niewielki prąd nasycenia.

n

a) p −

−

U

D

+U

+

J

nu

J

pu

J

U

+

U

D

-U

n

b) p

−

−

+

J

nu

J

pu

J

d

-J

u

+

J

pd

J

nd

c)

I

u

U

F

I

F

I

R

U

Rys. 2. Przepływ prądu w złączu p-n spolaryzowanym: a) zaporowo, b) w kierunku przewodzenia.
c) Charakterystyka prądowo-napięciowa, gdzie U

D

– napięcie dyfuzyjne; U – napięcie zewnętrzne, U

F

–

napięcie w kierunku przewodzenia, U

R

– napięcie w kierunku zaporowym.

2) Polaryzacja w kierunku przewodzenia (Rys. 2b) – polaryzacja zewnętrzna przeciwna w

stosunku do biegunowości napięcia dyfuzyjnego – bariera potencjału maleje. Mniejsza wartość
bariery potencjału to mniejsza wartość ładunku przestrzennego. Rośnie wtedy prawdopodobieństwo
przejścia nośników większościowych ponad barierą i wzrastają składowe prądów dyfuzji. Składowe
prądu unoszenia nośników mniejszościowych pozostają na niezmienionym poziomie. Prąd dyfuzji
nośników większościowych zdecydowanie przeważa nad prądem unoszenia nośników
mniejszościowych i przez diodę może przepływać duży prąd ograniczony właściwościami
termicznymi diody.

POLITECHNIKA RZESZOWSKA 2012-03-01 Katedra Podstaw Elektroniki

4

Złącze idealne

R

S

U

U-IR

S

+

−

IR

S

IR

S

U

F

I

F

U

U-IR

S

0.6

0.4

0.2

10

-11

10

-9

10

-7

10

-5

U

F

[V]

I

F

[A]

Si

0.8

1.0

10

-3

10

-1

Zakres dużych prądów

z wpływem R

S

Nachylenie ~ 1/ (2U

T

)

Nachylenie ~ 1/U

T

Nachylenie 1/(2U

T

)

IR

S

Rys. 3. Odstępstwa przebiegu charakterystyki złącza rzeczywistego w stosunku do idealnego (kierunek
przewodzenia). Wpływ rezystancji szeregowej, dużego wstrzykiwania nośników oraz zjawiska
generacji/rekombinacji. Skala liniowa, logarytmiczna, schemat zastępczy z R

S

.

2. Diody prostownicze.

Diody te przeznaczone są do „prostowania” prądu przemiennego. Bardzo często jest to

prostowanie prądu o częstotliwości 50Hz z sieci energetycznej. W tym przypadku stosowane są
diody krzemowe o dużych powierzchniach złącza. Pozwala to na przepływ prądów o znacznych
wartościach (1A−100A). Efekty wynikające z istnienia pojemności wewnętrznych (nawet przy
zastosowaniach w przetwornicach napięcia pozwalających na uzyskiwanie podwyższonych napięć
stałych pracujących przy częstotliwościach rzędu kilku kHz ) są pomijalne.

Wyróżniamy dwie grupy parametrów diod:

1) Podstawowe parametry charakterystyczne:
I

0

− dopuszczalny średni prąd przewodzenia − traktowany jako prąd znamionowy (typowo

1−100A),

U

F

− napięcie przewodzenia przy określonym prądzie przewodzenia I

F

, najczęściej przy

maksymalnym średnim prądzie wyprostowanym I

0

(typowo 0,5−1,5V),

I

R

− prąd wsteczny, zazwyczaj podawany dla szczytowego napięcia w kierunku zaporowym, U

RSM

(<10nA).

2) Podstawowe parametry dopuszczalne:
U

RWM

− szczytowe napięcie wsteczne pracy; dopuszczalne napięcie pracy diody − przed

przebiciem, (50V−2kV),

U

RSM

− niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne; bliskie napięciu przebicia (typowo 1,2−1,4

U

RWM

),

I

FRM

− powtarzalny impulsowy prąd maksymalny (zwykle I

FRM

~5−10 I

0

),

I

FSM

− niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia (impuls 10ms i jeśli nie „odpocznie” − może

być kiepsko),

P

TOT

− dopuszczalna moc tracona w elemencie (typowo 1−100W). UWAGA: o możliwości pracy

diody (lub jakiegokolwiek innego elementu) w danych warunkach decyduje nie tylko
dopuszczalne napięcie i prąd, ale również iloczyn prądu i napięcia w danym punkcie pracy,
czyli wydzielana w danych warunkach moc admisyjna. Wydzielana moc powoduje bowiem
zazwyczaj wzrost temperatury elementu. W związku z tym zmianie ulegają dopuszczalne w
nowych warunkach pracy wartości prądów i napięć.

T

j

− maksymalna temperatura złącza (typowo rzędu 140−175°C), musi leżeć z dala od zakresu

generacji termicznej nośników samoistnych;

R

th

− rezystancja cieplna w określonych warunkach pracy.

P

TOT

= (T

j

− T

a

)/R

th

POLITECHNIKA RZESZOWSKA 2012-03-01 Katedra Podstaw Elektroniki

5

I

R

U

F

I

F

I

0

U

F

(I

0

)

Punkt pracy
diody

U

RWM

U

RS

Rys. 4. Parametry charakterystyczne diody (rozmaitość stosowanych oznaczeń b. duża).

3. Diody Schottky’ego.

Diody Schottky’ego są to diody o złączu metal-półprzewodnik, na których powstaje także

potencjał dyfuzyjny na skutek różnych wartości pracy wyjścia elektronów z półprzewodnika i
metalu. Warstwę zaporową odkrył w 1874 roku F. Braun, a teoretyczne podstawy zjawisk
zachodzących w złączu podał w 1939 roku Schottky. Dioda tego typu nie wykazuje efektu
bezwładnościowego przy przełączeniu w kierunku przewodzenia na kierunek zaporowy. Dlatego
nadaje się jako prostownik w zakresie najwyższych częstotliwości. Złącze metal-przewodnik bez
warstwy zaporowej otrzymuje się tylko dla ściśle określonych kombinacji materiałów. Diody
Schottky’ego znalazły zastosowanie w szybkich układach przełączających i jako prostowniki w
zakresie mikrofalowym. W porównaniu z diodą warstwową dioda Schottky’ego ma dwie ważne
zalety: znacznie mniejsze napięcie progowe (około 0,35 V) i zdecydowanie krótszy czas wyłączenia
(około 10 ns). Wynika to z braku, w stanie przewodzenia, ładunku nadmiarowego tworzonego w
otoczeniu strefy złączowej przez nośniki mniejszościowe (o przepływie prądu decydują tutaj tylko
nośniki większościowe). Diody szybkie domieszkowane złotem wykazują łagodny zanik przebiegu
prądu wstecznego, co ogranicza wartość szczytową przepięć. Do zalet diod Schottky’ego należy
także duża przeciążalność prądowa przy impulsach o krótkich czasach trwania.

4. Diody LED (Light Emitting Diode).

W przypadku diod LED większościowe nośniki prądu wstrzykiwane przez złącze p-n do

obszarów o przeciwnym typie przewodnictwa stają się nośnikami mniejszościowymi i rekombinują
po czasie zwanym średnim czasem życia tych nośników (po 5

 ich koncentracja zmniejsza się do

1% wartości początkowej). Procesowi rekombinacji towarzyszy uwalnianie energii o wartości
zależnej od szerokości pasma zabronionego. W Si i Ge przeważa proces rekombinacji pośredniej,
nadwyżka energii uwalniana podczas rekombinacji emitowana jest zazwyczaj w postaci fononów
(kwantów energii cieplnej) absorbowanych następnie przez atomy otaczającej sieci krystalicznej. W
półprzewodnikach takich jak GaAs przeważa proces rekombinacji bezpośredniej, przy polaryzacji
złącza w kierunku przewodzenia może zostać wyemitowana znaczna ilość kwantów
promieniowania elektromagnetycznego.

Wśród fotonów emitowanych przy rekombinacji np. w GaAs, występują jedynie niewielkie

odchyłki od pewnych podstawowych długości fali, światło jest więc w zasadzie czystą barwą
typową dla danego materiału. Występuje duże zróżnicowanie szerokości przerwy zabronionej, a
więc i długości fali emitowanego promieniowania − od 3,6eV(ZnS) do 0,18eV (InSb).

7 5 3 2 1

0.5

0.35

[m]

E

g

[eV]

InSb Ge GaAs GaP SiC ZnS

Si CdSe CdS

Podczerwień

WIDZIALNE

Nadfiolet

GaAs

1-x

P

x

0 1 2 3 4

POLITECHNIKA RZESZOWSKA 2012-03-01 Katedra Podstaw Elektroniki

6

Rys. 5. Pasma zabronione niektórych półprzewodników w porównaniu z widmem optycznym.

Istnieje możliwość „płynnej” regulacji przerwy energetycznej poprzez stosowanie różnych składów
procentowych w arseno-fosforku-galu GaAs

1-x

P

x

. Zwiększanie zawartości fosforu od 0 do 44% daje

zmianę szerokości przerwy energetycznej w zakresie 1,43eV (GaAs) do 2,26eV i zmianę długości
fali promieniowania od podczerwieni (x=0) do czerwonej części światła widzialnego (x=44%).

Wprowadzenie atomów domieszki powoduje powstanie dodatkowych poziomów w obszarze

pasma zabronionego, a przez to zróżnicowanie długości fal emitowanego promieniowania.
Przykład: GaP, E

g

= 2,26eV, płytkie donory − Te, S, Se tworzą poziomy odległe od E

c

o ok. 0,1eV,

a akceptory typu Zn, Cd poziomy bliskie E

V

. Rekombinacji z tych poziomów doprowadzi do emisji

fotonu odpowiadającego barwie zielonej. Głębsze domieszki: np. cynk Zn i para Zn-O daje różnicę
energii 1,8eV i promieniowanie barwy czerwonej.

E

g

=

2,26eV

E

c

E

S

Zn

h

=2.2eV
zielone

E

g

=

2,26eV

E

c

E

Zn-O

(para)

Zn

h

=1.8eV

czerwone

Rys. 6. Przejścia luminescencyjne między poziomami domieszkowanymi w GaP.

Czas od chwili podania impulsu prądu płynącego przez złącze do wyemitowania

promieniowania zazwyczaj rzędu 1ns, częstotliwość modulacji promieniowania przez diody LED
może dochodzić do setek MHz. W celu zmniejszenia absorpcji promieniowania (zwiększenia
sprawności) minimalizuje się grubość „górnej” warstwy domieszki. Aby zlikwidować wewnętrzne
odbicie od górnej, płaskiej powierzchni półprzewodnika stosuje się półsferyczne powierzchnie
(technologicznie trudne) lub czasze ze szkła lub plastyku (stąd spotykane w handlu kształty).
Generalnie diody LED wymagają stosunkowo niewielkich prądów (mA) i napięć zasilających
(1−5V), są trwałe, stabilne i o małym stopniu zawodności.