Badanie diody półprzewodnikowej

Symulacja komputerowa PSPICE 9.1

www.pspice.com

1. Wyznaczanie charakterystyki statycznej diody spolaryzowanej w

kierunku przewodzenia

Rysunek nr 1. Układ do wyznaczania charakterystyki statycznej diody 1N4002
spolaryzowanej w kierunku przewodzenia.

-

Zbuduj układ wg schematu na rysunku nr 1.

-

Wyznacz warto

ść

pr

ą

du dla napi

ę

cia U

F

= 0.9 V, nast

ę

puj

ą

cych diod:

•

D1N4002

•

D1N4148

•

D1N914

-

Podaj co nale

ż

y zrobi

ć

, aby ograniczy

ć

pr

ą

d płyn

ą

cy przez diod

ę

D1 na

rysunku nr 1.

-

* Podaj maksymalny pr

ą

d przewodzenia dla diod:

•

D1N4002

•

D1N4148

•

D1N914

1.1 Wyznaczanie napi

ę

cia progowego U

(TO)

Dla napi

ęć

mniejszych od napi

ę

cia progowego U

(TO)

pr

ą

d przewodzenia diody

posiada pomijalnie mał

ą

warto

ść

. Praktycznie mo

ż

emy uwa

ż

a

ć

,

ż

e dioda

przewodzi dopiero po spolaryzowaniu jej w kierunku przewodzenia napi

ę

ciem

wi

ę

kszym od U

(TO)

.

Kolejno

ść

post

ę

powania:

1. Rysujemy charakterystyk

ę

statyczn

ą

(schemat na rysunku nr 1) .

2. Wybieramy odpowiedni zakres charakterystyki. W tym celu wydajemy

polecenia:

Plot

→

Axis Setting

→

X Axis

→

Data Range

→

User Defined, wpisujemy:

0.5V to 0.9V i klikamy 0K;
Nast

ę

pnie klikamy kolejno: Plot

→

Axis Setting

→

Y Axis

→

Data Range

→

User Defined, wpisujemy: 0 to 100mA i klikamy 0K.

3. Dla wybranej warto

ś

ci pr

ą

du przewodzenia I

F

, np. 50 mA, rysujemy lini

ę

prost

ą

na poziomie I

F

= 50 mA. W celu narysowania linii prostej na poziomie 50 mA

klikamy kolejno: Trace

→

Add Trace, nast

ę

pnie w okienku dialogowym

wpisujemy 50mA i klikamy OK. Pojawia si

ę

pozioma linia prosta.

4. W punkcie przeci

ę

cia prostej poziomej z charakterystyka rysujemy styczn

ą

do

charakterystyki (polecenia: Plot

→

Label

→

Line, a nast

ę

pnie klikamy na

pocz

ą

tku i na ko

ń

cu linii). W momencie pokrycia si

ę

rysowanej linii z

fragmentem charakterystyki ten fragment charakterystyki staje si

ę

niewidoczny, czyli styczna tak wła

ś

nie powinna by

ć

narysowana.

5. Zaznaczamy punkt przeci

ę

cia stycznej z osi

ą

napi

ę

cia i odczytujemy warto

ść

napi

ę

cia progowego. W tym celu klikamy przeł

ą

cznik Toggle cursor.

Pojawia si

ę

okienko kursorów Probe Cursor. Klikamy lewym klawiszem i

przesuwamy kursor do punktu przeci

ę

cia stycznej z osi

ą

napi

ę

cia (lub

mo

ż

liwie blisko tego punktu) i w okienku kursorów odczytujemy warto

ść

napi

ę

cia progowego. Przy zało

ż

eniu, ze pr

ą

d przewodzenia diody w punkcie

pracy wynosi 50 mA, to warto

ść

napi

ę

cia progowego U

(TO)

wynosi 728 mV,

czyli okoto 0.7 V

Zadanie

-

Przy zało

ż

eniu,

ż

e pr

ą

d przewodzenia diody w punkcie pracy wynosi 50 mA,

odczyta

ć

warto

ść

napi

ę

cia progowego U

(TO)

.

-

Przy zało

ż

eniu,

ż

e napi

ę

cie U

F

= 500mV wyznaczy

ć

I

F

.

1.2 Rezystancja diody

W diodach, podobnie jak w innych elementach półprzewodnikowych, rozró

ż

niamy

dwa rodzaje rezystancji: rezystancj

ę

statyczn

ą

oznaczamy du

żą

liter

ą

R i rezystancj

ę

dynamiczn

ą

oznaczmy mał

ą

liter

ą

r. Interpretacj

ą

graficzn

ą

rezystancji statycznej jest

k

ą

t nachylenia siecznej(linii ł

ą

cz

ą

cej pocz

ą

tek układu współrz

ę

dnych z wybranym

punktem na charakterystyce), co ilustruje rysunek :

Rysunek nr 2. Wyznaczanie rezystancji statycznej

1.2.1. Wyznaczanie rezystancji statycznej diody spolaryzowanej w kierunku

przewodzenia

Rezystancja statyczna elementu nieliniowego w dowolnym punkcie jest równa

stosunkowi napi

ę

cia do nat

ęż

enia pr

ą

du w tym punkcie.

Zadanie

-

Wyznaczy

ć

warto

ść

rezystancji statycznej dla napi

ęć

:

•

U

F

= 900 mV

•

U

F

= 0.5 V

•

U

F

= U

(TO)

2.

Polaryzacja diody w kierunku wstecznym (zaporowym, zatkania)

Rysunek nr 3. Układ do wyznaczania charakterystyki diody spolaryzowanej w
kierunku wstecznym.

Na charakterystyce dla napi

ęć

wi

ę

kszych od koło 100 V nast

ę

puje gwałtowny wzrost

pr

ą

du. Poniewa

ż

diody konwencjonalne nie s

ą

przystosowane do pracy w obszarze

przebicia, to katalogowe dopuszczalne napi

ę

cie wsteczne wynosi:

U

RRM

< 0.8U

(BR)

(1)

gdzie U

(BR)

– napi

ę

cie przebicia

W celu wyznaczenia napi

ę

cia przebicia rysujemy fragment charakterystyki w pobli

ż

u

napi

ę

cia równego –100V i rysujemy styczn

ą

do wykresu w obszarze przebicia. Punkt

przeci

ę

cia z osi

ą

napi

ę

cia wyznacza warto

ść

napi

ę

ci przebicia. Sposób

post

ę

powania jest identyczny jak w przypadku wyznaczania napi

ę

cia progowego.

Zadanie

-

Wyznaczy

ć

warto

ść

U

(BR)

i U

(RRM)

.

-

Na podstawie fragmentu charakterystyki diody spolaryzowanej w kierunku

wstecznym wyznaczy

ć

rezystancj

ę

statyczn

ą

dla napi

ę

cia:

•

U

R

= 99V

•

U

R

= U

(BR)

!!!

Ć

wiczenia od 1 – 2 przeprowadzi

ć

obliczenia dla diod:

-

D1N4002

-

D1N4148

-

D1N914

3.

Dioda Zenera

Przy rysowaniu charakterystyki statycznej diody Zenera obowi

ą

zuje nast

ę

puj

ą

ca

kolejno

ść

post

ę

powania:

-

Rysujemy schemat wg rysunku nr 4.

-

Deklarujemy warto

ść

napi

ę

cia

ź

ródła V1, np. DC=5V

-

Zapisujemy schemat.

-

Klikamy przycisk Setup Analysis. Otwiera si

ę

okno dialogowa, w którym

klikamy DC Sweep... Pojawia si

ę

okno DC Sweep, w którym zaznaczamy

Voltage Source i Linear, wpisujemy w polu Name: V1 i deklarujemy V1 od 0
do –6V z krokiem co 0.01, a nast

ę

pnie klikamy OK. Uruchamiamy analiz

ę

.

Rysunek nr 4. Układ do wyznaczania charakterystyki diody Zenera D1N750
spolaryzowanej w kierunku wstecznym.

Charakterystyka statyczna diody Zenera spolaryzowanej w kierunku

przewodzenia ma identyczny kształt jak charakterystyka diody konwencjonalnej.
Diody Zenera przystosowane s

ą

do pracy w obszarze przebicia i dlatego wa

ż

nym

parametrem diody Zenera jest napi

ę

cie Zenera, oznaczone w katalogach przez U

Z

.

Przybli

ż

on

ą

warto

ść

napi

ę

cia Zenera wyznaczamy identycznie jak napi

ę

cie przebicia

diod konwencjonalnych.

Zadanie

-

Na podstawie otrzymanej charakterystyki podaj napi

ę

cie Zenera diody

D1N750

-

* Porównaj warto

ść

U

Z

otrzyman

ą

z warto

ś

ci

ą

U

Z

katalogow

ą

diody

Zenera D1N750.

-

* Sprawd

ź

, jaki pr

ą

d płyn

ą

łby przez diod

ę

spolaryzowan

ą

w kierunku.

przewodzenia napi

ę

ciem +5V, oblicz moc tracon

ą

na diodzie i

zaproponuj sposób ograniczenia pr

ą

du płyn

ą

cego w tym obwodzie.

3.2.

Parametry diody Zenera

3.2.1. Rezystancja dynamiczna diody Zenera

Wa

ż

nym parametrem diody Zenera jest rezystancja dynamiczna w obszarze

przebicia r

z

. Podawana jest ona dla konkretnej warto

ś

ci pr

ą

du I

z

i dla okre

ś

lonej

temperatury. W układach pomiarowych dioda Zenera zasilana jest z dwóch

ź

ródeł

napi

ę

cia: stałego, wytwarzaj

ą

cego pr

ą

d stały I

z

oraz zmiennego o niskiej

cz

ę

stotliwo

ś

ci, np. 1 kHz. W układzie symulacyjnym mo

ż

emy do tego celu

wykorzysta

ć

ź

ródło napi

ę

cia sinusoidalnego VSIN.

W układzie symulacyjnym zasilanym napi

ę

ciem stałym rezystancj

ę

dynamiczn

ą

mo

ż

emy wyznaczy

ć

ze stosunku przyrostu napi

ę

cia w obszarze

przebicia do odpowiadaj

ą

cego mu przyrostu pr

ą

du:

r

z

=

∆

U

R

∆

I

R

(2)

Kolejno

ść

post

ę

powania:

1. Klikamy przycisk Setup Analysis. Otwiera si

ę

okno dialogowe, w którym

klikamy DC Sweep.... Pojawia si

ę

okno DC Sweep, w którym zaznaczamy

Voltage Source, wpisujemy w polu Name: V1, zaznaczamy: Linear
i deklarujemy V1 od -4.4 do -5V z krokiem co 0.01, a nast

ę

pnie klikamy

OK.

2. Uruchamiamy analiz

ę

, klikaj

ą

c przycisk Simulate

3. Klikamy przeł

ą

cznik Toggle cursor. Pojawia si

ę

okienko kursorów

Probe Cursor Lewym klawiszem myszy umieszczamy pierwszy kursor w
punkcie 1, za

ś

prawym klawiszem myszy umieszczamy drugi kursor w

punkcie 2.

4. W okienku kursorów odczytujemy przyrosty napi

ę

cia i pr

ą

du pomi

ę

dzy

punktami 1 i 2.

5. Na podstawie wzoru obliczamy rezystancj

ę

dynamiczn

ą

.

Zadanie

-

Na podstawie wzoru (2) obliczy

ć

rezystancj

ę

dynamiczn

ą

.

3.1.1a Charakterystyka zale

ż

no

ś

ci rezystancji dynamicznej od napi

ę

cia

W celu narysowania wył

ą

cznie zale

ż

no

ś

ci rezystancji dynamicznej od napi

ę

cia:

1. Usuwamy ze schematu rysunek nr 3 marker pr

ą

du lub usuwamy

dotychczasowy wykres w programie Probe. W tym celu zaznaczamy ten
wykres i wykorzystujemy klawisz Delete. W przypadku kilku wykresów
wybieramy wykres do usuni

ę

cia jako bie

żą

cy i w menu Plot zaznaczamy

Delete i Plot.

2. Deklarujemy zakres zmian napi

ę

cia V1 od -4.9 V do -4.7 V i uruchamiamy

symulacje. Zwró

ć

uwag

ę

na obowi

ą

zuj

ą

c

ą

kolejno

ść

deklarowania zakresu im

napi

ęć

ujemnych.

3. W programie Probe wykonujemy nast

ę

puj

ą

ce polecenia: Trade

→

→

→

→

Add..., a

nast

ę

pnie w okienku dialogowym Trace Expression wpisujemy: D(V1(D1))/

D(I(D1)) i klikamy OK.

W celu odczytania warto

ś

ci rezystancji dynamicznej dla okre

ś

lonej warto

ś

ci i

pi

ę

cia wykonujemy nast

ę

puj

ą

ce czynno

ś

ci:

1. Uaktywniamy okienko Probe Cursor, klikaj

ą

c przeł

ą

cznik Toggle cursor

2. Klikamy na wykresie wybran

ą

warto

ść

napi

ę

cia, np. -4.8 V.

3. W okienku Probe Cursor odczytujemy warto

ść

rezystancji dynamicznej.

Analogicznie post

ę

powanie pozwoli nam na odczytanie warto

ś

ci rezystancji i

dynamicznej dla dowolnej innej warto

ś

ci napi

ę

cia.

6. Obliczanie temperaturowego współczynnika napi

ę

cia

Kolejnym wa

ż

nym parametrem diod Zenera jest temperaturowy współczynnik

napi

ę

cia, który mo

ż

e mie

ć

warto

ś

ci ujemne (w diodach niskonapi

ę

ciowych na

napi

ę

cia Zenera do kilku wolto w), dodatnie (dla diod Zenera na napi

ę

cia wy

ż

sze

od 6 V) oraz bliskie zeru dla diod Zenera na napi

ę

cia z przedziału od 5 do 6 V.

Temperaturowy współczynnik napi

ę

cia okre

ś

la stosunek wzgl

ę

dnej zmiany

napi

ę

cia Zenera w funkcji temperatury do warto

ś

ci napi

ę

cia Zenera przy stałym

pr

ą

dzie.
Temperaturowy współczynnik napi

ę

cia oznaczamy

αααα

Uz

i obliczamy go na

podstawie nast

ę

puj

ą

cego wzoru:

αααα

Uz

=

1

U

Z

*

∆

U

Z

∆

T

dla I

Z

= const

We wzorze

∆∆∆∆

T oznacza przyrost temperatury.

Kolejno

ść

post

ę

powania:

1. Rysujemy schemat z rysunku nr 4
2. Deklarujemy ustawienia analizy DC Sweep: V1 od -6 do 0 z krokiem co

0.01.

3. Klikamy przycisk Nested Sweep.... Pojawia si

ę

okienko DC Nested

Sweep.

Zaznaczamy w nim:

•

w polu Swept Var. Type: Temperature

•

w polu Swept Type: Linear i wpisujemy : Start Value: -25; End

Value:75; Increment:50;

4. Zaznaczmy: Enable Nested Sweep i klikamy OK.

5. Uruchamiamy symulacj

ę

.

6.1 Wyznaczanie temperaturowego współczynnika napi

ę

cia diody Zenera

Kolejno

ść

post

ę

powania:

1. Na otrzymanej charakterystyce w programie Probe zmieniamy

skal

ę

napi

ęć

przy u

ż

yciu polece

ń

Plot

→

Axis Setting

→

X ... i

wpisujemy: -4.9 to –4.6 i klikamy OK.

2. Rysujemy stał

ą

warto

ść

pr

ą

du I = -200mA po wywołaniu

polece

ń

: Trace

→

Add... i wpisaniu w okienku dialogowym; -

200mA

3. Klikamy przeł

ą

cznik Toggle Cursor, a nast

ę

pnie lewym

klawiszem myszy klikamy punkt przeci

ę

cia lewej skrajnej

charakterystyki z prost

ą

I = 200mA, za

ś

prawym klawiszem

klikamy przeci

ę

cie tej prostej z praw

ą

skrajn

ą

charakterystyk

ą

.

4. Z okienka Probe Cursor odczytujemy wyniki: przy praktycznie

stałym pr

ą

dzie zmiana napi

ę

cia powinna wynosi

ć

zaledwie

23 mV.

Zadanie

-

Wyznaczy

ć

temperaturowy współczynnik napi

ę

cia diody Zenera 1N750