1

POLITECHNIKA RZESZOWSKA   Katedra  Podstaw  Elektroniki 

Instrukcja  Nr2         F1  2002/2003 sem. letni 

DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE  

 

Cel ćwiczenia: 

Wykonanie pomiarów charakterystyk prądowo-napięciowych podstawowych rodzajów diod 

półprzewodnikowych oraz wyznaczenie ich wybranych parametrów. 
 
A) Zadania do samodzielnego opracowania przed zajęciami: 
Zapoznanie się z treścią poniższej instrukcji, zapoznanie się z teoretycznymi podstawami działania diod 
półprzewodnikowych, przygotowanie schematów pomiarowych, zaprojektowanie prostownika 
półfalowego.  

 

B) WPROWADZENIE 

Złącze p-n - dioda: 

Złącze p-n, jest to bryła 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 pozostają 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 Rys1a). 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 elektronowego i 
dziurowego. Nie zmienają się składowe prądu unoszenia nośników mniejszościowych.  W kierunku zaporowym płynie 
przez złącze niewielki prąd nasycenia. 

Rys1. Przepływ prądu w złaczu p.-n spolaryzowanym zaporowo a) i w przewodzenie b).Charakterystyka prądowo - 

napięciowa  c). U

D 

- napięcie dyfuzyjne; U - napięcie zewnętrzne 

 

2) Polaryzacja w kierunku przewodzenia Rys1b) Polaryzacja zewnętrzna przeciwna w stosunku do biegunowości 

napięcia dyfuzyjnego, bariera potencjału maleje. Mniejsza wartość bariery potencjału 

⇒ mniejsza wartość  ładunku 

przestrzennego. Rośnie prawdopodobieństwo przejścia nośników większościowych ponad barierą,  wzrastają składowe 
prądów dyfuzji. Składowe prądu unoszenia nośników mniejszościowych pozostają na nie zmienionym poziomie. Prąd 
dyfuzji nośników większościowych zdecydowanie przeważa nad prądem unoszenia nośników mniejszościowych. 

 
Rys2.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

. 

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

R 

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

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

 

2

Diody prostownicze.

 

Diody przeznaczone do prostowania prądu przemiennego, z reguły prostowanie prądu 50Hz z sieci 

przemysłowej. Zazwyczaj stosowane diody krzemowe o dużych powierzchniach złącza - pozwala na przepływ prądów o znacznych 
wartościach (1A-100A). Efekty wynikające z istnienia pojemności wewnętrznych nawet przy zastosowaniach typu przetwornice napięcia 
(uzyskiwanie podwyższonych napięć stałych, f~kilka kHz) są pomijalne.  
Wyróżniamy dwie grupy parametrów diód: 
1) 

Podstawowe parametry charakterystyczne: 

 

I

0

  -dopuszczalny średni prąd przewodzenia - traktowany jako prąd 

znamionowy; [typowo1-100A] 
 

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 (typowo 1.2-1.4 

U

RWM

  - bliskie napięciu przebicia) 

 

I

FRM  

- powtarzalny impulsowy prąd maksymalny (zwykle I

FRM

 ~5-10 

I

0

 ) 

 

I

FSM

 - niepowtarzalny szczytowy prąd przew. (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. Wydzielana moc powoduje bowiem zazwyczaj wzrost temperatury 
elementu, zmianie ulegają dopuszczalne w nowych warunkach U i I. 
 

T

j

 - maksymalna temperatura złącza - [typowo rzędu 140-175] C, musi leżeć z dala od zakresu gen. term. nośników samoistnych; 

 

R

th

 - rezystancja cieplna w określonych warunkach pracy.    P

TOT

=(T

j

 - T

a

)/R

th

 

 
Diody LED (Light Emitting Diode): 

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

τ 

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). 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys4. Pasma zabronione niektórych półprzewodników w porównaniu z widmem optycznym. Istnieje możliwość „płynnej” regulacji 
przerwy energetycznej poprzez stosowanie różnych ich 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 

⇒ dodatkowe poziomy w obszarze pasma zabronionego ⇒ 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. 

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 absorbcji promieniowania 
(zwiększenia sprawności) minimalizuje się grubość „górnej” warstwy domieszki. By zlikwidować wewnętrzne odbicie od górnej, płaskiej 
powierzchni półprzewodnika: półsferyczne powierzchnie (technologicznie trudne) lub  czasza ze szkła lub plastyku (stąd spotykane w 
handlu kształty). Generalnie LED-y  wymagają stosunkowo niewielkich prądów (mA) i napięć zasilających (1-5V), są trwałe, stabilne i o 
małym stopniu zawodności. 

0                                  1                                 2                                  3                                 

 7  5     3     2                   1

 

0.5

 

0.35

λ[µm]

E

g

[eV] 

InSb           Ge              GaAs                GaP            SiC               ZnS 

    Si             CdSe             CdS

 

Podczerwień 

WIDZIALNE

Nadfiolet

 

GaAs

1-x

P

x

 

I

R

 

U

F

 

I

F

 

I

0

 

U

F

(I

0

)

Punkt pracy diody 

U

RWM

 

U

RSM

Rys3. Parametry charakterystyczne diody 
(rozmaitość stosowanych oznaczeń b. duża).

E

g

= 

2.26eV

E

c

E

V

S 

Zn 

h

ν=2.2ev 

zielone

E

g

= 

2.26eV 

E

c

 

E

V

 

Zn-O

(para)

Zn 

h

ν=1.8ev 

czerwone

Rys2.Przejścia luminescencyjne między poziomami domieszkowanymi w GaP.

 

3

C) POMIARY 
 

UWAGI: 1. PRZED 

PRZYSTĄPIENIEM DO POMIARÓW ZAPOZNAĆ SIĘ Z PARAMETRAMI 

KATALOGOWYMI BADANYCH DIÓD. 

2. 

BEZWZGLĘDNIE PRZESTRZEGAĆ BEZPIECZNYCH WARUNKÓW POMIARÓW 
UWZGLĘDNIAJĄC PARAMETRY DOPUSZCZALNE ELEMENTÓW. 

3. 

PAMIĘTAĆ O WŁAŚCIWYM DOBORZE UKŁADÓW: POPRAWNIE MIERZONEGO 
NAPIĘCIA LUB  POPRAWNIE MIERZONEGO PRĄDU. 

4. KAŻDA Z MIERZONYCH CHARAKTERYSTYK  POWINNA ZAWIERAĆ CO NAJMNIEJ 

10 PUNKTÓW POMIAROWYCH. 

5. POMIARY 

WYKONAĆ W ZAKRESIE PRADÓW 10nA do 0.8I

max

. 

 
1. Zmierzyć charakterystyki I

F

=f(U

F

) oraz I

R

=f(U

R

) dla diody prostowniczej krzemowej i 

germanowej. 

2. Zmierzyć charakterystykę I

F

=f(U

F

) i I

R

=f(U

R

 ) dla dwóch diod LED. 

3. Za 

pomocą oscyloskopu  dokonać obserwacji przebiegów napięć na diodzie prostowniczej i 

obciążeniu  w prostowniku jednopołówkowym (półfalowym). Dokonać pomiaru wartości 
napięcia zasilającego i na obciążeniu. 

 
D) OPRACOWANIE  I ANALIZA WYNIKÓW 

 

1) Narysować zmierzone charakterystyki diód w kierunku przewodzenia na jednym wykresie. Punkty 

pomiarowe powinny być widoczne na charakterystykach. 

2) Wyznaczyć napięcie progowe U

D 

dla  badanych diod. Jakie istnieją prawidłowości? Jaka relacja 

występuje pomiędzy napięciem progowym a barwą świecenia diod LED?

 

3) Dla wszystkich badanych diod wyznaczyć: rezystancję szeregową  Rs, prąd nasycenia Io, oraz 

współczynnik złącza 

η

. Wyznaczenie tych trzech wielkości możliwe jest na podstawie wykresu I(U) 

w skali logarytmiczno (I)  liniowej  (U). W przypadku idealnego złącza  (Rs=0) taki wykres byłby 
zbliżony do prostej. Rezystancja szeregowa diody powoduje odchylenie wykresu od linii prostej. Dla 
dużych napięć tj. dla exp(U/Ut)

>>

1 wpływ rezystancji Rs jest najbardziej widoczny. Dla tego zakresu 

można przyjąć

:  











 −

=

T

S

U

IR

U

I

I

η

exp

0

 

Wartość Io można wyznaczyć przez znalezienie punktu przecięcia ekstrapolowanego wykresu z osią 
prądu, zaś 

η

 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 Rs=0) jest napięciem  Us na 
rezystancji szeregowej. Wykreślając napięcie Us w funkcji prądu diody I

F

 dla zakresu dużych prądów 

i aproksymując punkty pomiarowe funkcją liniową, można wyznaczyć  Rs jako nachylenie 
aproksymującej funkcji. Przy dokładnych pomiarach zauważyć można, iż współczynnik 

η

 zależy od 

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

η

=2, dla średnich 

prądów (prąd dyfuzji 

η

=1, dla dużych prądów (duży poziom wstrzykiwania) 

η

=2. Należy wyznaczyć 

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

F

. 

4) 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  

≈  ηU

T

/I

F

 dla tych samych prądów co poprzednio. 

Wartość 

η dobrać w zależności od zakresu prądu. Porównać uzyskane  wyniki. 

5) Zmierzone charakterystyki diod w kierunku zaporowym narysować na jednym wykresie.  
6) Porównać obliczone parametry diod  z danymi katalogowymi. 
7) Uzasadnić słuszność stosowanych układów pomiarowych. 
8) Przedstawić i skomentować zaobserwowane przebiegi w prostowniku półfalowym. 
9) Do sprawozdania dołączyć własne wnioski i spostrzeżenia. 

 

 

4

E) Schemat układu pomiarowego: 

 

 

 

 

 
 

 
 

 

 
Rys.1 Proponowany układ pomiarowy do badania diod w kierunku przewodzenia lub zaporowym. 
 
 

F) Tab.1. Wybrane parametry niektórych badanych diod: 

 

U

R  

[V] 

U

RM 

[V] 

I

F 

[mA] 

I

FM 

[mA]

t

j 

[

0

C] 

U

F 

[V] 

I

R 

[mA] 

U

Z 

[V] 

TKU

Z

 

10

-4

/K 

r

Z 

Ω 

P

tot 

[W]

1) AAP153 

10 

30  16 50 75 2.2 

(przy 
I

F

=10mA) 

0.1 
(przy U

R

=30V) 

- - 

 

 

2) BYP401... 

50-1000 100-

1000 

1000 5000 175  1.1 

(przy 
I

F

=1A) 

0.005 
(przy U

R

=50V) 

- - 

- 

- 

3) BAP811 

- 6 

50 

- 

150 

1.5-1.7 

0.001 
(przy U

R

=6V) 

1.5-1.7 -20  20  

4) BAP812 

- 6 

50 

- 

150 

2.0-2.3 

0.001 
(przy U

R

=6V) 

2.0-2.3 -25  30  

5) BZP650... 

U

Z

=3-35 

7.0-7.9 

- - 150 

1.2 
(przy 
I

F

=0.5A) 

- U

Z

=7.5 +9  4  1.2 

6) D22 10-02 

- 

200  10  190 140 1.2 

(przy 
I

F

=150A) 

- - 

- 

- 

- 

7) BZP 683... 

U

Z

=3.3

÷33V  -  - - 150 

1.1  - 

U

Z

=3.3 

-33V 

-6

÷ 

+9 

10

÷9

0 

0.4 

 
 

 

LITERATURA

: 

 

1. 

W. Marciniak „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone” 

2. 

W. Marciniak „Modele elementów półprzewodników” 

3. 

A.Kusy „Podstawy elektroniki” 

4.   „Elementy półprzewodnikowe i układy scalone” (katalog UNITRA – CEMI) 

A 

V

A 

 

 

Zasilacz 

stabilizowany 

Badana dioda 

Rezystor 

dekadowy