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