Politechnika Rzeszowska

Sprawozdanie z elektroniki nr 1

Temat:

DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE

Imię i nazwisko:

Diody półprzewodnikowe.

1.Wstęp teoretyczny.

Element, który wykazuje nieskończenie małą rezystancje w kierunku przewodzenia oraz nieskończenie dużą rezystancje w kierunku zaporowym, nazywamy dioda idealną.

2. Podział diod.

Diody impulsowe - są przeznaczone do przełączania napięć i prądów, oraz do formowania impulsów elektrycznych. Spełniają w układach funkcję kluczy (diody przełączające). Diodę impulsową charakteryzuje bardzo szybka reakcja na zmiany warunków polaryzacji (bez opóźnień i zniekształceń przenosi dochodzące impulsy elektryczne). Dioda impulsowa powinna mieć bardzo małą rezystancję (bliską zeru) w kierunku przewodzenia, a bardzo dużą w kierunku zaporowym.

Diody pojemnościowe - są to diody przeznaczone do zastosowań, w których wykorzystuje się zjawisko zmian pojemności warstwy zaporowej złącza p-n pod wpływem doprowadzonego z zewnątrz napięcia polaryzacji. Zjawisko to występuje w każdej diodzie.

Symbol graficzny diody pojemnościowej

Podział diod pojemnościowych:

varicapy - są to elementy o zmiennej pojemności stosowane głównie w układach automatycznego przestrajania obwodów rezonansowych.

varactory - są diodami o zmiennej reaktancji spełniającymi funkcję elementów czynnych w układach parametrycznych, są nazywane diodami parametrycznymi. Są przeznaczone do pracy przy bardzo wielkich częstotliwościach.

Dioda Zenera - stabilizacyjna.

Jest to dioda warstwowa p-n, przeznaczona do zastosowań w układach stabilizacji napięć, w układach ograniczników i jako źródła napięć odniesienia. Dioda zenera pracuje w zakresie zaporowym przy napięciu określonym jako napięcie zenera Uz. Napięcie zenera wynosi od 3 do kilkuset voltów. Dioda germanowa nie ma takiego zasięgu charakterystyki jak dioda krzemowa co stanowi zaletę w przypadku prostowania napięć o małych wartościach.

  Symbol graficzny diody Zenera

Dioda tunelowa

Wyróżnia się tym, że jej charakterystyka prądowo-napięciowa w kierunku przewodzenia ma odcinek o ujemnej rezystancji dynamicznej. Diody tunelowe są najczęściej wytwarzane z germanu i arsenku galu. Podstawowe zastosowania diody tunelowe znajdują w generatorach i wzmacniaczach mikrofalowych na zakres częstotliwości do kilkuset gigaherców oraz w układach przełączających do kształtowania impulsów o stromych zboczach.

Dioda elektroluminescencyjna - LED.

L-LIGHT

E-EMITTING

D-DIODE

  Symbol graficzny diody elektroluminescencyjnej - LED

Jest elementem półprzewodnikowym emitującym promieniowanie optyczne w wyniku zmiany energii nośników prądu na energię promieniowania w procesie rekombinacji promienistej. Nośniki prądu uzyskują energię elektryczną ze źródła zewnętrznego, które polaryzuje diodę w kierunku przewodzenia. W tym trybie pracy nośniki są wstrzykiwane przez złącze p-n (elektrony z obszaru n do p, dziury z obszaru p do n). Wstrzykiwane nośniki rekombinują z nośnikami przeciwnego rodzaju i tracąc energię równą szerokości pasma zabronionego Wg powodują emisję promieniowania o długości fali.

Fotodioda i fotoogniwo.

  Symbol graficzny fotodiody

Zasada działania fotoogniwa i fotodiody półprzewodnikowej jest oparta na zjawisku fotoelektrycznym wewnętrznym, a ich nazwy wiążą się z różnymi rodzajami pracy złącza PN.

Dioda prostownicza - stosuje się głównie w układach prostowniczych urządzeń zasilających, przekształcający prąd zmienny w jednokierunkowy prąd pulsujący. W układzie prostowniczym dioda spełnia funkcję zaworu jednokierunkowego. Wykorzystuje się tu właściwość polegającą na różnicy zdolności przewodzenia prądu w kierunku wstecznym i w kierunku przewodzenia. Ponieważ przez diodę prostowniczą płyną na ogół stosunkowo duże prądy w kierunku przewodzenia, przeto jest ona najczęściej produkowaną diodą warstwową, obecnie głównie z krzemu, rzadziej z germanu.

Podział diod ze względu na technologię wykonania:

a) ostrzowe - wykonuje się przez wtopienie elektryczne ostrza metalowego do półprzewodnika typu n. W procesie zgrzewania pod ostrzem tworzy się mikroobszar typu p. Na granicy obszaru z półprzewodnikiem powstaje złącze PN. Główną cechą diod ostrzowych jest bardzo mała powierzchnia złącza (rzędu od 10e-3 do 10e-4 mme2), związana w tym nieznaczna pojemność, dlatego diody ostrzowe można stosować w zakresie wielkich częstotliwości;

b) warstwowe - otrzymuje się je technologią stopową i dyfuzyjną, przy czym wykorzystuje się szereg odmian technologii dyfuzyjnej, a zwłaszcza epitaksjalno-planarną;

c) epitaksjalno-planarne - w nich na materiale wyjściowym typu n+, silnie domieszkowanym, zwanym podłożem, osadza się cienką warstwę epitaksjalną o słabym domieszkowaniu tego samego typu co podłoże. Warstwę epitaksjalną pokrywa się dwutlenkiem krzemu (SiO2), następnie przez specjalnie przygotowane okno w SiO2 wprowadza się domieszkę dającą obszar p. Na to nakłada się kontakt metalowy.

3. Zastosowanie

W elektronice dioda jest bardzo ważnym elementem:

  Symbol graficzny diody

a) jest stosowana jako łącznik elektroniczny. Zmiana polaryzacji napięcia decyduje o przełączeniu;

b) jest stosowana do prostowania napięć przemiennych;

c) służy do budowania układów logicznych w technice cyfrowej;

d) przełącza o wiele szybciej niż łącznik mechaniczny;

e) nie może być przeciążana zbyt dużą mocą strat P_totmax. Równie ważne jest nie przekraczanie dopuszczalnego napięcia przy polaryzacji zaporowej. Dioda nie może być przeciążona mechanicznie. Doprowadzenia - końcówki drutowe - nie powinny być zaginane tuż przy obudowie, lecz należy pozostawić co najmniej 5 mm odstępu;

f) w kierunku zaporowym dioda nie może być przeciążona napięciowo;

g) w stanie przewodzenia reprezentuje spadek napięcia od 0.6 do 0.8 V dioda krzemowa, od 0.1 do 0.3 dioda germanowa.

h) ładuje przy prostowaniu kondensator wygładzający. Prąd ładowania płynie przy prostowaniu napięcia szczytowego tylko przez krótki przedział czasu;

i) służy do stabilizacji napięć jako dioda Zenera;

j) jako LED świeci przy napięciu od 1.4 do 1.7 V i ma niewielkie napięcie zaporowe.

Złącze p-n jest wykorzystywane jako dioda, półprzewodni­kowa. Rozpatrzmy właściwości złącza poddanego działaniu napięcia.

Na rysunku 1 pokazano złącze, p-n, którego półprzewodnik typu n został połączony z dodatnim, a półprzewodnik typu p z ujemnym biegunem źródła napięcia. Dodatkowe pole elektryczne wytworzone przez źródło napię­cia jest skierowane zgodnie z polem ładun­ków przestrzennych.

Mówimy, że przy takim połączeniu złącze działa zaporowo. W kierunku zaporowym może płynąć minimalny prąd, zwany prądem wstecznym.

Gdy na odwrót połączymy półprzewodnik typu p z dodatnim, a półprzewodnik typu n z ujemnym zaciskiem źródła napięcia, pole wytworzone przez źródło napięcia jest skierowane przeciwnie do pola warstwy zaporo­wej. Wtedy bariera potencjału zostaje obniżona, co wyraźnie ułatwia dyfuzję. Co przedstawiono na rysunku 2

Kierunek od obsza­ru p do n nazywamy kierunkiem prze­wodzenia, kierunek od obszaru

n do p — kierunkiem zaporowym.

Rysunek 1

Rysunek 2

Idealna charakterystyka diody

Rzeczywista charakterystyka diody

U_TO (napięcie progowe)

U_BR ( napięcie przebicia)

I_F, U_F ( prąd i napięcie przewodzenia)

I_R, U_R (prąd i napięcie wsteczne)

Cel i zakres ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi charakterystykami diod półprzewodnikowych: Prostowniczych i Zenera

Ćwiczenie obejmuje pomiary:

• Pomiary charakterystyk statycznych I=f(U)_T=par dla wszystkich diod gdzie T - oznacza temperaturę otoczenia

Schemat stanowiska

Wyniki pomiarów i opracowanie

Dioda prostownicza.

• Kierunek zaporowy

Uzas [V]	0	1	2	3	4	4,9	5,9	6,9	7,9
U [V]	0	1	2	3	4	5	6	7	8
I [mA]	0	0	0	0	0	0	0	0	0




- w kierunku przewodzenia

Uzas [V]	0,1	0,2	0,3	0,4	1	3,1	6,4	10	15	19,9	24,8	30	31,8
U [V]	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1	1,1	1,2	1,35
I [mA]	0	0	0	0,1	2,2	12,2	27,7	48,8	68,8	92,2	115,6	140,4	149,2




DIODA ZENERA

Kierunek przewodzenia

Uzas [V]	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	2,8	8,5	13,3	18,6	24,1	29,6	32,1
U [V]	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1	1,1	1,2	1,3	1,35
I [mA]	0	0	0	0	0	0	0,1	0,4	6,4	37	59,8	84,7	111,2	137,6	149,1




Kierunek zaporowy:

Uzas [V]		0	1	2	3,1	5,6	6,1	6,8	7,5	8,4	9,5	10,2	12,4	13,9	16,6
U [V]		0	1	2	3	4	4,1	4,2	4,3	4,4	4,5	4,6	4,7	4,8	4,9
I [mA]		0	0	0	0,6	7,9	10	12,7	15,7	19,6	24,7	30,5	37,6	47,2	57




Wnioski:

Po dokonaniu pomiarów i sporządzeniu wykresów wnioskujemy, że charakterystyki rzeczywiste badanych diod znacznie różnią się od charakterystyk idealnych, ponieważ w rzeczywistości nie możemy precyzyjnie określić wartości napięcia przełączenia gdyż przejście to odbywa się w sposób płynny. Napięcie to jest różne dla różnego rodzaju diod, może się zmieniać w szerokim zakresie napięć

1

---