Gr. ćw 1, II MDT Stalowa Wola

Zespół A

Białek Andrzej

Folta Jakub

Sienica Robert

Diody półprzewodnikowe

Badane elementy to dioda prostownicza germanowa AAP153, dioda prostownicza krzemowa BYP401, 2 diody LED oraz dioda stabilizacyjna- Zenera.

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.

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 5τ 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). 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.

Diody stabilizacyjne.

1. Przebicie złącza p-n

Gwałtowny wzrost prądu przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym napięciem większym niż pewna charakterystyczna dla danego złącza wartość, nazywana napięciem przebicia. Istnieją dwie przyczyny tego zjawiska:

a) przebicie Zenera: zachodzi w złączach silnie domieszkowanych (koncentracje domieszek >1019/cm³.). Złącze ma małą szerokość, poziom Fermiego leży powyżej EC lub poniżej EV: Pasmo walencyjne po stronie p+ oraz pasmo przewodnictwa po stronie n+ znajdują się częściowo "naprzeciwko siebie". Płynie prąd tunelowania nośników lub prąd Zenera, elektron przy przejściu tunelowym nie zmienia energii. W stanie równowagi sumaryczny prąd płynący przez złącze p+- n+ powinien być równy zeru. Pojawia się druga składowa prądu: tzw. prąd Esakiego IE . Przy polaryzacji w kierunku zaporowym przeważa składowa Zenera.

Dla zjawiska Zenera charakterystyczna jest mała wartość napięcia przebicia, UpZ <4Eg/q , w przypadku złącza krzemowego oznacza to UpZ <5V.

b) Przebicie lawinowe. Polega na jonizacji atomów w sieci krystalicznej wskutek dostarczenia energii przez swobodny nośnik ładunku, rozpędzony w silnym polu elektrycznym. Jeżeli szerokość warstwy zaporowej jest znacznie większa niż średnia droga swobodna, to można mówić o lawinowym powielaniu liczby nośników.

Dla zjawiska przebicia lawinowego charakterystyczna jest wartość napięcia przebicia, UpZ >4Eg/q , w przypadku złącza krzemowego oznacza to UpZ >7V.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest dokonanie pomiarów na w. w. diodach i wykonanie na ich podstawie charakterystyk ORAZ

Stanowisko pomiarowe

Stanowisko pomiarowe jest wyposażone w amperomierz, woltomierz, zasilacz stabilizowany, rezystor ograniczający prąd oraz banany element- dioda. Układ pomiarowy został zbudowany według poniższego schematu.

Wyniki pomiarów

Dioda germanowa AAP153
Kierunek przewodzenia		Kierunek zaporowy
U [V]	I [mA]	U [V]	I [mA]
0,1	0,1	0,8	0,00
0,2	0,8	1,0	0,01
0,3	3,4	2,0	0,03
0,4	7,9	3,0	0,06
0,5	25,2	4,0	0,08
0,6	43,9	5,0	0,01

Dioda krzemowa BYP401
Kierunek zaporowy		Kierunek przewodzenia
U [V]	I [mA]		U [V]	I [mA]
1	0		0,4	0,02
2	0		0,6	6,1
3	0		0,7	32,7
4	0		0,8	93,2
5	0		0,9	250
6	0		1,0	315

Dioda LED
Kierunek zaporowy		Kierunek przewodzenia
U [V]	I [mA]	U [V]	I [mA]
0,4	0	1,4	0,00
0,9	0	1,6	0,00
1,2	0	1,7	0,11
1,5	0	1,8	1,28
1,8	0	1,9	2,64
2,0	0	2,0	6,87

Dioda LED
Kierunek zaporowy		Kierunek przewodzenia
U [V]	I [mA]	U [V]	I [mA]
1	0	1,5	0,00
2	0	1,6	0,00
3	0	1,7	0,12
4	0	1,8	0,76
5	0	1,9	3,1
6	0	2,0	7,0

Dioda Zenera
Kierunek przewodzenia		Kierunek zaporowy
U [V]	I [mA]	U [V]	I [mA]
0,5	0	-3,1	-0,01
0,6	0,08	-3,4	-0,03
0,7	0,6	-3,5	-0,05
0,8	11,06	-3,6	-0,06
0,9	109	-3,8	-0,08
1,0	460	-3,9	-0,12
		-4,0	-0,15
		-4,1	-0,22
		-4,2	-0,26
		-4,3	-0,34
		-4,4	-0,41
		-4,5	-0,63
		-4,6	-0,82
		-4,7	-1,2
		-4,8	-1,65
		-4,9	-2,17
		-5,0	-2,73
		-5,1	-4,62
		-5,2	-7,79

Moc admisyjna przyjęta do pomiaru diody to 500mW

Wnioski

W wykonywanym ćwiczeniu zbadaliśmy następujące diody:

krzemowa BYP 401, germanowa AAP 153, dioda Zenera : 5V1 i 2 diody LED:

Pomiary wykonywaliśmy w takich zakresach napięć i prądów, aby nie przekroczyć wartości krytycznych dla danego typu diody. Przekroczenie tych parametrów mogłoby spowodować trwałe uszkodzenie elementu.

Diody BYP 401 i AAP 152 w kierunku przewodzenia mogą przenosić duże wartości prądu, bo ich rezystancja jest wtedy mała, natomiast w kierunku zaporowym praktycznie nie przewodzą, bo rezystancja złącza drastycznie wzrasta. W idealnej diodzie rezystancja w kierunku przewodzenia równa się 0, a w kierunku zaporowym dąży do nieskończoności. Takie własności wykorzystuje się przy budowie prostowników.

Dioda Zenera pracuje tylko w kierunku zaporowym. W kierunku przewodzenia przepuszcza ona bardzo niskie napięcie ( ok. 0,7V ), co raczej nie jest wykorzystywane w praktyce.

Praca w kierunku zaporowym charakteryzuje się utrzymywaniem danego napięcia niezależnie od wartości prądu płynącego przez układ. Ta własność jest szeroko stosowana we wszelkiego rodzaju urządzeniach elektronicznych, gdzie wymagana jest stała wartość napięcia przy zmiennym obciążeniu układu. Ostatnimi elementami, które badaliśmy, były diody świecące.

Dioda taka pracuje tylko w kierunku przewodzenia. Prąd przepływający przez nią powoduje jej świecenie. Służy ona głównie jako wskaźnik lub sygnalizator w bardzo dużej ilości urządzeń. Niniejsze ćwiczenie pozwoliło nam zapoznać z charakterystykami i warunkami pracy danych diod półprzewodnikowych i porównanie ich własności.

Odstępstwa wyników pomiarowych od danych katalogowych mogły być spowodowane niedokładnością pomiarów i odczytów z mierników, a także poprzez niekontakty, występujące w układzie spowodowane, niską jakością przewodów połączeniowych lub ich uszkodzeniem.