ELEMENTY PÓŁPRZEWODNIKOWE 

–

 LABORATORIUM

 

 
 
                                                                                                Paweł  
                                                                                                Stanisław  
                                                                                                GR. 2;  20.11.2011 
 

Tak to było zaliczone     

Ćwiczenie  1  
Charakterystyki statyczne diod półprzewodnikowych 
 
 Wprowadzenie 
 
 

 

 
 

Podstawowymi parametrami diody są: 
- maksymalny średni prąd przewodzenia I

Fmax

 - uznawany za prąd znamionowy I

Fn 

   

diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia (jest to parametr graniczny, 

  którego nie można przekroczyć bez uszkodzenia diody), 
- szczytowe wsteczne napięcie pracy U

Rwm

 (dodatkowo podaje się jeszcze powtarzalne 

szczytowe napięcie wsteczne U

Rrm

 i niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne U

Rsm 

). 

Spośród parametrów charakterystycznych do najważniejszych należą: 
- napięcie przewodzenia U

Fp

 przy prądzie przewodzenia I

F

=0,1·I

Fmax 

. 

- prąd wsteczny I

R

 przy określonym napięciu wstecznym U

R

 

(zazwyczaj U

R

=U

Rwm

). 

 
Jak widać na powyższym rysunku po przekroczeniu w kierunku przewodzenia napięcia U

Fp

 

prąd przewodzenia I

F

 płynący przez diodę bardzo mocno wzrasta do dużych wartości. Tak jak 

każdy element dioda ma również swoje parametry graniczne, których nie można przekroczyć 
bez jej uszkodzenia. Dlatego prąd przewodzenia diody nie może przekroczyć jej 
maksymalnego prądu przewodzenia I

Fmax

. 

Zmiany natężenia prądu idealnego złącza p-n w funkcji napięcia 
polaryzacji opisuje wzór Shockley´a: 
                 

                                I = I

S

·

 

 
gdzie:    I

s

 – prąd nasycenia złącza, 

             U – napięcie polaryzacji, 
             T – temperatura [K], 
             k= 1.38·10

-23

 J/K (stała Boltzmana) 

             e=1,6·10

-19

 C (ładunek elementarny). 

 
 Z dobrym przybliżeniem przyjmuje się, że dla U

F

>100mV: 

  

                                I= I

S

·

 

Tak to było zaliczone

     

 
Prąd I

s

 jest  prądem nasycenia uwzględniającym mechanizmy dyfuzji i rekombinacji, a 

wartość współczynnika n zależy od udziału składowej dyfuzyjnej i rekombinacyjnej w 
prądzie płynącym przez złącze. Współczynnik n przyjmuje wartość pomiędzy 1 (tylko prąd 
dyfuzji) i 2 (tylko prąd rekombinacji). Aby uwzględnić spadek napięcia na elementach diody 
poza obszarem ładunku przestrzennego zwykle wprowadza się pojęcie rezystancji 
szeregowej, co jest związane z założeniem, że te spadki napięcia są proporcjonalne do prądu 
płynącego przez złącze. Tak, więc najprostszy model diody w kierunku przewodzenia 
wygląda jak na rysunku poniżej 
   
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Element D ma charakterystykę opisaną wzorem Shockley´a ,  zamiast U, we wzorze 
podstawiamy  (U-I

F

R

s

). Wówczas wypadkowa charakterystyka diody może być opisana 

wzorem

: 

                               

                                           I= I

S

·

 

Po zlogarytmowaniu otrzymujemy  
                                    ln(I) = ln (I

s

) + 

 · (U–I

F

R

F

)   

Tak to było

     

 

  

U

 

Model diody w kierunku przewodzenia 

lub w  postaci  
              
                                     ln(I) = ln (I

s

) + 

 · (U–∆U)    

 
Jeśli tę charakterystykę narysować w układzie współrzędnych, na którym oś napięcia U jest 
liniowa a oś prądu, I

F

 ma podziałkę logarytmiczną, otrzymamy wykres jak na rysunku poniżej  

 
  

Po wykonaniu takiego wykresu można obliczyć z części liniowej wartość I

s

 oraz n, 

 a z części nieliniowej R

s

. Dla ułatwienia analizy wykresu w części liniowej pomijamy 

rezystancję szeregową, R

s

. 

 
 

Wyniki i obliczenia 
 

Na podstawie wykresu dla diody prostowniczej  1N4002 
 - wyznaczona wartość I

s

  wynosi 8·10

-11 

[A] = 80 pA 

 - współczynnik  nieidealności n wyznaczamy dla przyjętego odcinka wykresu  od  
   U

1

=0,58V ; I

1

=0,3mA   do U

2

=0,726V ; I

2

=13mA, temperatura otoczenia podczas ćwiczenia 

   wynosiła  23

O

C = 296K 

 

 

 
  -rezystancję szeregową   R

S

 obliczmy dla I=101mA wówczas przyjmujemy dla wybranej w 

wartości np. dla pomiaru nr …. ;  
    U

3

=0,803V , U

4

=0,814V 

 

                                         

 

Tak to było     

 
Na podstawie wykresu dla diody stabilizacyjnej  BZP620C12 
 - wyznaczona wartość I

s

  wynosi 1,2·10

-12 

[A] = 1,2 pA 

 - współczynnik  nieidealności n wyznaczamy dla przyjętego odcinka wykresu  od  
 U

1

=0,672V ; I

1

=0,68mA   do U

2

=0,741V;  I

2

=6mA, 

 temperatura otoczenia wynosiła 23

O

C = 296K 

 

 

 
  - rezystancję szeregową   R

S

 obliczmy dla I

3

=121,52mA wówczas przyjmujemy  

wartości………..;     U

3

=0,741V , U

4

=1,02V 

                                         

 

 
 
 

Tak to było    

 

 

 
Zadanie 3. 

Półprzewodniki posiadają pasmo wzbronione między pasmem walencyjnym a pasmem 
przewodzenia w zakresie 0 - 6 eV (np. Ge 0,7 eV, Si 1,1 eV , GaAs 1,4 eV, GaN 3,4 eV, AlN 
6,2 eV). Koncentracje nośników ładunku w półprzewodnikach można zmieniać w bardzo 
szerokich granicach, zmieniając temperaturę półprzewodnika lub natężenie padającego na 
niego światła lub przez ściskanie czy rozciąganie. W przemyśle elektronicznym najczęściej 
stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są pierwiastki grupy IV (np. krzem, german) 
oraz związki pierwiastków grup III i V (np. arsenek galu, azotek galu, antymonek indu) lub II 
i VI (tellurek kadmu). Materiały półprzewodnikowe są wytwarzane w postaci monokryształu, 
polikryształu lub proszku. Pomiędzy obszarami występuje różnica potencjałów, która tworzy 
barierę potencjałów zwaną warstwą zaporową . Warstwę zaporową charakteryzuje napięcie 
dyfuzyjne. I w zależności jakie jest to napięcie taki powstaje spadek na złączu. Napięcie 
doprowadzone do złącza i to napięcie dyfuzyjne sumują się lub odejmują i powstaje 
wypadkowa napięcia.  Spadki napięć na badanych diodach w kierunku przewodzenia są różne 
w zależności od technologii wykonania i użytych materiałów. Dla diody prostowniczej  jest to 
spadek napięcia na zwykłym krzemowym złączu p-n.  Dioda Schottky’ego to złącze m-s 
(metal-półprzewodnik), na tym złączu w kierunku przewodzenia odkłada się  dwukrotnie 
niższe napięcie niż na złączu krzemowym p-n.  Diody Zennera w kierunku przewodzenia 
mają podobny spadek napiecia jak diody prostownicze. W diodach LED do budowy złącza 
użyto arsenek galu, dodatkowo  dochodzą przejścia skośne i pośrednie, które są wynikiem 
odpowiedniego domieszkowania,  można uznać że jest to wynik dużej przerwy zabronionej 
(dla czerwonej LED 2.35eV ). 
 

 

 

Zadanie  4.    

Tak to było     

Na pierwszym rysunku  przedstawiony jest przebieg z najprostszego układu  prostownika 
jednopołówkowego,  przez diodę przedostają się tylko dodatnie połówki sinusoidy, gdyż 
wówczas na anodzie diody jest wyższy potencjał niż na katodzie i dioda jest spolaryzowana w 
kierunku przewodzenia ( gdy U

D

>0.6V)  napięcie u

wy 

 występuje więc jedynie przez połowę 

okresu napięcia  e(t)

 ,

  wartość szczytowa tego przebiegu jest równa  wartości napięcia 

szczytowego  e(t)  pomniejszona o spadek napięcia na diodzie.                                                
Znaczne zmniejszenie tętnień w układzie prostowniczym uzyskuje się przez włączenie 
między prostownik a obciążenie filtru wygładzającego napięcie. W filtrach takich stosuje się 
elementy zdolne do magazynowania energii elektrycznej . Najprostszy filtr ( tzw. filtr 
pojemnościowy), tworzy się przez dołączenie kondensatora równolegle do wyjścia 
prostownika (równolegle do obciążenia), zmienia to przebieg napięcia (rysunek drugi ),         
w dodatnim półokresie napięcia zmiennego u

wy 

, w chwili gdy napięcie u(t), doprowadzone do 

anody diody staje się większe od napięcia u

wy

 występującego na obciążeniu Ro, 

kondensatorze C i katodzie diody, dioda przewodzi wówczas prąd  płynący przez kondensator 
C i obciążenie R

o

. Powoduje to ładowanie kondensatora do napięcia u

wy 

 ze stałą czasową 

określoną przez pojemność C i niewielką rezystancję szeregową przewodzącej diody. Ze 
względu na bezwładność procesu ładowania napięcie na kondensatorze narasta wolniej niż 
napięcie u(t), na wykresach widać delikatne przesunięcie początku narastania szczytu . Po 
osiągnięciu maksymalnej wartości U

m

 napięcie u(t) zaczyna maleć. Zmniejsza się również 

napięcie na kondensatorze, lecz wolniej niż  napięcie u(t). W gdy napięcie u(t) na anodzie 
diody staje się mniejsze od napięcia na kondensatorze i katodzie diody, dioda przestaje 
przewodzić. Kondensator utrzymuje w dalszym ciągu dużą wartość napięcia u

wy

 , która 

powoli maleje wykładniczo w wyniku rozładowywania kondensatora przez obciążenie Ro ze 
stosunkowo dużą stałą czasową, równą C·Ro . W kolejnym dodatnim półokresie napięcia u(t), 
napięcie na anodzie diody staje się znowu większe od napięcia u

wy 

 na katodzie i kondensator 

C jest ponownie ładowany prądem przepływającym przez diodę. Napięcie u

wy 

 na obciążeniu i 

kondensatorze C wykazuje niewielkie wahania (tętnienia), znacznie mniejsze niż w układzie 
prostowniczym bez filtru (kondensatora). Wartość średnia U

wy

 tego napięcia jest duża, o 

wartości zbliżonej do Um. Prąd diody płynie tylko przez część dodatniego półokresu napięcia 
u(t), w tym czasie musi dostarczyć do kondensatora ładunek, wystarczający na pokrycie 
ciągłego przepływu przez obciążenie R

o

.                                                                                           

Następny rysunek przedstawia przebieg napięcia z prostownika dwupołówkowego, w tym 
przypadku przebieg napięcia pochodzi z dodatniej oraz ujemnej połówki przebiegu u(t),                 
a napięcie szczytowe u

wy 

 jest mniejsze od napięcia szczytowego u(t) o spadek napięcia na 

diodach w stanie przewodzenia.        

Tak to było                                                                                                     

Na kolejnym rysunku jest przebieg  napięcia z układu prostownika dwupołówkowego  z 
dołączonym kondensatorem  układ taki daje lepszą stałość napięcia  u

wy

 (i w rezultacie 

mniejsze tętnienia). Kondensator jest ładowany dwa razy częściej, w każdej połówce okresu, 
dzięki czemu w przerwach między ładowaniem spadek napięcia na kondensatorze jest 
mniejszy. Prąd diody ma mniejszą wartość maksymalną I

m 

niż w prostowniku 

jednopołówkowym, gdyż  ładunek, wymagany do przepływu przez obciążenie określonej 
wartości średniej prądu 

 

dostarczany jest przez dwa impulsy prądu dwóch diod.