Ćwiczenie 16. Badanie diody półprzewodnikowej
i układów prostownikowych
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się studentów z podstawowym elementem elektronicznym, jakim
jest dioda półprzewodnikowa oraz z podstawowymi układami prostowniczymi.
16.1. Dioda półprzewodnikowa i złącze p-n
Podstawowym elementem elektronicznym wykorzystującym jedno złącze p-n jest dioda
półprzewodnikowa. Złącze p-n powstaje na styku warstw półprzewodnika typu p i n. Półprzewodnik
typu n powstaje przez domieszkowanie półprzewodnika (najczęściej krzemu) pierwiastkiem o pięciu
elektronach walencyjnych (np. fosfor, arsen, antymon). Są to tzw. domieszki donorowe. W
półprzewodniku typu n zastąpienie jednego atomu krzemu przez atom domieszki powoduje, że jeden
elektron domieszki po dostarczeniu niewielkiej energii staje się elektronem swobodnie poruszającym
się w przestrzeni domieszkowanego kryształu. Półprzewodnik typu p powstaje przez domieszkowanie
półprzewodnika pierwiastkiem o trzech elektronach walencyjnych (np. bor, aluminium, gal). Są to
tzw. domieszki akceptorowe. Tego rodzaju domieszka powoduje, że wskutek braku elektronu (jedno z
wiązań jest  niekompletne ) powstaje tzw. dziura. Po dostarczeniu niewielkiej energii dziura może
zostać zapełniona przez dowolny elektron walencyjny sąsiedniego atomu. W ten sposób dziura może
przemieszczać się w krysztale półprzewodnika. W półprzewodniku typu n istnieje nadmiar elektronów
swobodnych (są one tzw. nośnikiem większościowym prądu). Analogicznie w półprzewodniku typu p
nośnikiem większościowym prądu są dziury. Należy wspomnieć, że w półprzewodniku typu n istnieje
pewna niewielka liczba dziur (są one w tym przypadku nośnikiem mniejszościowym). Podobnie w
półprzewodniku typu p nośnikiem mniejszościowym jest niewielka liczba elektronów swobodnych.
Istnienie nośników mniejszościowych wynika z przewodnictwa samoistnego półprzewodnika (tj.
przewodnictwa chemicznie czystego półprzewodnika).
Schemat złącza p-n przedstawiono na rys. 16.1. Na rys. 1 kropkami oznaczono elektrony swobodne,
a kółkami dziury (tzn. nośniki większościowe w odpowiednich obszarach półprzewodnika.
p n
"V0
Rys. 16.1. Złącze p-n
Ponieważ koncentracja elektronów swobodnych jest znacznie większa w obszarze n niż ich
koncentracja w obszarze p, a koncentracja dziur jest znacznie większa w obszarze p niż ich
koncentracja w obszarze n to w chwili powstania złącza p-n elektrony zaczynają dyfundować z
obszaru n do obszaru p, a dziury z obszaru p do obszaru n. Po przejściu przez złącze ładunki
większościowe ulegają rekombinacji i w ten sposób po obu stronach granicy między obszarami
powstają ładunki objętościowe. W obszarze n powstaje ładunek dodatni (niedomiar elektronów), a w
obszarze p ładunek ujemny (niedomiar dziur). Powstała w ten sposób na złączu różnica potencjałów
hamuje ruch nośników większościowych. W stanie równowagi wypadkowe strumienie elektronów i
dziur (obejmujące zarówno ruch nośników większościowych jak i mniejszościowych) są równe zeru.
- 93 -
Jeżeli do złącza p-n przyłożone zostanie napięcie w taki sposób, że potencjał dodatni będzie
występował na warstwie p, a potencjał ujemny na warstwie n to zewnętrzne pole elektryczne obniży
barierę potencjałów i nastąpi ruch nośników większościowych w kierunku warstwy zaporowej. Prąd
ten może przyjmować znaczne wartości przy niewielkim spadku napięcia na złączu p-n. Jest to
kierunek przewodzenia złącza p-n. W przypadku przeciwnej polaryzacji napięcia zewnętrznego
zwiększa się wysokość bariery potencjału i następuje odprowadzanie nośników ze strefy złącza p-n.
Przez złącze popłynie wówczas niewielki prąd nośników mniejszościowych. Jest to kierunek
zaporowy złącza p-n.
Charakterystykę prądowo-napięciową złącza p-n (a tym samym charakterystykę diody)
przedstawiono na rys. 16.2.
I
Uz
U
Rys. 16.2. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody półprzewodnikowej
Diody półprzewodnikowe odznaczają się małym spodkiem napięcia w kierunku przewodzenia. Dla
diod krzemowych wynosi on zwykle 0,6  1,4 V. Natomiast dla kierunku zaporowego w diodzie
płynie niewielki prąd wsteczny (ok. kilku mikroamperów), który gwałtownie wzrasta po
przekroczeniu tzw. napięcia przebicia Uz.
Podstawowym rodzajem diody jest dioda prostownicza (wykorzystywana. do budowy układów
prostowniczych). Inne często stosowane diody to: dioda Zenera (do budowy stabilizatorów), dioda
elektroluminescencyjna (LED) lub fotodioda. Wybrane symbole jakimi oznacza się diody na
schematach przedstawiono na rys. 16.3.
a) b)
d)
c)
Rys. 16.3. Symbole diod: a) prostowniczej, b) Zenera, c) elektroluminescencyjnej, d) fotodiody
- 94 -
 16.2. Prostowniki
Prostownik jest to układ umożliwiający przepływ prądu jednokierunkowego przez odbiornik w
sytuacji gdy z
ródło wytwarza napięcie przemienne. Najprostszym prostownikiem jest prostownik
jednopołówkowy, wykorzystujący jedną diodę prostowniczą. Schemat takiego prostownika wraz z
przebiegami prądu odbiornika i napięcia z
ródła przedstawiono na rys. 16.4.
a)
i(t)
R0
u(t)
b)
u(t)
i(t)
t
t
Rys. 16.4. Prostownik jednopołówkowy: a) schemat ideowy, b) przebiegi napięcia z
ródła i prądu
odbiornika
Przy prostowaniu jednopołówkowym prąd w odbiorniku płynie tylko przez połowę okresu napięcia
zasilającego. Dla wielu zastosowań może to być niekorzystne. Nadto jego wartość średnia jest
niewielka w stosunku do wartości skutecznej napięcia z
ródła (przy danym odbiorniku). Lepsze efekty
daje prostowanie dwupołowkowe, w którym prąd popłynie w całym okresie napięcia zasilajacego.
Schematy ideowe prostowników dwupołowkowych wraz z przebiegiem prądu odbiornika
przedstawiono na rys. 16.5.
W wielu zastosowaniach przez odbiornik powinna płynąć tylko składowa stała. W takich
przypadkach należy zastosować filtr wygładzający. Najprostszym rodzajem filtru jest kondensator
połączony równolegle z prostownikiem. Schemat ideowy prostownika dwupołówkowego z prostym
filtrem wygładzającym przedstawiono na rys. 16.6.
W przypadku rozwiązania przedstawionego na rys. 16.6 część harmonicznych prądu płynie
przez kondensator. Dzięki temu przez odbiornik płynie prąd praktycznie stały o niewielkiej jedynie
zawartości harmonicznych (ich wartość zależy od doboru kondensatora C).
- 95 -
D1
ia(t) i(t)=ia(t)+ib(t)
a) b) ia(t)
D1
D2
ib(t)
R0
i(t)=ia(t)+ib(t)
ib(t)
u(t)
u(t)
ia(t)
D4
R0
D3
D2
ib(t)
c)
i(t)
t
Rys. 16.5. Prostowniki dwupołówkowe: a) konwencjonalny (z dzielonym z
ródłem),
b) mostkowy (układ Graetza), c) przebieg prądu odbiornika
ia(t)
D1
D2
ib(t)
i(t)=ia(t)+ib(t)
ib(t)
u(t)
ia(t)
D4
C R0
D3
Rys. 16.6. Schemat ideowy prostownika dwupołówkowego z prostym filtrem wygładzającym.
16.3. Ćwiczenia laboratoryjne
16.3.1. Zdejmowanie charakterystyki diody w kierunku przewodzenia
1. Połącz układ według schematu z rys. 16.3.1.
2. Zdejmij charakterystykę I = f (U ) I = f(U) diody dla kierunku przewodzenia. Zwracaj uwagę aby
nie przekraczać wartości prądu podanej przez prowadzącego ćwiczenia.
Wyniki zanotuj w tabeli 16.1.
Tabela 16.1
Lp. U I
--- V mA
- 96 -
R
I
mA
+
ZS
Vel
D
Rys. 16.3.1 Schemat układu do wyznaczania charakterystyki diody w kierunku przewodzenia.
ZS  zasilacz, Vel  woltomierz elektroniczny, R  rezystor dekadowy, mA - miliamperomierz
16.3.2. Dioda jako prostownik jednopołówkowy
1. Połącz układ według rys. 16.3.2.
mA
oscyloskop
At.
R
Vel C
transformator
separacyjny
Rys. 16.3.2. Schemat układu prostownika jednopołówkowego. At  autotransformator,
Vel  woltomierz elektroniczny, R  rezystor dekadowy, C  kondensator dekadowy
mA  miliamperomierz (magnetoelektryczny)
2. Zmieniaj wartość pojemności C w zakresie podanym przez prowadzącego ćwiczenie. Zanotuj
wskazania przyrządów w tabeli 16.2. Zanotuj też amplitudę i okres przebiegu prądu obserwowanego
na ekranie oscyloskopu.
Tabela 16.2
Lp. C I U
--- mA V
�F
16.3.3. Prostownik dwupołówkowy w układzie mostkowym (Graetza)
1. Połącz układ według rys. 16.3.
2. Zmieniaj wartość pojemności C w zakresie podanym przez prowadzącego ćwiczenie. Zanotuj
wskazania przyrządów w tabeli 2. Zanotuj też amplitudę i okres przebiegu prądu obserwowanego na
ekranie oscyloskopu.
- 97 -
mA
oscyloskop
D1 D2
At.
R
Vel C
D4
D3
transformator
separacyjny
Rys. 16.3. Schemat układu prostownika dwupołówkowego. At  autotransformator,
Vel  woltomierz elektroniczny, R  rezystor dekadowy, C  kondensator dekadowy
mA  miliamperomierz (magnetoelektryczny)
- 98 -