WTŻ I; gr.10

12.03.2002

Ćwiczenie P46/47. Badanie diody półprzewodnikowej.

Celem ćwiczenia P46 jest pomiar charakterystyk prądowo- napięciowych diody prostowniczej oraz diody elektroluminescencyjnej dwukolorowej, natomiast w ćwiczeniu P47 badać będziemy własności prostownicze prądu sinusoidalnie zmiennego za pomocą diody oraz układu - 4 diody i opornik.

Pierwiastki IV grupy układu okresowego, takie jak german i krzem, tworzą wiązanie atomowe i są typowymi przedstawicielami półprzewodników. Ze względu na położenie w czwartej grupie mają po cztery elektrony walencyjne, które biorą udział w wiązaniu z czterema najbliższymi sąsiednimi atomami. Elektrony walencyjne nie są elektronami swobodnymi. Oderwanie elektronu walencyjnego od atomu jest możliwe, ale wymaga dostarczenia odpowiedniej ilości energii. Uwolniony elektron może poruszać się w obszarze pomiędzy atomami i brać udział w przewodzeniu prądu.

W półprzewodniku w przewodzeniu prądu uczestniczą nie tylko elektrony swobodne. W wyniku oderwania się elektronu od atomu, powstaje wolne miejsce zwane dziurą, które może być zapełnione przez elektron z sąsiedniego wiązania. W związku z tym dziury przemieszczają się w stronę przeciwną do ruchu elektronów, czyli zachowują się jak swobodne ładunki dodatnie. Jeżeli mamy do czynienia z półprzewodnikiem czystym przewodnictwo nazywane jest przewodnictwem samoistnym. Liczbę dziur lub elektronów możemy zwiększać przez odpowiednie domieszkowanie kryształu. Jeśli do czterowartościowego półprzewodnika wprowadzimy niewielką ilość pierwiastka pięciowartościowego (np. fosfor, antymon), zwiększymy liczbę elektronów swobodnych. Taki półprzewodnik nazywamy przewodnikiem typu n. Obecność atomów trójwartościowych (np. bor, aluminium) w germanie lub krzemie powoduje zwiększenie liczby dziur. Taki półprzewodnik nazywamy przewodnikiem typu p.

Złącze dwóch półprzewodników różnych typów nazywane jest diodą półprzewodnikową. Dioda półprzewodnikowa ma własności prostowania prądu elektrycznego. Oznacza to, że przy tej samej różnicy potencjałów, przyłożonej do złącza, prąd płynący w kierunku przewodzenia, od półprzewodnika typu p do półprzewodnika typu n, ma natężenie wielokrotnie większe od prądu płynącego w kierunku zaporowym, od półprzewodnika typu n do półprzewodnika typu p.

Kierunek przewodzenia to taki kierunek polaryzacji złącza, który sprzyja przepływowi elektronów z materiału n do p i dziur z materiału p do n i otrzymujemy prąd, którego natężenie bardzo szybko wzrasta wraz ze wzrostem napięcia.

Charakterystyka prądowo napięciowa, czyli zależność natężenia prądu od napięcia dla polaryzacji zaporowej i przewodzenia przedstawia wykres:

Diody elektroluminescencyjne są to diody, które emitują strumień fotonów w wyniku zamiany energii elektrycznej w promienistą. Zjawisko to obserwujemy w złączu p - n, spolaryzowanym w kierunku przewodzenia. Nadmiarowe elektrony i dziury są wstrzykiwane do rejonu złącza, gdzie może następować ich rekombinacja promienista. Diody emitujące promieniowanie widzialne są stosowane jako wskaźniki optyczne.

Dioda dwukolorowa składa się z dwóch diod elektroluminescencyjnych połączonych antyrównolegle. Dioda emitująca światło czerwone przepuszcza prąd w jednym kierunku, a dioda emitująca światło zielone przepuszcza prąd w kierunku przeciwnym. Jeżeli do takiej diody przyłożone jest napięcie stałe, to będzie ona emitowała światło czerwone lub zielone, w zależności od polaryzacji. Gdy natomiast przyłożymy napięcie zmienne, będziemy obserwowali błyski światła na przemian zielone i czerwone. Dioda dwukolorowa emitująca światło jest przykładem diody Zenera, która pozwala na przepływ prądu w obu kierunkach, przy dostatecznie dużym napięciu.

Jeżeli do diody zostanie przyłożone napięcie sinusoidalne zmienne, przez diodę popłynie prąd tylko dla napięcia odpowiadającego polaryzacji w kierunku przewodzenia. Następuje wtedy prostowanie jednokierunkowe, gdyż wykorzystywana jest tylko jedna połówka sinusoidy prądowej(górna lub dolna). Kierunek takiego prądu jest stały, a wartość natężenia prądu zmienia się okresowo. Otrzymujemy wtedy wyprostowany prąd tętniący. Dzięki zastosowaniu układów, składających się z większej liczby diod, możliwe jest prostowanie dwukierunkowe, wykorzystywane są wtedy obydwie połówki sinusoidy prądowej.

Do wykonania ćwiczenia P46 potrzebny będzie:

-Interfejs Scence Workshop 700,

-wzmacniacz mocy,

-płyta do badania obwodów AC/DC,

-dwa czujniki napięcia,

-dioda 1N-4007,

-dioda dwukolorowa,

-opornik 1 kΩ,

-przewody połączeniowe.

Podłączamy czujniki napięcia do kanałów: A i B interfejsu, a wzmacniacz mocy do kanału C. Diodę 1N - 4007 podłączyć należy pomiędzy dwiema sprężynkami, tak, aby szary pasek był z lewej strony jak na powyższym rysunku. Opornik podłączamy między dwiema naprzeciwległymi sprężynkami, co widać na rysunku. Sprężynki znajdujące się z lewej strony diody i opornika łączymy drutem. Następnie łączymy przewodami wzmacniacz mocy z gniazdami bananowymi układu, po czym włączamy komputer i interfejs. Ustawiamy częstość pomiaru na 2 Hz i rozpoczynamy pomiary. Po przeprowadzeniu pomiarów i narysowaniu wykresu diodę 1N-4007 zmieniamy na diodę dwukolorową.

Pomiary dla diody 1N-4007 i dla diody dwukolorowej przedstawia poniższa tabela

Dla diody 1N-4007			Dla diody dwukolorowej
Natężenie I (mA)	1,00	2,01	2,89	-4,13	-2,00	-0,07	0,00	1,96	3,91
Napięcie U (V)	0,625	0,661	0,688	-2,08	-1,95	1,74	-1,76	1,98	2,08

Na wykresie I widać, że dla diody 1n-4007 wraz ze wzrostem napięcia natężenie też rośnie. Początkowo powoli, a od punktu A(1;0,6) zaczyna wzrastać coraz szybciej. Wynika to z redukcji oporu na złączeniu półprzewodników typu n - p. Biorąc pod uwagę diodę dwukolorową widzimy, że wraz ze wzrostem napięcia natężenie też rośnie. Początkowo dioda świeci na czerwono i są to wartości ujemne od punktu (-1,75; 0), następnie w przedziale od (-1,75; 1,75) w zerze dioda nie świeci i od (1,75; 0) dioda świeci na zielono.

Z porównania wykresu dla diody 1N-4007 i diody dwukolorowej wynika, że:

- skok natężenia prądu dla diody 1N-4007 następuje wcześniej niż dla diody dwukolorowej,

- dioda 1N-4007 przewodzi prąd tylko w jednym kierunku,

- kolor świecenia diody zmienia się wraz ze zmianą kierunku przepływu prądu,

- dioda dwukolorowa przewodzi prąd w obu kierunkach,

W ćwiczeniu P47 prostowanie prądu zmiennego za pomocą diody przeprowadzamy w takim samym układzie jak w ćwiczeniu P46.

Na wykresie II przedstawione są dwie krzywe. Jedna obrazuje wartość prądu zmiennego, druga obrazuje, w jaki sposób dioda prostuje prąd zmienny. W miejscach gdzie wartości napięcia są dodatnie wartość napięcia prądu przepływającego przez diodę nie ulega zmianie, tam zaś gdzie wartości napięcia prądu są ujemne, prąd przepływa w przeciwnym kierunku i widzimy zanik napięcia. Prąd płynie w jednym kierunku, napięcie zmienia się okresowo w okresie takim samym jak zmiany kierunku prądu doprowadzonego do diody, mamy do czynienia prądem wyprostowanym tętniącym.

Następnie za pomocą układu - 4 diody i opornik100Ω, połączonych jak na poniższym rysunku przeprowadzamy pełne prostowanie prądu.

Z analizy wykresu III wynika, że jeśli przez taki układ będzie płynął prąd o sinusoidalnie zmiennym napięciu, to nastąpi wówczas dwukierunkowe prostowanie prądu. W tym wypadku inaczej niż poprzednio prąd nie będzie zanikał w miejscu, gdzie napięcie prądu doprowadzonego do diody jest ujemne, lecz zmienia swą wartość na dodatnią.

W pierwszej części ćwiczenia zostały wykazane właściwości prostownicze prądu zmiennego przez diodę 1N-4007, przy czym prąd został zmieniony na prąd jednokierunkowy tętniący, zanikający w jednakowych kierunkach czasu.

W drugiej części ćwiczenia, gdzie braliśmy pod uwagę układ cztery diody 1N-4007 i opornik 100Ω uzyskujemy prostowanie dwukierunkowe. Czasie jednej połowy okresu prąd płynie przez dwie diody znajdujące się w układzie naprzeciw siebie, w czasie drugiej połowy przez dwie pozostałe.

1

---