1. CHARAKTERYSTYKI STAŁOPRĄDOWE DIODY P⁺­N

- diody prostownicze.

1.1. Równanie diody

Parametry elektryczne diod półprzewodnikowych są określone rodzajem i strukturą krystaliczną materiału półprzewodnikowego oraz właściwościami złącza PN. Wielkość prądu diody i_D zależy od kierunku i wartości przyłożonego napięcia u_D (rys.1.1).

Linia prosta aproksymująca duże prądy diody w kierunku przewodzenia dla u_F=u_D>0 wyznacza napięcie zagięcia charakterystyki U_K (_K - knee), które pozwala rozróżnić materiał półprzewodnikowy: około 0,4 V dla Ge, 0.7 V dla Si i 1,6 V dla GaAs.

Prąd w kierunku przewodzenia i_D=i_F przewyższa prąd rewersyjny i_R setki i tysiące razy - stąd należy pamiętać, że skale prądowe na poglądowych charakterystykach diod dla obu kierunków są różne. Przy dużych napięciach ujemnych u_R=u_D<<0 bardzo szybko wzrasta prąd rewersyjny. Przy napięciu U_B obserwujemy przebicie elektryczne diody, które często kończy się jej zniszczeniem. W warunkach statycznych parametry charakterystyki w kierunku przewodzenia i rewersyjnym są mierzone oddzielnie.

Prąd diody rzeczywistej w kierunku przewodzenia jest zasadniczo sumą prądów dwóch modelowych diod: rekombinacyjnej i dyfuzyjnej

(1.1)

gdzie:

I_GR0-zerowy prąd generacyjno-rekombinacyjny w obszarze złącza PN przy u_D=u_F→0,

I₀ - prąd rewersyjny nasycenia nośników mniejszościowych przy u_D=u_R<0,

r_S - rezystancja szeregowa diody (głównie jej bazy),

U_T - potencjał elektrodynamiczny (U_T =kT/q = 0,026 V przy 300 K),

u_D-i_Dr_S - napięcie bezpośrednio na złączu, przeciwne napięciu dyfuzyjnemu ψ₀.

Każda z tych diod staje się bardziej widoczna na charakterystyce diody rzeczywistej przedstawionej w półlogarytmicznym układzie współrzędnych (lni_D, u_D) lub (logi_D, u_D) różnym nachyleniem charakterystyki (rys.1.2). Przy bardzo uważnej analizie jej przebiegu można wyróżnić pięć zakresów w kierunku przewodzenia (u_D=u_F>0): małych prądów, rekombinacyjny, dyfuzyjny, dryftowy (przy wysokim poziomie iniekcji) i omowy, oraz trzy zakresy w kierunku zaporowym (u_D=u_R<0): małych prądów, nasycenia i przebicia.

Jak widać z przebiegu charakterystyki lni_D=f(u_D) i nachyleń prostych odcinków na jej poszczególnych zakresach, udział prądu rekombinacyjnego jest decydujący przy małych napięciach polaryzujących złącze w kierunku przewodzenia (0<u_D<4U_T). Można wykazać, że w symetrycznie zdomieszkowanym złączu zachodzi relacja: I_GR0/I₀ ≈4,5.10³ dla u_D=5U_T.

W diodach krzemowych prąd dyfuzyjny zaczyna dominować przy u_D≥16U_T. W takich warunkach prąd diody można aproksymować zależnością

(1.2)

gdzie: n - współczynnik nieidealności (emisji) złącza p-n, zaś I_s - efektywny prąd nasycenia diody, przy czym I₀≤I_s≤I_GR0 - w zależności od napięcia na diodzie.

Dla dużych napięć z zakresu diody dyfuzyjnej, takich że u_D≤U_Tln(N_D²/10n_i²), można przyjąć, że

(1.3)

Dla N_D = 10¹⁶ cm^-3 są to u_D<0,64 V oraz n≥1.

Przy dużym poziomie iniekcji nośników mniejszościowych do obszaru bazy nachylenie charakterystyki znowu maleje - tak że n≈2. Najwyżej wyróżnia się tzw. zakres omowy charakterystyki diody (rys.1.2). Prąd w tym zakresie staje się proporcjonalny do napięcia zewnętrznego na diodzie u_D, które w znacznej swej części odkłada się na rezystancji szeregowej r_S słabo zdomieszkowanej bazy (rys.1.3). Rezystancję szeregową wyznaczamy dla dużych stałych wartości prądu I_D obserwując rozbieżność napięcia u_D pomiędzy rzeczywistą wartością napięcia a napięciem wynikającym z modelowej jego wartości dla diody dyfuzyjnej (według rys.1.2)

(1.4)

Przy polaryzacji zaporowej (u_D=u_R<0) prąd rewersyjny nośników mniejszościowych jest praktycznie w całym zakresie napięć ujemnych powiększany prądem generacyjnym i prądem upływności powierzchniowej - aż do przebicia lawinowego przy napięciu U_B, inicjującym przebicie przy prądzie całkowitym I_BV (rys.1.1).

1.2. Parametry stałoprądowe diody

Zasadnicza cecha diody: duża rezystancja w kierunku zaporowym i niewielka jej wartość w kierunku przewodzenia, jest wykorzystywana w elementach prostowniczych, detekcyjnych i modulacyjnych. Są to wielkości nieliniowe.

Rezystancja stałoprądowa w kierunku przewodzenia dla stałej wartości napięcia u_D=U_F>0 wynosi zatem

dla U_F>3U_T (1.5)

zaś w kierunku zaporowym dla u_D= -U_R;

dla U_R>3U_T (1.6)

Współczynnik stałoprądowy prostowania jest definiowany następująco:

(1.7)

Jego wartość jest miarą nieliniowości diody. W katalogach wartość tego współczynnika jest podawana przy |U_D|=±1V. Ponadto dla diod prostowniczych ważne są dopuszczalne warunki pracy określane maksymalnymi wartościami prądu przewodzenia I_Fmax i napięcia rewersyjnego U_rmax, mocy rozpraszanej na diodzie P_max, a także maksymalnej i minimalnej temperatury otoczenia.

Wielkość mocy jest oceniana jako suma mocy rozpraszanych w diodzie przy prądzie przewodzenia i rewersyjnym

P = P_F +P_R (1.8)

W większości przypadków P_R<<P_F , i można przyjąć, że

P ≈ P_F = 2U_Fśr (1.9)

gdzie: U_Fśr i I_Fśr - wartości średnie napięcia i prądu w kierunku przewodzenia.

1.3. Przebieg ćwiczenia

Sposób wyznaczania prądów rewersyjnych I_o i I_s oraz rezystancji szeregowej r_S z charakterystyki rzeczywistej i_D=i_D(u_D) jest przedstawiony na rys.1.1. Taką charakterystykę możemy uzyskać bezpośrednio na monitorze oscyloskopu podłączonego do układu pomiarowego sporządzonego według rys.1.4.

Do przedstawienia charakterystyki w układzie półlogarytmicznym zbieramy wyniki metodą „punkt po punkcie” pomiarowym. Wyniki te uzyskujemy w układzie pomiarowym zmontowanym według rys.1.5.

Do pomiarów w kierunku zaporowym u_D=u_R<0 układ pomiarowy należy przebudować do postaci jak na rys.1.6.

Przedmiotem pomiarów są diody z różnych materiałów półprzewodnikowych. Diody typu BYP-401 i BAVP-17 mierzymy w kierunku przewodzenia w zakresie od 0,1 do 100 mA. Na wykresach lgi_D=i_D(u_D) należy wyszczególnić podstawowe zakresy prądów diody. Na podstawie nachylenia i przebiegu charakterystyki w tych zakresach, ekstrapolowanych do punktu przecięcia z prostą u_D=0, wyznaczyć charakterystyczne parametry równania (1.1). Określić także wartości współczynnika stałoprądowego prostowania dla każdej z diod przy |U_D|=±1V.

Przy opracowaniu wyników uwzględnić spadek napięcia na amperomierzu.

Uwaga: W kierunku zaporowym do diod przykładamy napięcie nie większe niż 10 V!

---