Nr ćwiczenia: 1. + 5.	Temat ćwiczenia + data wykonania: Charakterystyki stałoprądowe diody p^+-n. Diody specjalne. 17.10.2006	Grupa laboratoryjna:
Wydział: EAIiE	Kierunek, rok, grupa: Elektronika i Telekomunikacja, rok 2A, gr. 1	Opracowanie wykonał:

Przebieg ćwiczenia:

1) Obserwacja charakterystyk diod: germanowej, pewnej diody prostowniczej oraz diody LED.

2) Obserwacja charakterystyk diod stabilizacyjnych 4.3V, 5.6V, 6.2V.

3) Przeprowadzenie dokładnego pomiaru napięcia na diodzie krzemowej metodą „punkt po punkcie” w kierunku przewodzenia.

Badania diody germanowej metodą „punkt po punkcie” oraz badania diod specjalnych metodą punktową niestety zespołowi nie udało się wykonać ze względu na złe funkcjonowanie sprzętu oraz brak czasu.

Opracowanie zebranych wyników:

1) Obserwację charakterystyk w kierunku przewodzenia diod: germanowej, pewnej diody prostowniczej oraz diody LED przeprowadzono wykorzystując układ pomiarowy zamieszczony obok. Obwód jest zasilany napięciem przemiennym. Charakterystykę obserwujemy na oscyloskopie. Otrzymane przybliżone szkice charakterystyk napięciowo-prądowych w kierunku przewodzenia umieszczono na kartce z wynikami, a także w sprawozdaniu. Na podstawie tych wykresów można wyznaczyć przybliżone wartości jednego z parametrów diod prostowniczych - napięcia zagięcia charakterystyki U_k.

a) ch-ka diody germanowej b) ch-ka pewnej diody prostowniczej c) ch-ka diody LED

X: 1 V/dz X: 2 V/dz X: 0,5 V/dz

Przybliżone wartości parametru U_k odczytane jako punkt przecięcia osi odciętych z linią prostą, aproksymującą duże prądy w kierunku przewodzenia, wynoszą:

a) dla diody germanowej: U_K ≈ 0,8 V

b) dla pewnej diody prostowniczej: U_K ≈ 3,2 V

c) dla diody LED: U_K ≈ 1,25 V

2) Obserwację charakterystyk diod stabilizacyjnych przeprowadzono używając układu pomiarowego z poprzedniego punktu. Otrzymane szkice charakterystyk napięciowo-prądowych również umieszczono na dołączonej do sprawozdania kartce z wynikami oraz w sprawozdaniu. Niestety zespół nie zanotował ustawionej czułości toru Y oscyloskopu, przez co nie można określić rezystancji dynamicznej r_z, rezystancji stałoprądowej R_z, a co za tym idzie współczynnika nieliniowości diody stabilizacyjnej β. Wymienione parametry można wyznaczyć za pomocą następujących zależności:

Można za to wyznaczyć przybliżoną wartość napięcia przebicia U_ZK.

a) dioda stabilizacyjna 4,3V b) dioda stabilizacyjna 5,6V

X: 1 V/dz X: 1 V/dz

Napięcie przebicia wynosi:

a) dla diody 4,3V: U_ZK ≈ 3,2 V

b) dla diody 5,6V: U_ZK ≈ 4,2 V

c) dla diody 6,2V: U_ZK ≈ 5,6 V

c) dioda stabilizacyjna 6,2V

X: 1 V/dz

3) Pomiar „punkt po punkcie” w metodzie dokładnego pomiaru napięcia na diodzie krzemowej w kierunku przewodzenia przeprowadzono używając układu pomiarowego zamieszczonego obok.

Dla diody krzemowej uzyskano następujące wyniki:

Na podstawie tych wyników można narysować dwa wykresy:

a) wykres pierwszy będący charakterystyką i_d=f(u_d) diody w kierunku przewodzenia, posiadający osie w skali liniowej

b) wykres drugi będący wykresem półlogarytmicznym ln(i_d)=f(u_d/U_T) - wartość potencjału termicznego elektronów przyjęto jako U_T = 25,8 mV w temperaturze T=300K

Na podstawie tych wykresów można wyznaczyć następujące parametry:

- napięcie zagięcia charakterystyki U_K (wykres w skali liniowej)

- I₀ - prąd rewersyjny nasycenia nośników mniejszościowych przy u_R≡u_d≤0 (wykres półlogarytmiczny)

- I_GR0 - zerowy prąd generacyjno-rekombinacyjny w obszarze złącza p-n przy u_d=U_F →0 (wykres półlogarytmiczny)

Napięcie zagięcia charakterystyki dla badanej diody wynosi: U_k ≈ 0,723 V.

Zaobserwowane zakresy na ch-ce półlogarytmicznej: małoprądowy, rekombinacyjny, dyfuzyjny i dryftowy.

Prąd rewersyjny nasycenia nośników mniejszościowych wynosi: I₀ ≈ 6·10^-6 mA = 6 nA.

Zerowy prąd generacyjno-rekombinacyjny wynosi: I_GR0 ≈ 11,2·10^-6 mA = 11,2 nA.

Dla badanej diody można wyznaczyć współczynnik nieidealności (emisji) złącza p-n, korzystając z równania dla prądu diody w zakresie dyfuzyjnym:

gdzie: n - współczynnik emisji r_S - rezystancja szeregowa diody

I_S - efektywny prąd nasycenia diody, spełniający warunek I₀≤I_S≤I_GR0

Należałoby obliczyć rezystancję szeregową diody. W tym celu korzystamy z zależności

gdzie Δu_D jest różnicą między zmierzonym napięciem dla danego prądu I_D a napięciem dla tego samego prądu wynikającym z funkcji aproksymującej charakterystykę diody w kierunku przewodzenia (funkcja wykładnicza).

Dla prądu I_D=70 mA: Δu_D ≈ 0,788-0,766 = 0,022 V.

A więc r_S ≈ 0,31 Ω.

Wyznaczamy współczynnik emisji z podanego wyżej równania na prąd diody:

Przyjmujemy: i_D = 0,025 mA, u_D = 0,39 V, I_S = 8,6 mA (najbardziej prawdopodobna wartość - średnia arytmetyczna I₀ i I_GR0), U_T = 25,8 mV.

Po podstawieniu do wzoru otrzymujemy n ≈ 1,895.

4) Wnioski:

Ćwiczenie, pomimo że nie zostało w pełni wykonane (zepsuty sprzęt pomiarowy i ograniczenie czasowe), pokazało istotne różnice pomiędzy różnymi typami diod półprzewodnikowych na bazie złącza p-n. Przede wszystkim napięcia zagięcia charakterystyk w przypadku charakterystyk napięciowo-prądowych są wyraźnie różne dla badanych diod. Pozwala to zidentyfikować przyrząd półprzewodnikowy ze względu na materiał, z którego jest wykonany. Ważnym parametrem jest również napięcie przebicia w przypadku diod stabilizacyjnych. Jako że jest niewiele mniejsze od napięcia stabilizacji, można go wykorzystać w celu przybliżonego wyznaczenia warunków pracy diody stabilizacyjnej. Z charakterystyk diod stabilizacyjnych można również wyznaczyć współczynnik nieliniowości diody wyrażający względne zmiany prądu płynącego przez diodę do wywołanych nim względnych zmian napięcia. W ćwiczeniu jednak nie był on wyznaczony ze względu na niedostateczną ilość danych. Ćwiczenie pokazało również sposób wyznaczenia współczynnika nieidealności diody oraz rezystancji szeregowej. Parametry U_K i n zgadzają się z danymi katalogowymi. Parametr r_S jest zgodny z oczekiwaniami.

ud = UF [V]	id = IF [mA]
0,276	0,001
0,299	0,003
0,333	0,006
0,359	0,012
0,390	0,025
0,424	0,055
0,445	0,100
0,484	0,210
0,524	0,490
0,568	1,000
0,619	2,500
0,652	4,900
0,685	10,000
0,722	20,000
0,745	31,000
0,761	42,000
0,770	50,000
0,781	61,000
0,788	70,000
0,792	76,000

---