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 p-n. 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 na wstępie badań 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 stałoprądowych pomiarów „punkt po punkcie” charakterystyki w kierunku przewodzenia i rewersyjnym są zdejmowane 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): małoprądowy, rekombinacyjny, dyfuzyjny, dryftowy (przy wysokim poziomie iniekcji) i omowy, oraz trzy zakresy w kierunku zaporowym (u_D=u_R<0): małoprądowy, 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 domieszkowanym 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. Przy małych wartościach prądu spadki napięcia na r_S w dobrych diodach (sygnałowych) można pominąć, i wtedy powyższe równanie ma bardziej wygodną postać Shockley'a

(1.2a)

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 słabej domieszkowanej 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 diod prostowniczych wartość tego współczynnika jest podawana przy |U_D|=±1V. Ponadto dla tego rodzaju diod 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 I_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 I₀ 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 obserwować na monitorze oscyloskopu podłączonego do przystawki pomiarowej według rys.1.4. Wartości u_D odczytujemy bezpośrednio, zaś prąd i_D uzyskamy z podzielenia odczytanej wielkości Y podzielonej przez 10  przy skręconym w prawo potencjometrze10-omowym.

Rys.1.4. Zestaw do obserwacji charakterystyki diod

Do wykreślenia charakterystyki w układzie półlogarytmicznym zbieramy starannie wyniki „punkt po punkcie” w metodzie dokładnego pomiaru napięcia na diodzie. Wyniki te uzyskujemy w układzie pomiarowym zmontowanym według rys.1.5.

Rys.1.5. Układ do pomiarów charakterystyki i_D= i_D(u_D) diody w kierunku przewodzenia

Do pomiarów w kierunku zaporowym u_D=u_R<0 układ pomiarowy należy przebudować do postaci jak na rys.1.6.(dokładny pomiar bardzo małego prądu rewersyjnego diody).

Rys.1.5. Układ do pomiarów charakterystyki
i_D= i_D(u_D) diody w kierunku zaporowym

Przedmiotem badań 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), czyli I₀, I_GR0 oraz współczynniki n dla dwóch pierwszych zakresów: rekombinacyjnego i dyfuzyjnego (o ile są one rozróżnialne na wykresach lgi_D=i_D(u_D)). 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!

Pomiary prądu nasycenia i współczynnika idealności diod sygnałowych (Schottky'ego)- metoda dwupunktowa.

W prosty sposób prąd I_S i współczynnik n diody może być wyznaczony po przyłożeniu do diody stałego napięcia i zmierzeniu wartości prądu I_D przy dwóch napięciach U_D1 i U_D2 - służy do tego przystawka przedstawiona na rys.1.6. Do niej dołączamy wysokiej klasy woltomierz cyfrowy (o rezystancji wejściowej nie mniejszej niż 10 MW) na zakresie 0.200 V.

W tym celu najwygodniej jest mierzyć prądy diody przy wartościach 6I_S i 3I_S. Wstawiając takie wartości prądów do równania Shockleya (1.2a), mamy: dla pierwszej wartości U_D=0,05000n [V], a dla drugiej U_D=0,03561n [V].

Rys.1.6. Przystawka do wyznaczania prądu nasycenia I_S

i współczynnika n diod sygnałowych.

Po właściwym podłączeniu diody pierwszą parę danych uzyskujemy, jeżeli ustawimy dwa pierwsze przełączniki na „V”, a trzeci na „LC” (low current). Następnie naciskamy czerwony przycisk i ustawiamy potencjometrem pierwszą wartość napięcia: np. U₁=0,055 V, po czym przełączamy się na „I” i odczytujemy drugą wartość U₂. W ten sposób uzyskaliśmy:

U_D1= U₁ oraz

Podobnie postępujemy, aby uzyskać drugą parę danych (U_D2, I_D2); ustawiając dwa pierwsze przełączniki na „V”, a trzeci na „LC” (low current). Następnie naciskamy czerwony przycisk i ustawiamy trzecią wartość napięcia: np. U₃=0,040 V, po czym przełączamy się na „I” i odczytujemy czwartą wartość U₄. Podobnie zatem mamy

U_D2= U₃ oraz

Te dwa zbiory danych (punkty pracy) diody wstawiamy do zależności Shockley'a (1.2a), uzyskując układ dwóch równań z dwiema niewiadomymi I_S i n, który należy rozwiązać.

Jeżeli prąd I_S badanej diody będzie zbyt wielki (dioda germanowa), to nie uzyskamy znaczących wartości U₁=0.055 V w pierwszej procedurze. Wtedy należy przełączyć się na „HC” (High Current). Dla dużego prądu napięcia odczytujemy na mniejszych rezystancjach, a prądy wyznaczamy tym razem z zależności:

oraz

W przystawce znajduje się prosty układ elektryczny zasilany baterią 1,5 V, przedstawiony na rys.1.7.

Rys.1.7. Schemat elektryczny układu do metody dwupunktowej pomiaru parametrów diody

---