LABORATORIUM ELEKTRONIKI
Numer ćwiczenia: 1	Temat ćwiczenia: Badanie diod półprzewodnikowych.	Zespół: 1.Długosz Łukasz 2.Duda Piotr 3.Łagan Ilona 4.Sadowski Piotr
Data wykonania: 08.10.1999	Data oddania do sprawdzenia:	Ocena:

1.Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami diod półprzewodnikowych : prostowniczych ( germanowej i krzemowej ), Zenera i elektroluminescencyjnych poprzez pomiar ich charakterystyk.

2.Układy do pomiaru charakterystyk diod półprzewodnikowych.

Schemat do pomiaru charakterystyk diody półprzewodnikowej przedstawiono na rys.1. Układ do pomiaru charakterystyki diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia (rys.1a) różni się od układu do pomiaru charakterystyki diody spolaryzowanej w kierunku zaporowym (rys.1b) miejscem dołączenia mierników. W przypadku polaryzacji w kierunku przewodzenia woltomierz dołącza się bezpośrednio do zacisków diody, amperomierz zaś-szeregowo z diodą i woltomierzem. Jest to układ poprawnie mierzonego napięcia, który jest stosowany w przypadku, gdy badany element ma małą rezystancję.

a) b)

Rys.1.Schemat układu do pomiaru charakterystyk diody a) w kierunku przewodzenia, b) w kierunku zaporowym.

W przypadku polaryzacji w kierunku zaporowym amperomierz łączy się szeregowo z diodą - układ poprawnie mierzonego prądu; stosowany w przypadku dużej rezystancji badanego elementu.

Błąd popełniamy przy pomiarach dzięki zastosowaniu tych układów jest do pominięcia. Inne włączenie mierników do układu prowadziłoby do dużych błędów i wymagałoby ich uwzględnienia.

3.Tabelaryczne zestawienie wyników pomiarów.

Dioda BYP 401 w kierunku przewodzenia
U[V]	0,206	0,607	0,657	0,715	0,728	0,749	0,763	0,766	0,768	0,771	0,774
I[mA]	2,07	3,29	9,27	30,02	39,3	59,6	80,3	86,1	89,6	95,1	100,3

Dioda BYP 401 w kierunku zaporowym
U[V]	0,7	1	1,5	2,2	3,1	4,5	5,25	6	10	18	25
I[μA]	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1

Dioda DZG1 w kierunku przewodzenia
U[V]	0,224	0,255	0,277	0,293	0,302	0,316	0,336	0,348	0,359	0,366	0,375
I[mA]	5,25	9,66	14,85	20,14	24,08	31,23	45,7	56,5	69,4	79,2	92

Dioda DZG1 w kierunku zaporowym
U[V]	0,1	0,6	2,5	4	5	6,7	9,4
I[μA]	17,1	34,8	35,5	36	36,27	37,2	38,1

Dioda Zenera 3V9 w kierunku przewodzenia
U[V]	0,224	0,255	0,277	0,293	0,302	0,316	0,336	0,348	0,359	0,366	0,375
I[mA]	5,25	9,66	14,85	20,14	24,08	31,23	45,7	56,5	69,4	79,2	92

Dioda Zenera 3V9 w kierunku zaporowym
U[V]	2,061	2,079	2,182	2,332	2,362	2,398	2,424	2,45	2,505	2,534	2,725
I[μA]	18,8	20,5	30,5	53,1	59	67,4	74	81	97	106,6	2100

Dioda Zenera 5V6 w kierunku przewodzenia
U[V]	0,695	0,758	0,778	0,797	0,808	0,819	0,828	0,831	0,837	0,841	0,842
I[mA]	1,26	6,24	11,5	21,35	30,05	44,2	61,9	69,1	87,3	95,5	99,8

Dioda Zenera 5V6 w kierunku zaporowym
U[V]	4,21	4,59	4,78	4,96	5,07	5,12	5,19	5,20	5,23	5,28	5,54
I[μA]	4,6	12,1	20,1	32	45,6	53,2	69,1	72,4	79,1	93,2	1725

Dioda Zenera 6V8 w kierunku przewodzenia
U[V]	0,723	0,772	0,786	0,798	0,803	0,811	0,817	0,819	0,82	0,821
I[mA]	1,85	10,8	19,46	31,4	39,5	56,3	74,8	82,1	95,01	100,7

Dioda Zenera 6V8 w kierunku zaporowym
U[V]	2,24	4,77	5,30	5,63	5,8	5,96	6,1	6,17	6,18	643	6,47
I[μA]	1	15,2	23,8	33,8	42,1	54,3	71,5	87,2	91,1	1220	2977

Dioda Zenera 7V5 w kierunku przewodzenia
U[V]	0,741	0,803	0,822	0,83	0,838	0,847	0,85	0,85	0,853	0,859	0,861
I[mA]	1,22	11,01	21,51	29,75	38,6	54,3	66,7	72,9	79,7	92,2	101,9

Dioda Zenera 7V5 w kierunku zaporowym
U[V]	6,02	7,18	7,2	7,2	7,21	7,22
I[μA]	0,8	6,3	15,1	29,01	160	1650

Dioda Zenera C10 w kierunku przewodzenia
U[V]	0,781	0,814	0,832	0,845	0,861	0,869	0,879	0,884	0,887	0,891
I[mA]	3,68	11,22	20,4	29,64	44,9	56,4	72,1	82,4	95,3	102,8

Dioda Zenera C10 w kierunku zaporowym
U[V]	11,21	11,4	11,75	11,86	11,88
I[μA]	1,3	1,4	24	796	2150

Dioda Zenera C15 w kierunku przewodzenia
U[V]	0,759	0,798	0,824	0,838	0,871	0,879	0,893	0,907
I[mA]	2,92	10,12	20,51	29,5	56,6	66,6	81,7	98,1

Dioda Zenera C15 w kierunku zaporowym
U[V]	5,01	8,22	10,36	12,28	14,68	15,07	15,08	15,2
I[μA]	0,6	0,9	1,1	1,3	1,9	215	314	1200

Dioda CQP 441 w kierunku przewodzenia
U[V]	1,579	1,618	1,645	1,659	1,677	1,692	1,705	1,72	1,724	1,734
I[mA]	3,71	11,1	20,7	28,8	42,6	55,2	70,6	85,7	92,2	104

Dioda CQP 442 w kierunku przewodzenia
U[V]	1,886	2,024	2,135	2,221	2,322	2,443	2,543	2,617	2,716	2,835
I[mA]	2,6	12,09	21,64	30,54	41,3	53,6	65,8	74,1	85	98

Dioda CQP 443 w kierunku przewodzenia
U[V]	1,83	1,98	2,075	2,164	2,231	2,335	2,48	2,617	2,718	2,85
I[mA]	2,89	10,3	16,6	24,05	30,4	41,1	56,1	71,5	83,1	99,3

4.Wykresy charakterystyk napięciowo-prądowych.

5.Obliczenia.

Korzystając ze znanego wzoru wyrażającego zależność prądu diody od napięcia na złączu:

(gdzie: I jest prądem diody, I_S - prądem nasycenia, zależna m.in. od temperatury i stopnia domieszkowania obszarów diody, U_J - napięciem na złączu diody, e - ładunkiem elektronu,  - bezwymiarowym współczynnikiem, k - stałą Boltzmana, T - temperaturą bezwzględną);

oraz ze wzoru wyrażającego napięcie na złączu:

(gdzie: U jest napięciem na końcówkach diody, r_S - rezystancją szeregową diody);

stosując elementarne przekształcenia matematyczne oraz w oparciu o znajomość prądów i napięć w trzech dowolnych punktach charakterystyki, otrzymujemy następujące wzory:

Przyjęto 3 następujące punkty na charakterystyce (dla diody BYP 401):

I₁ = 2,07 mA U₁ = 0,206 V

I₂ = 59,6 mA U₂ = 0,749 V

I₃ = 95,1 mA U₃ = 0,771 V

Dla tak wybranych punktów otrzymano następujące wyniki:

r_S = 2,246 

 = 1.242

I_S = 2.487 * 10^-11 A

Rezystancja statyczna wyraża się następującym wzorem:

- dla diody BYP 401 w punkcie I_p = 50 mA i U_p = 0.74 V R = 14,8 

Rezystancja dynamiczna wyraża się następującym wzorem:

Dla diody BYP 401 mamy:

ΔU=0,08V ΔI=60mA

ρ=1,3Ω

Dla diody DZG1 mamy:

w punkcie I_p = 50 mA i U_p = 0,34 V R = 6,8 

ΔU=0,07V ΔI=60mA ρ=1,16 Ω

Dla diody 3V9 mamy(dla diod Zenera rezystancja mierzona jest, gdy diody pracują zaporowo) :

w punkcie I=125μA i U = 2,8 V R = 22400 

ΔU=4,2V ΔI=580μA ρ=7241 Ω

Dla diody 5V6 mamy:

w punkcie I=125μA i U = 5,78 V R = 46240 

ΔU=4,3V ΔI=580μA ρ=7413 Ω

Dla diody 6V8 mamy:

w punkcie I=125μA i U = 6,45 V R = 51600 

ΔU=3,9V ΔI=580μA ρ=6724 Ω

Dla diody 7V5 mamy:

w punkcie I=125μA i U= 7,2 V R = 57600 

ΔU=4,05V ΔI=580μA ρ=6982 Ω

Dla diody C10 mamy:

w punkcie I=125μA i U = 11,85 V R = 94800 

ΔU=2,5V ΔI=580μA ρ=5000 Ω

Dla diody C15 mamy:

w punkcie I=125μA i U = 15 V R = 120000 

ΔU=3,75V ΔI=580μA ρ=6465 Ω

Dla diody CQP 441 mamy:

w punkcie I=50mA i U_p = 1,68 V R = 33,6 

ΔU=0,08V ΔI=40mA ρ=2 Ω

Dla diody CQP442 mamy:

w punkcie I_p = 50 mA i U_p = 2,4 V R = 48 

ΔU=0,36V ΔI=40mA ρ=9 Ω

Dla diody CQP 443 mamy:

w punkcie I_p = 50 mA i U_p = 2,45 V R = 49 

ΔU=0,35V ΔI=40mA ρ=10,25 Ω

6.Wnioski.

Po przeprowadzonych przez nas pomiarach doszliśmy do następujących wniosków. Otóż zauważyliśmy, iż dioda krzemowa zaczyna przewodzić dopiero po przekroczeniu napięcia progowego U_p=0,6V. Dioda germanowa zaczyna przewodzić po przekroczeniu napięcia progowego U_p.= 0,2V. Jest więc przydatna przy pracy z bardzo małymi napięciami rzędu dziesiątych części wolta. Jednak diody te są okupione ważną wadą dyskwalifikującą je jako prostowniki napięcia w zasilaczach, ponieważ mają bardzo małe napięcie progowe. Z charakterystyk widać, że diody przy pracy w kierunku zaporowym praktycznie nie przewodzą prądu; dla diody krzemowej mikroamperomierz przy najmniejszym zakresie wskazywał prąd rzędu 0,1A, dla diody germanowej nieznacznie więcej-rzędu 30 Dlatego diody te, jak sama nazwa wskazuje, wykorzystywane są w układach do prostowania przebiegów zmiennych.

Diody Zenera w kierunku przewodzenia zachowują się podobnie do diody krzemowej. Natomiast kierunku zaporowym zaczynają dopiero przewodzić dla napięć o wartościach określonych na ich obudowie (tj. 3V9, 5V6, 6V8, 7V5, C12, C15).Ważnym parametrem charakteryzującym dany typ diody jest obok napięcia Zenera jej rezystancja dynamiczna. Rezystancja dynamiczna jest większa dla tych diod, które mają większe napięcie stabilizacji.

Diody elektroluminescencyjne (LED) w kierunku przewodzenia zachowują się podobnie jak diody germanowe, zaczynają przewodzić przy napięciu pow. 1,5V, przy czym w odróżnieniu od diod germanowych po przekroczeniu napięcia progowego charakterystyka staje się niemal prostoliniowa i nachylona pod kątem charakterystycznym dla materiału, z którego została wykonana. Od materiału też zależy kolor wydzielanego światła. Ze względu na tą własność świecenia diody te wykorzystywane są jako wskaźniki poziomu sygnału w przyrządach pomiarowych i sprzęcie domowego użytku.

Dla zminimalizowania błędów pomiaru do zdejmowania charakterystyki diod w kierunku przewodzenia korzystano z układu poprawnie mierzonego napięcia, natomiast do charakterystyki diod w kierunku zaporowym korzystano z układu poprawnie mierzonego prądu(wyjątkiem były diody Zenera, gdzie w obu kierunkach przewodzenia zastosowano układ poprawnie mierzonego napięcia).

Wszelkie niedokładności były spowodowane brakiem doświadczenia zespołu oraz pośpiechem wynikającym ze sporej ilości pomiarów.

V

mA

V

E

+

--

--

+

E

A

R₀

R₀

---