Mechatronika 1 rok	Badanie własności prostowniczych diod półprzewodnikowych.	16.04.2011r.

1. Wstęp

Dioda jest to elektryczny element półprzewodnikowy. Cechą charakterystyczną jest wyłącznie jednokierunkowy przepływ prądu (w kierunku przewodzenia). Elektroniczne diody półprzewodnikowe wykonane są zazwyczaj, w oparciu o złącze dwóch półprzewodników (złącze p-n). W obszarze typu „n” występują nośniki większościowe ujemne (elektrony) oraz unieruchomione w siatce krystalicznej atomy domieszek (donory, V grupa układu okresowego). W obszarze typu „p” nośnikami większościowymi są dziury oraz atomy domieszek akceptorowych.

Stan w złączu niespolaryzowanym w pobliżu złącza p-n nośniki większościowe dyfudują, co spowodowane jest różnicą koncentracji nośników. Gdy elektrony przemieszczają się do obszaru „p” a dziury do „n”, stają się nośnikami mniejszościowymi. Dochodzi do rekombinacji z nośnikami większościowymi, które nie przeszły na drugą stronę złącza. Powoduje to redukcję nośników po obu stronach złącza. W efekcie powstają nieruchome jony, które wytwarzają pole elektryczne zapobiegające dalszej dyfuzji (warstwa zaporowa).

Polaryzacja w kierunku przewodzenia – bariera potencjałów zostaje zmniejszona o wartość zewnętrznego napięcia U. Gdy U przekroczy wartość napięcia dyfuzyjnego, wówczas obszar zubożony znika i praktycznie bez przeszkód następuje przepływ prądu elektrycznego.

Polaryzacja zaporowa – w tym przypadku bariera potencjałów zwiększa się, gdyż do napięcia dyfuzyjnego dodaje się napięcie zewnętrzne. Przy takiej polaryzacji płynie tylko niewielki prąd unoszenia.

Przebicie lawinowe – jeśli napięcie przyłożone w kierunku zaporowym jest odpowiednio duże, to nośniki przechodzące przez obszar zubożony uzyskują duża energię. Zderzają się z węzłami siatki krystalicznej przekazując im swoją energię, co powoduje przejście elektronów do pasma przewodnictwa (a więc i utworzenie dziur). Pojawiają się nowe nośniki, które również doznają przyspieszenia, zderzają się z węzłami siatki itd. Proces ten nabiera charakteru lawinowego i nazywany jest przebiciem lawinowym – nie powoduje jednak uszkodzenia złącza. Efektem jest gwałtowny wzrost prądu w obwodzie (prąd jonizacji lawinowej).

1. Tabela pomiarowa

DIODA I	DIODA II	DIODA III
Kierunek przewodzenia	Kierunek zaporowy	Kierunek przewodzenia
U [V]	I [mA]	U [V]
0,000	0,00	0,00
0,100	0,09	2,00
0,150	0,52	4,00
0,160	0,76	6,00
0,170	1,10	8,00
0,180	1,63	10,00
0,190	2,36	12,00
0,200	3,42	14,00
0,210	4,95	16,00
0,220	7,12	18,00
0,230	10,34	20,00
0,240	14,89	21,00
0,250	21,12	22,00
0,260	30,16	23,00
0,270	41,80	24,00

1. Obliczenia

- Niepewności pomiarowe należało wyznaczyć korzystając z :

ΔI= 0,02I ΔU= 0,04U

- Niepewność standardowa:

$$u\left( x \right) = \sqrt{\frac{({_{d}x)}^{2}}{3}}$$

Np.

Dla U= 0,170 [V]

U = 0, 04 * 0, 170 = 0, 068[V]

Np.

Dla I= 4,95[mA]

I = 0, 02 * 4, 95 = 0, 099[mA]

Pozostałe pomiary zostały obliczone analogicznie i zamieszczone w tabeli poniżej.

Dioda I
Kierunek przewodzenia
U [V]
0,000
0,100
0,150
0,160
0,170
0,180
0,190
0,200
0,210
0,220
0,230
0,240
0,250
0,260
0,270

Dioda II
Kierunek przewodzenia
U [V]
0,000
0,200
0,400
0,500
0,550
0,600
0,620
0,640
0,660
0,680
0,700
0,720
0,740
0,760
0,780

Dioda III
Kierunek przewodzenia
U [V]
0,000
0,200
0,400
0,500
0,600
0,630
0,650
0,680
0,700
0,710
0,720
0,730
0,740
0,750
0,760

1. Charakterystyki prądowo- napięciowe

2. Oszacowane wartości napięć progowych U_b diod z charakterystyk I= f(U):

- kierunek przewodzenia

U_b(I) = 0,15[V]

U_b(II) = 0,5[V]

U_b(III) = 0,6[V]

- kierunek zaporowy

U_b(I) = ---

U_b(II) = ---

U_b(III) = 18[V]

- Niepewność ΔU_b :

U_b = 0, 04 * U_b

- Kierunek przewodzenia:

U_b(I) = 0, 006[V]

U_b(II) = 0, 020[V]

U_b(III) = 0, 024[V]

- Kierunek zaporowy:

U_b(III) = 0, 72[V]

1. Wnioski

Celem ćwiczenia było zbadanie własności prostowniczych diod półprzewodnikowych oraz wyznaczenie ich charakterystyk prądowo- napięciowych. Z charakterystyk wynika, że dioda nr I najlepiej przewodzi prąd w kierunku przewodzenia, ponieważ jej napięcie progowe U_b jest najniższe. Jeżeli chodzi o kierunek zaporowy to wartości natężenia prądu dla diod I i II były w badanym zakresie napięcia rzędu 10^-4 mA a więc bardzo niskie. Jedynie dioda nr III od wartości 18V wykazała znaczny skok natężenia, więc uznałem, że ma najmniejszy opór.