Sprawozdanie

Ćw. 2 - Diody półprzewodnikowe

Przygotował - Dawid Toporczyk

1. Cel ćwiczenia:

Zapoznanie się z działaniem wybranych diod półprzewodnikowych: uniwersalną krzemową, impulsową Schottky'ego, stabilizacyjną Zenera oraz świecącą LED

1. Spis przyrządów:

   1. Multimetr cyfrowy stacjonarny MXD-4660A,

   2. Multimetr cyfrowy przenośny DT-380,

   3. Dekadowy obciążalnik rezystancyjny OD-Rb.

2. Przebieg ćwiczenia:

   1. Podłączono układ poprawnego pomiaru napięcia, zgodnie ze schematem z rys. 1 w instrukcji do ćwiczenia.

   2. Zbadano charakterystyki przewodzenia dla wszystkich diod, dla wartości znamionowych prądu: 0,25; 0,5 ;1 ;2 ;5 ;10 ; 20 ; 30 [mA].

   3. Następnie, w tym samym układzie, zbadano charakterystykę przebicia dla diody Zenera, dla wartości znamionowych prądu: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30; 40; 50 [mA].

   4. Podłączono układ poprawnego pomiaru prądu, zgodnie ze schematem z rys. 2 w instrukcji do ćwiczenia.

   5. Zbadano charakterystyki zatkania dla wszystkich diod, dla wartości znamionowych napięcia: 0,5; 1; 2; 5 [V].

3. Tabele pomiarowe i charakterystyki:

Charakterystyki przewodzenia
Typ diody
Ifznam [mA]
0,25
0,5
1
2
5
10
20
30

Dioda LED zaczęła świecić przy prądzie 2 mA, a dla 10 mA świeciła już wyraźnie.

Charakterystyka I_F = f(u_F) skala liniowa

Charakterystyka I_F = f(u_F) skala pół-logarytmiczna

Charakterystyka przebicia - stabilizacyjna dla diody Zenera
Irznam [mA]
URZ [V]
IRZ [mA]

Charakterystyka I_RZ = f(U_RZ) diody Zenera

Charakterystyki zatkania
Typ diody
URznam [V]
0,5
1
2
5

Ponieważ prąd przepuszczany przez diody: krzemową, Zenera oraz LED, był tak mały, że mieścił się poniżej najmniejszego zakresu pomiarowego, wykreślenie charakterystyki wstecznej było możliwe jedynie dla diody Schottky'ego. Wykres poniżej:

­

Charakterystyka wsteczna dla diody Schottky'ego

5. Parametry modelu praktycznego i stosunek rezystancji statycznej do dynamicznej dla wszystkich diod w stanie przewodzenia oraz dla diody Zenera w stanie przebicia:

Liczono U_T0 oraz r_D dla prostej przechodzącej przez punkty pomiarowe I_fznam =20 mA i 10 mA.

Rezystancję statyczną wyliczano dla _­I_Fznam = 20 mA.

Dioda	Krzemowa	Schottky	Zener	LED zielona	Zener - przebicie
R [mΩ]	0,039643	0,014814	0,039773	0,116150	R [mΩ]
rD [mΩ]	0,004584	0,001964	0,001890	0,022300	rZ [mΩ]
R/r	8,647872	7,543083	21,041056	5,208520	R/r
UT0 [V]	0,6977	0,2557	0,7501	1,8770	UT0 [V]

$$R = \ \frac{U}{I}$$

$$r_{D} = \ \frac{U}{I}$$

U_T0 =   − B • r_d

$$B = I - \ \frac{U}{r_{D}}$$

5. Wyliczanie parametrów M oraz I_s w równaniu Shockley'a dla diod: krzemowej oraz LED:

Równania uproszczono usuwając, zgodnie z zaleceniem z instrukcji do ćwiczenia, "-1".

$$\left\{ \begin{matrix} I_{F1} = I_{S} \bullet exp\left( \frac{U_{F1}}{M \bullet 25,9mV} \right) \\ I_{F2} = I_{S} \bullet exp\left( \frac{U_{F2}}{M \bullet 25,9mV} \right) \\ \end{matrix} \right.\ $$

Równania podzielono stronami uzyskując:

$$\frac{I_{F1}}{I_{F2}} = \frac{exp\left( \frac{U_{F1}}{M \bullet 25,9mV} \right)}{exp\left( \frac{U_{F2}}{M \bullet 25,9mV} \right)}$$

$$\frac{I_{F1}}{I_{F2}} = exp\left( \frac{U_{F1} - U_{F2}}{M \bullet 25,9mV} \right)$$

Po obustronnym logarytmowaniu równania:

$$\ln\left( \frac{I_{F1}}{I_{F2}} \right) = \frac{U_{F1} - U_{F2}}{M \bullet 25,9mV}$$

$$M = \frac{U_{F1} - U_{F2}}{\ln\left( \frac{I_{F1}}{I_{F2}} \right) \bullet 25,9mV}$$

Po obliczeniu M i przekształceniu równania można wyliczyć drugi parametr:

$$I_{S} = \ \frac{I_{F1}}{exp\left( \frac{U_{F1}}{M \bullet 25,9mV} \right)}$$

Podstawiając do tych wzorów wartości I_F oraz U_F odczytane dla I_Fznam = 0,25 oraz 2 mA, otrzymano wartości:

Dioda	Krzemowa	LED zielona
M	1,80540	2,31052
Is [nA]	1,69	5,20·10^-8

5. Wnioski i uwagi:

   1. Charakterystyki przewodzenia wykreślone z pomiarów pokrywają się z przykładowymi charakterystykami z pomocy do ćwiczenia. Świadczy to o poprawnym działaniu wszystkich diod.

   2. Dla podłączonej zaporowo diody Zenera, po przybliżeniu się napięcia do granicznej wartości dopuszczalnej, funkcja I_RZ=f(U_RZ) zaczyna gwałtownie rosnąć.

   3. Dla większości diod, za wyjątkiem diody Schottky'ego, wykreślenie charakterystyk wstecznych było niemożliwe, gdyż wartość prądu była mniejsza, niż najniższy zakres pomiarowy.

   4. Przy wyznaczaniu parametrów w równaniu Shockley'a pominięto we wzorze "-1", co sprawiło, że otrzymane wartości tych parametrów różnią się od rzeczywistych.