T1 Diody półprzewodnikowe

Układy pomiarowe, charakterystyki, parametry i modele diod. Niedokładności badań: systematyczna niepewność metody badań i niepewności przyrządów pomiarowych.

Przed zajęciami.

a) Zapoznaj się z teoretycznymi charakterystykami wymienionych diod, metodami opisu ich działania (modelami), układami do badania charakterystyk diod - obiektów bardzo niesymetrycznych i nieliniowych.

b) Zastanów się, dlaczego do badania diod w zakresie przewodzenia i stabilizacji polecam stosowanie układu Poprawnego Pomiaru Napięcia (skrót PPN, rys.1), a w zakresie zatkania - układ Poprawnego Pomiaru Prądu (skrót PPP, rys.2). Może się mylę? Uzasadnij swoją odpowiedź.

c) Przygotuj procedurę wyznaczania parametrów do pkt. C „Uwag do sprawozdania”, wraz z zastrzeżeniem wynikającym z uproszczenia równania.

Zbadasz charakterystyki statyczne diod:

(Dane w nawiasie to dopuszczalne, graniczne: prąd przewodzenia i napięcie wsteczne I_F(AV)M /U_RWM .)

D1  uniwersalna krzemowa 1N4148 (0,2A/75V),

D2  impulsowa Schottky'ego 1N5819 (1A/40V),

D3  stabilizacyjna tzw. Zenera BZP683-C6V8

(0,2A/U_Znom = 6,8V, w zakresie stabiliz. P_Dmax = 0,4W),

D4  świecąca LED (30mA/5V).

Program ćwiczenia.

1. W kierunku przewodzenia badaj I_F = f(U_F) w układzie
z rys.1 wszystkich diod przy I_F = 10/30/100μA/0,3/1/3/
10/30mA (zaznacz I_F początku świecenia oraz wyraźnego świecenie LED). Wbrew zapisowi charakterystyki reguluj prąd za pomocą E_v i R_v (indeks v od variable czyli zmienny, regulowany) - tak jest wygodniej, ale w sprawozdaniu tabela i wykresy I_F = f(U_F).

2. W tym samym układzie (rys.1) zbadaj zakres stabilizacji diody Zenera I_RZ = f(U_RZ) przy I_RZ = 0,1/0,2/0,5/1/2/5/10/
20/30mA/... do I_RZmax = 0,8P_Dmax /U_Znom (oblicz ten prąd!).

3. W zakresie zaporowym badaj I_R = f(U_R) (rys.2) wszystkich diod przy U_R = 0,5/1/2/5V. * Większość diod wykaże prąd wsteczny niemierzalny na najniższym zakresie 20,00 μA miernika DT380. Możesz jednak wykorzystać do pomiarów prądu ten miernik na zakresie 200,0 mV (ma R_V = 10MΩ), mierzący spadek napięcia na rezystorze 100 kΩ; jaki będzie to zakres prądowy?

Uwagi do sprawozdania. W programie EXCEL stosuj do swoich badań tylko typ wykresu XY! W sprawozdaniu między innymi:

A. Wykreśl rodziny charakterystyk przewodzenia (wszystkie diody razem) - w skalach liniowych a następnie półlogarytmicznych - skala U liniowa (co zauważasz na drugiej rodzinie charakterystyk?). Wykreśl także charakterystykę zakresu stabilizacji diody Zenera w skalach liniowych, z przesunięciem początku skali napięciowej.

B. Wyznacz parametry modelu praktycznego wszystkich diod dla kierunku przewodzenia (U_T0 , r_D) oraz diody Zenera w zakresie stabilizacji (U_Z , r_Z) analitycznie lub wykreślnie w otoczeniu punktu o prądzie 20 mA, oblicz także w tych przypadkach stosunek rezystancji diod R/r (statyczna do dynamicznej) w otoczeniu tego punktu.

C. Dla diod D1 i D4 wyznacz parametry M, I_S w modelu - równaniu Shockley'a z wyników w zakresie przewodzenia: I_F = I_S{exp[U_F /(M⋅26mV)]−1}. Uprość równanie - usuń „-1” (kiedy możesz to zrobić, jeżeli M ≤ 2 - przyjmij konkretną wartość błędu, np. 0,5% pominięcia „-1”), podziel stronami równania dla dwóch punktów pomiarowych, obliczaj dla prądów rzędu 0,1 i 1mA, porównaj wyznaczony I_S ze zmierzonymi prądami wstecznymi.

D. Wykreśl dwie rodziny charakterystyk wstecznych, grupując diody wg poziomu prądu wstecznego.

E. *Oszacuj niedokładność badań spowodowaną niepewnością aparatury dla kilku wybranych, krańcowych punktów charakterystyk. Jaka jest resztkowa wartość systematycznej niepewności metody w zastosowanym układzie pomiarowym? Zastanów się, kiedy jest największa i oblicz ją; porównaj z niepewnościami wprowadzonymi przez aparaturę.

Rys. 1. Układ poprawnego pomiaru napięcia (PPN) do badania charakterystyki przewodzenia i stabilizacji.

Rys. 2. Układ poprawnego pomiaru prądu (PPP) do badania charakterystyki zatkania.

---