1. Zasada działania złącza p-n.

Złącze p-n jest to obszar półprzewodnika monokrystalicznego utworzony przez dwie graniczące ze sobą warstwy typu p i typu n. W półprzewodniku typu n znajduje się duża liczba elektronów - nośników większościowych i niewielka liczba dziur - nośników mniejszościowych. W półprzewodniku typu p istnieje duża liczba dziur - nośników większościowych i niewielka liczba elektronów - nośników mniejszościowych. Po zetknięciu półprzewodników (typu n i typu p), wskutek dużej koncentracji ruchomych nośników ładunku, nastąpi proces dyfuzji elektronów z materiału n do p oraz dziur z materiału p do n. Powstaną dwa strumienie prądu dyfuzyjnego. Proces ten ma na celu wyrównanie koncentracji nośników ładunku. Gdyby dziury i elektrony były cząstkami obojętnymi elektrycznie, doszłoby do całkowitego wyrównania koncentracji w obu materiałach p i n. Jednakże wskutek dyfuzyjnego przepływu elektronów w obszarze granicznym półprzewodnika n pozostają nieskompensowane ładunki dodatnie nieruchomych jonów donorowych. Analogicznie wskutek dyfuzyjnego przepływu dziur w obszarze granicznym półprzewodnika p pozostają nieskompensowane ładunki ujemne nieruchomych jonów akceptorowych. Nieskompensowane jony po obu stronach złącza tworzą dipolową warstwę ładunku wytwarzającą pole przeciwdziałające dalszej dyfuzji nośników większościowych. Skutkiem działania tego pola jest unoszenie elektronów i dziur w kierunkach przeciwnych. W ten sposób powstają dwa strumienie prądu unoszenia nośników skierowane przeciwnie do odpowiednich strumieni prądów dyfuzyjnych.

2. Charakterystyki prądowo-napięciowe diody krzemowej. Dokładnie opisać osie (wielkości, wartości, jednostki).

3. Podać parametry i ograniczenia obszaru pracy diody prostowniczej.

Diodami prostowniczymi nazywamy diody przeznaczone do prostowania prądu przemiennego. Zjawisko prostowania polega na przepuszczaniu przez diodę prądu w jednym kierunku, wtedy, gdy chwilowa polaryzacja diody jest w kierunku przewodzenia i nieprzepuszczaniu prądu, gdy chwilowa polaryzacja diody jest zaporowa. Polaryzacja w kierunku przewodzenia występuje, gdy na anodzie diody napięcie jest wyższe niż na katodzie. Diody prostownicze pracują od małej częstotliwości, tj. od 50Hz (sieć przemysłowa) do kilkudziesięciu kHz (przetwornice tranzystorowe).

Wyróżnia się dwa parametry charakterystyczne diod prostowniczych:

- napięcie przewodzenia U_F przy określonym prądzie przewodzenia I_F lub przy maksymalnym prądzie wyprostowanym I₀ (inaczej, przy maksymalnej wartości średniej prądu przewodzenia),

- prąd wsteczny I_R przy szczytowym napięciu wstecznym pracy U_RWM.

Wyróżnia się następujące dopuszczalne parametry graniczne:

- maksymalny średni prąd przewodzenia I₀ lub inaczej prąd znamionowy w kierunku przewodzenia I_FM,

- powtarzalny szczytowy prąd przewodzenia I_FRM

- niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia I_FSM

- szczytowe napięcie wsteczne pracy U_RWM

- powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne U_RSM.

4. Parametry i ograniczenia obszaru pracy diody Zenera.

Diody Zenera to diody półprzewodnikowe, których typowy obszar pracy znajduje się na odcinku charakterystyki prądowo-napięciowej, w którym następuje gwałtowny wzrost prądu przy polaryzacji zaporowej. Diody Zenera zwane są też diodami stabilizacyjnymi, stabilitronami lub stabilistorami. Przeznaczone są do stosowania w układach stabilizacji napięć, układach ograniczników lub jako źródło napięć odniesienia.

Parametry charakterystyczne diody Zenera:

- napięcie Zenera (napięcie stabilizacji) U_Z definiowane zwykle jako napięcie na diodzie przy prądzie stabilizacji równym dziesiętnej części maksymalnego prądu stabilizacji;

- temperaturowy współczynnik napięcia Zenera TKU_Z definiowany wzorem:

wyraża on stosunek względnej zmiany napięcia stabilizacji dU_Z /U_Z do bezwzględnej zmiany temperatury dT przy określonym prądzie stabilizacji;

- rezystancję dynamiczną:

którą można wyznaczyć z nachylenia charakterystyki statycznej w zakresie przebicia;

- maksymalną moc strat P_max = U_ZI_Zmax określającą przebieg hiperboli mocy admisyjnej. Wynika ona z możliwości odprowadzenia określonej ilości ciepła przez diodę i podawana jest dla temperatury otoczenia = 25^oC.

5. Wpływ temperatury na charakterystyki prądowo-napięciowe diody krzemowej (przewodzenia i zaporową).

W zakresie przewodzenia wpływ zmian temperatury określany jest przez wielkość dryftu temperaturowego napięcia na złączu p-n (diodzie) przy stałym prądzie przewodzenia. Otóż w miarę wzrostu temperatury napięcie na złączu maleje w tempie ok. 2mV/^oC.

W zakresie zaporowym ze wzrostem temperatury rośnie wartość prądu nasycenia złącza. Można przyjść, że prąd ten zwiększa się dwukrotnie przy wzroście temperatury o ok. 10^oC.

6. Narysować układ do pomiaru charakterystyk krzemowej diody półprzewodnikowej w kierunku przewodzenia. Wyjaśnić sposób włączenia przyrządów pomiarowych.

Układ do pomiaru charakterystyk krzemowej diody półprzewodnikowej w kierunku przewodzenia:

Dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia, czyli prąd przepływa najpierw przez obszar półprzewodnika typu p.

7. Narysować układ do pomiaru charakterystyk krzemowej diody półprzewodnikowej w kierunku zaporowym. Wyjaśnić sposób włączenia przyrządów pomiarowych.

Układ do pomiaru charakterystyk krzemowej diody półprzewodnikowej w kierunku przewodzenia:

Dioda jest spolaryzowana w kierunku zaporowym, czyli prąd przepływa najpierw przez obszar półprzewodnika typu n.

8. Narysować schemat i omówić pracę najprostszego układu prostownika.

Rys. 1 Rys. 2

Rys. 1 schemat najprostszego układu prostownika.

Rys. 2 przebieg napięcia wejściowego i wyjściowego.

Ug jest źródłem napięcia przemiennego, a R_L jest rezystancją reprezentującą obciążenie prostownika. W tym przypadku źródłem napięcia wejściowego Ug jest napięcie zmienne takie jak na przykład w sieci (220V; 50Hz), które jest obniżane na transformatorze sieciowym i podawane na diodę D. Tak, więc dla wejściowego napięcia sinusoidalnego o amplitudzie zdecydowanie większej od napięcia przewodzenia diody (0.6V) napięcie na obciążeniu U_L wygląda tak jak na rys.2 (przebieg czerwony). Jak widać przez diodę przedostają się tylko dodatnie połówki sinusoidy, gdyż wówczas na anodzie diody jest wyższy potencjał niż na katodzie i dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia (oczywiście wtedy gdy Ug>0.6V). Można, więc powiedzieć, że jest to prostownik jednopołówkowy. Napięcie U występuje, więc jedynie przez połowę okresu napięcia wejściowego Ug.

9. Porównać własności diody prostowniczej i impulsowej w zakresie wielkich częstotliwości.

Diodą impulsową pracującą w zakresie wielkich częstotliwości jest np. dioda Schottky'ego, w której wykorzystane są właściwości prostujące złącza metal-półprzewodnik (m-s). Diody te charakteryzują się mniejszym spadkiem napięcia w kierunku przewodzenia. Dla złącza krzemowego p-n wynosi ono 0,7V, a dla złącza m-s 0,4 do 0,5V. Ponadto, z powodu natychmiastowego odprowadzania nośników wstrzykniętych z półprzewodnika do metalu nie występuje w tych diodach pojemność dyfuzyjna, która umożliwia pracę w zakresie bardzo wielkich częstotliwości.

Dioda prostownicza jest przeznaczona do pracy w zakresie niskich częstotliwości.

Różnice pomiędzy diodami impulsowymi i prostowniczymi wywodzą się przede wszystkim z tego, że diody impulsowe mają znacznie mniejsze powierzchnie złącza. Dzięki temu mają one małe pojemności, co umożliwia wykorzystanie ich w układach "wielkiej częstotliwości”. Złącza diod impulsowych przełączających są wykonane w sposób zapewniający krótkie czasy ustalania charakterystyki wstecznej i małe ładunki przełączania, co umożliwia ich stosowanie w układach o dużej szybkości działania.

10. W jaki sposób wyznacza się rezystancję statyczną, w jaki dynamiczną diody?

Rezystancja statyczna jest określona przez nachylenie prostej łączącej punkt pracy z środkiem układu współrzędnych i jest zdefiniowana wzorem:

Natomiast rezystancja dynamiczna jest określona przez nachylenie stycznej do charakterystyki w punkcie pracy i jest zdefiniowana wzorem:

A - punkt pracy

R - rezystancja statyczna

r_d - rezystancja dynamiczna

I_ρ0 - prąd nasycenia

---