Badanie diod półprzewodnikowych

(Instrukcja do ćwiczenia)

Temat : Badanie diod półprzewodnikowych .

Cel ćwiczenia: Poznanie budowy, zasady działania i właściwości elementów prostowniczych stosowanych w

układach elektronicznych.

Wiadomości teoretyczne:

1. Diody półprzewodnikowe1.1. Właściwości półprzewodników Szerokie zastosowanie we współczesnej elektronice mają półprzewodniki (materiały półprzewodnikowe), a przede wszystkim german (Ge) i krzem (Si). W strukturze krystalicznej tych pierwiastków występują wiązania kowalentne. Każdy atom związany jest z czterema sąsiednimi atomami, tworząc sieć przestrzenną typu czworościanu foremnego.

Mechanizm przewodnictwa elektrycznego w ciałach krystalicznych w tym również w germanie i krzemie wyjaśnia model pasmowy.

Jak wiadomo elektrony atomu odosobnionego mogą znajdować się tylko w określonych stanach energetycznych, czyli zajmować określone poziomy energetyczne. W krysztale, wskutek wzajemnego oddziaływania wielu jednakowych atomów, poziomy energetyczne ulegają rozszczepieniu, tworzą się strefy możliwych stanów energetycznych o prawie ciągłym widmie zwane pasmami energetycznymi. Dla procesu przewodnictwa elektrycznego istotne znaczenie mają dwa pasma energetyczne: pasmo walencyjne (podstawowe) i pasmo przewodnictwa. Pasmo walencyjne odpowiada wartościom energii elektronów walencyjnych, a pasmo przewodnictwa - wartościom energii, przy których elektrony stają się swobodnymi i mogą brać udział w procesie przewodzenia prądu elektrycznego.

W strukturze pasmowej półprzewodników, między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa znajduje się wąskie pasmo zabronione o odstępie W (WGe=0,68 eV, WSi=1,08eV), którego elektrony nie mogą obsadzać.

W metalach pasma przewodnictwa i walencyjne zachodzą na siebie, a w izolatorach przedzielone są bardzo szerokim pasmem zabronionym (W>2eV).

Idealny kryształ krzemu lub germanu w stanie niewzbudzonym jest izolatorem. W tym stanie pasmo walencyjne jest całkowicie wypełnione, a pasmo przewodnictwa jest całkowicie wolne - rys.1a. Jeżeli taki kryształ otrzyma z zewnątrz pewną ilość energii - np. cieplnej, to może nastąpić lokalne zerwanie wiązania kowalentnego i przejście elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa - rys.1b.

Rys.1. Model pasmowy półprzewodnika: a) w stanie niewzbudzonym, b) z nośnikami swobodnymi

Elektron staje się wówczas swobodnym nośnikiem ładunku ujemnego. Pozostałe po elektronie wolne miejsce w wiązaniu - równoważne elementarnemu ładunkowi dodatniemu - nazywa się dziurą, a opisane zjawisko - generacją pary elektron-dziura. Obok zjawiska generacji może zachodzić proces odwrotny - rekombinacja. Polega on na wzajemnej neutralizacji ładunków dziury i elektronu powracającego do pasma walencyjnego. W warunkach równowagi termicznej liczba generowanych par elektron-dziura jest równa liczbie par podlegających rekombinacji. Przewodnictwo elektryczne półprzewodników oparte na zjawisku generacji par elektron-dziura nazywa się przewodnictwem samoistnym, a półprzewodnik, w którym występuje ten rodzaj przewodnictwa - półprzewodnikiem samoistnym. Wprowadzając do czystego germanu lub krzemu pewne określone porcje domieszek pierwiastków trój- lub pięciowartościowych (1 atom domieszki na 108 atomów pierwiastka podstawowego) otrzymuje się tzw. półprzewodniki domieszkowe, które w technice półprzewodnikowej mają największe znaczenie.

Atomy pierwiastków pięciowartościowych (antymon, arsen, fosfor) wprowadzone jako domieszki, tworzą swymi czterema elektronami walencyjnymi wiązanie kowalentne z atomami pierwiastka podstawowego, a pozostały w nadmiarze piąty elektron nie wchodzi do żadnego wiązania i staje się elektronem swobodnym. Domieszki dostarczające elektrony nadmiarowe nazywają się donorami, a półprzewodnik, którego cechą charakterystyczną jest przewodnictwo elektronowe, nosi nazwę półprzewodnika typu n.

Domieszki z pierwiastków trójwartościowych (bor, gal, ind) również tworzą wiązania kowalentne z atomami pierwiastka podstawowego. Wskutek braku jednego elektronu walencyjnego w jednym z wiązań powstaje dziura.

Domieszki powodujące niedomiar elektronów w wiązaniach sieci krystalicznej półprzewodnika nazywają się akceptorami, a półprzewodniki, których cechą charakterystyczną jest przewodnictwo dziurowe, noszą nazwę półprzewodników typu p.

O charakterze przewodnictwa danego półprzewodnika decydują więc przeważające nośniki ładunków zwane większościowymi. Na przykład w półprzewodniku typu n nośnikami większościowymi są elektrony a mniejszościowymi - dziury. W półprzewodniku domieszko- wym oprócz nośników większościowych zawsza występują nośniki mniejszościowe - jako rezultat generacji termicznej par: elektron-dziura.

1.2. Złącze p-n

Złącze p-n powstaje wtedy, gdy w krysztale półprzewodnika wytworzone zostaną dwa obszary o odmiennym typie przewodnictwa p i n. Schemat złącza p-n i jego niektóre właściwości przedstawiono na rys.2.

Rys. 2. Złącze p-n niespolaryzowane: a) schemat złącza, b) rozkład koncentracji dziur i elektronów swobodnych, c) rozkłady ładunku przestrzennego, d) rozkład potencjału

Koncentracja elektronów swobodnych w obszarze n jest znacznie większa niż w obszarze p, w którym stanowią one nośniki mniejszościowe. Podobnie koncentracja dziur w obszarze p jest znacznie większa niż w obszarze n. Wskutek różnicy koncentracji następuje dyfuzja nośników większościowych: elektronów z obszaru n do p i dziur z obszaru p do n. Nośniki te po przejściu warstwy granicznej ulegają rekombinacji. W wyniku procesu dyfuzji w warstwie granicznej (obszarze przejściowym) po stronie obszaru n zanikają elektrony swobodne, a pozostają niezrównoważone elektrycznie dodatnie jony donorów, tworząc dodatni ładunek przestrzenny. W analogiczny sposób powstaje ujemny ładunek przestrzenny w granicznej warstwie przejściowej po stronie obszaru p (rys. 2c). Na złączu powstaje pole elektryczne i bariera potencjału (rys. 2d). Pole elektryczne przeciwdziała dyfuzji nośników większościowych, natomiast sprzyja przepływowi generowanych termicznie nośników mniejszościowych: elektronów swobodnych z obszaru p do n i dziur w kierunku przeciwnym. Opisany wyżej przepływ nośników większościowych nazywa się prądem dyfuzyjnym, a przepływ nośników mniejszościowych - prądem termicznym.

W warunkach równowagi dynamicznej złącza, prądy te wzajemnie się kompensują. Jeżeli do złącza p-n doprowadzone zostanie z zewnątrz napięcie U w ten sposób, aby dodatni biegun źródła był połączony z obszarem p, a ujemny - z obszarem n, to bariera potencjału obniża się o wartość U (rys. 3).

Rys. 3. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia

Przez obszar przejściowy może teraz przepływać duży prąd dziurowy z obszaru p do obszaru n i prąd elektronowy w kierunku przeciwnym. Ten sposób polaryzacji złącza p-n nazywa się polaryzacją w kierunku przewodzenia. Złącze spolaryzowane w kierunku przewodzenia odznacza się małą rezystancją wewnętrzną, a zatem dobrym przewodnictwem prądu. W przypadku polaryzacji odwrotnej przedstawionej na rys.4 bariera potencjału podwyższa się o wartość napięcia U hamując przepływ nośników większościowych.

Rys. 4. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku zaporowym

Obszar ładunku przestrzennego pozbawiony nośników prądu zwany warstwą zaporową rozszerza się, co powoduje wzrost rezystancji wewnętrznej złącza. Ten rodzaj polaryzacji złącza p-n nazywa się polaryzacją w kierunku zaporowym. Przez złącze spolaryzowane zaporowo przepływa tylko nieznaczny prąd wsteczny wywołany ruchem nośników mniejszościowych, tj. dziur z obszaru n do

obszaru p, a elektronów w kierunku przeciwnym. Prąd wsteczny zależy tylko od temperatury złącza, gdyż jego główną składową jest prąd termiczny.

Z powyższych rozważań wynika, że charakterystyka napięciowo-prądowa złącza p-n jest asymetryczna - rys. 5.

Właściwość dobrego przewodnictwa prądu tylko w jednym kierunku jest podstawą wykorzystania złącz p-n w wielu elementach półprzewodnikowych (diody, tranzystory, tyrystory).

Rys. 5. Charakterystyka napięciowo-prądowa złącza p-n

1.3. Rodzaje diod półprzewodnikowych

Diody półprzewodnikowe są to elementy dwukońcówkowe, w których wykorzystuje się właściwości złącza p-n.

Ze względu na cechy funkcjonalne związane z określonymi zastosowaniami rozróżnia się diody:

prostownicze,

uniwersalne,

stabilizacyjne (Zenera),

impulsowe,

pojemnościowe (warikapy, waraktory),

tunelowe,

fotodiody,

elektroluminescencyjne,

mikrofalowe.

1.3.1. Diody prostownicze

Diodę prostowniczą stanowi złącze p-n (rys. 6), wytworzone w płytce monokryształu germanu lub krzemu. Doprowadzenia metalowe obszarów p i n stanowią odpowiednio anodę i katodę diody. Właściwości prostownicze diody wynikają bezpośrednio z asymetrii charakterystyki napięciowo-prądowej złącza p-n (rys. 5).

Rys. 6. Dioda prostownicza:

a) schemat budowy, b) symbol graficzny

Diody prostownicze są stosowane głównie w układach prostowniczych urządzeń zasilających.

Właściwości diody prostowniczej najlepiej oddaje jej charakterystyka prądowo-napięciowa (rys. 7). Po doprowadzeniu do diody napięcia dodatniego znajduje się ona w stanie przewodzenia, a przy polaryzacji napięciem ujemnym - w stanie wstecznym (zaporowym, nieprzewodzenia, zatkania). Prąd w kierunku wstecznym (zaporowym) I_R diody prostowniczej jest zazwyczaj o kilka rzędów wartości mniejszy niż prąd I_F w kierunku przewodzenia.

Zależność opisująca charakterystykę statyczną idealnego złącza PN ma postać:

przy czym: q — ładunek elektronu; k — stała Boltzmanna; T — temperatura bezwzględna; I_sat — prąd nasycenia.

W rozważaniach przybliżonych charakterystykę tę aproksymuje się dwiema prostymi (rys. 7b)

przy czym: U_(TO) - napięcie progowe; R_F - rezystancja diody w kierunku przewodzenia.

Stąd otrzymuje się równanie diody

Rys. 7. Charakterystyki diody prostowniczej: a) charakterystyka rzeczywista; b) charakterystyka aproksymująca

Napięcie progowe U_(TO), jest jednym z parametrów charakterystycznych; poniżej tego napięcia prąd ma bardzo małą wartość. Napięcie progowe dla diod germanowych wynosi 0,2÷0,3 V, a dla diod krze­mowych 0,5÷0,7 V. Rezystancję R_F oblicza się jako stosunek napięcia w kie­runku przewodzenia do płynącego prądu.

Oprócz napięcia progowego do punktów charakterystycznych krzywej I = f(U) należy napięcie przebi­cia U_(BR) (rys. 7a) i powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne U_RRM, definiowane jako napięcie równe np. 0,8 wartości napięcia przebicia. Wartości napięcia U_RRM wynoszą od kilkunastu woltów do kilku kilowoltów. Bardzo często jest podawana również wartość prądu płynącego przez diodę I_RRM. Dla kierunku przewodzenia zwykle wymienia się wartość prądu I_F płynącego przez diodę przy określo­nym napięciu U_F (0,5 lub 1 V).

Ze względu na zastosowanie diod prostowniczych ważną rolę odgrywają wartości graniczne prądów i napięć, których nie należy przekraczać. Należą do nich np.:

— dopuszczalny średni prąd przewodzenia I_F(_AV), jaki może przepływać przez diodę w kierunku prze­-

wodzenia. Wartości prądu I_F(AV) wynoszą od kilkudziesięciu miliamperów do kilku kiloamperów;

— dopuszczalne średnie napięcie przewodzenia U_F(AV);

— maksymalne straty mocy P_totmax przy danej temperaturze otoczenia (zwykle 298 K = 25°C). Wy­

noszą one od kilkuset miliwatów do kilku kilowatów.

Charakterystyki diod prostowniczych w znacznym stopniu zależą od temperatury (rys. 7a). Dotyczy to przede wszystkim prądu wstecznego, który w przybliżeniu wzrasta wykładniczo ze wzrostem temperatury. Można przyjąć, że jego wartość podwaja się w przypadku diod germanowych co 10 K, w przy­padku zaś diod krzemowych - co 6 K. Jeżeli natomiast utrzymywać stałą wartość prądu płynącego przez diodę, to ze wzrostem temperatury spadek napięcia na diodzie maleje, a współczynnik tempera­turowy ΔU/ΔT przy I = const wynosi: około -2,1 mV/K dla diod germanowych i -2,3 mV/K dla diod krzemowych.

Diodzie można przyporządkować układ zastępczy (rys. 8), w którym R_s oznacza rezystancję szerego­wą (półprzewodnika i doprowadzeń), g_u — konduktancję upływu, g_d — konduktancję dynamiczną

, C_d - pojemność dyfuzyjną, C_t, — pojemność warstwy zaporowej.

Rys. 8. Schemat układu zastępczego diody półprzewodnikowej

2. Diody impulsowe stosuje się głównie w układach impulsowych i przerzutnikowych; dlatego czę­sto nazywa się je diodami przełączającymi.

Idealna dioda impulsowa powinna działać bez jakichkolwiek opóźnień i nie zniekształcać impulsów. Odstępstwa diody rzeczywistej od diody idealnej pozwalają ocenić: czas ustalania charakterystyki wstecz­nej t_rr (czas przełączania diody w kierunku wstecznym, zaporowym), ładunek przełączania Q_s, pojem­ność diody C i czas życia nośników mniejszościowych t_i. Rzadziej podaje się czas ustalania charakterystyki przewodzenia t_fr.

3. Diody stabilizacyjne, nazywane też diodami Zenera, umożliwiają stabilizację napięć w zakresie 3÷300 V. Mają one specyficzny kształt charakterystyki prądowo-napięciowej (rys. 9a). Po przekro­czeniu pewnej wartości napięcia wstecznego charakterystyka ta odznacza się szybkim wzrostem prądu,

przy prawie niezmiennym napięciu. Ten szybki wzrost prądu jest następstwem tzw. zjawiska Zenera lub zjawiska przebicia lawinowego. Obydwa zjawiska mają charakter całkowicie odwracalny. Punkt pracy diod stabilizacyjnych znajduje się w zakresie charakterystyki wstecznej. W tym też zakresie są definiowane podstawowe ich parametry, do których należą:

— Napięcie stabilizowane U_z, tj. napięcie, jakie dana dioda może stabilizować; jest ono ograniczone z jednej strony zagięciem charakterystyki I = f(U), z drugiej — dopuszczalnymi stratami mocy P_totmax (maksymalnym prądem w kierunku wstecznym I_{z max}). Diody stabilizacyjne wykonuje się na napięcie

U_z = 3÷300 V, z rozrzutem 1÷20%. Dopuszczalne straty mocy P_{tot max} wynoszą od kilkuset miliwatów do kilkudziesięciu watów.

Rys. 9. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody stabiliza­cyjnej (a) i schemat zastępczy diody stabilizacyjnej (b)

- Rezystancja dynamiczna

Zależy ona od prądu płynące­go przez diodę i napięcia sta­bilizowanego. Rezystancja dynamiczna produkowanych obecnie, diod wynosi od kil­ku do kilkuset omów.

Rezystancja statyczna w bar­dzo znacznym stopniu zależ­na od prądu płynącego przez diodę

Współczynnik stabilizacji, wyrażający stosunek względnych zmian prądu płynącego przez diodę do wywoływanych przez nie względnych zmian spadku napięcia na diodzie, czyli

Dla typowych diod stabilizacyjnych krzemowych ma on wartość ok. 100.

- Temperaturowy współczynnik napięcia stabilizowanego

zależny od napięcia stabilizowanego. Jest ujemny dla diod o U_z < 5 V, dodatni dla diod o U_z > 6 V. Diody stabilizujące napięcia 5÷6 V mają współczynnik α_Uz bliski zeru.

Schemat zastępczy diody stabilizacyjnej przedstawiono na rys. 9b.

4. W diodach pojemnościowych, zwanych też warikapami lub waraktorami, wykorzystuje się zmiany pojemności warstwy zaporowej złącza PN pod wpływem zmian doprowadzonego napięcia. Zależ­ność pojemności złącza C_t od doprowadzonego napięcia można wyrazić wzorem

przy czym: C₍₎ - pojemność przy U = 0; U_D - napięcie bariery potencjału; m - wykładnik potęgi równy ½ dla złączy skokowych i
dla złączy liniowych.

Zakres wykorzystania charakterystyki C_t = f(U) (rys. 10) jest ograniczony pojemnością minimalną C_tmin i pojemnością maksymalną C_tmax. Pojemność C_tmin wynika z napięcia przebicia złącza, a pojem­ność C_tmax, zależy od konduktancji diody. Często określa sieją przy napięciu równym zeru (pojemności C_o wynoszą od kilku do kilkudziesięciu pikofaradów). Dąży się do uzyskania jak największego stosunku

Ważnym parametrem charakterystyki C_t = f(U) jest czułość

Rys. 10. Zależności pojemności i prą­du złącza PN od napięcia

Diody pojemnościowe stosuje się w układach automatycznej regulacji częstotliwości, w modulatorach częstotliwości i am­plitudy, we wzmacniaczach i mieszaczach parametrycznych, w parametrycznych powielaczach częstotliwości itp.

Niektóre europejskie oznaczenia katalogowe diod są następujące:

Pierwsza litera - B - krzem,

A - german,

C - inny materiał półprzewodnikowy.

Druga litera - A - dioda detekcyjna lub do zastosowań w układach przełączających,

Y - dioda prostownicza.

Następne trzy cyfry dotyczą kolejności katalogowej. Jeżeli pierwsza z cyfr jest zastąpiona literą - oznacza to, że dany typ jest przeznaczony do zastosowań przemysłowych.

• Przebieg ćwiczenia i schematy połączeń

1. Badanie diody stabilizacyjnej

• Połącz układ do wyznaczania charakterystyki prądowo-napięciowej diody Zenera metodą „punkt po punkcie” (diodę Zenera bada się tylko dla kierunku zaporowego).

• Dla dwóch diod Zenera wykonaj pomiary spadków napięcia na diodach przy 10 różnych wartościach prądu. Do pomiaru prądu wykorzystaj miliamperomierz magnetoelektryczny, a do pomiaru spadku napięcia - woltomierz cyfrowy.

• Na podstawie pomiarów wykonaj charakterystyki I = f (U) dla każdej diody.

• Na podstawie charakterystyk podaj parametry diod.

1. Badanie diod prostowniczych

• Połącz układ do wyznaczania charakterystyki prądowo-napięciowej: diody prostowniczej krzemowej, prostownika selenowego diody LED w kierunku przewodzenia.

• Dla każdej diody wykonaj po 10 pomiarów napięcia i prądu w zadanych granicach.

• Połącz układ do wyznaczania charakterystyki prądowo-napięciowej: diody prostowniczej krzemowej, prostownika selenowego i diody LED w kierunku zaporowym.

• Dla każdej diody wykonaj po 10 pomiarów napięcia i prądu w zadanych granicach.

• Na podstawie pomiarów narysuj charakterystyki I = f ( U ) dla każdej diody dla obu kierunków pracy.

• Na podstawie charakterystyk podaj parametry diod.

1. Badanie diody pojemnościowej

• Połącz układ do wyznaczania charakterystyki C = f ( U ) diody pojemnościowej w kierunku przewodzenia, a następnie w kierunku zaporowym. Dla każdego kierunku wykonaj po 10 pomiarów napięcia i pojemności.

• Na podstawie pomiarów narysuj charakterystyki C = f ( U ) badanej diody.

• Wyznacz parametry diody i podaj jej własności.

1. Układ do wyznaczania charakterystyki C = f ( U ) diody pojemnościowej w kierunku przewodzenia :

R I

+

U D

-

2. Układ do wyznaczania charakterystyki C = f ( U ) diody pojemnościowej w kierunku zaporowym :

R I

+

U D

-

Protokół pomiarowy

ZESPÓŁ SZKÓŁ PONADGIMNAZJALNYCH NR 3 W BEŁCHATOWIE	PRACOWNIA ELEKTRYCZNA I ELEKTRONICZNA	ROK SZKOLNY: ……………………
1.…………………………….. (nazwisko i imię) 2…………………………….. (nazwisko i imię) 3……………………………... (nazwisko i imię) 4…………………………....... (nazwisko i imię)	Temat ćwiczenia: Badanie diod półprzewodnikowych	Nr ćwiczenia: ………………………
		Klasa: Grupa: Zespół:	Data wykonania: ……………………

Tabela 1

Badanie diod Zenera

Dioda 1 Dane znamionowe :
I	mA
U	V
Dioda 2 Dane znamionowe :
I	mA
U	V

Tabela 2

Badanie diod prostowniczych

Prostownik selenowy

Kierunek przewo-dzenia

I

A

U

V

Kierunek zaporowy

I

μA

U

V

Dioda krzemowa

Kierunek przewo-dzenia

I

A

U

V

Kierunek zaporowy

I

μA

U

V

Dioda LED

Kierunek przewo-dzenia

I

A

U

V

Kierunek zaporowy

I

μA

U

V

Tabela 3

Badanie diody pojemnościowej

Dane znamionowe :

Kierunek przewo- dzenia

U

V

C

pF

Kierunek zaporowy

U

V

C

pF

5

8

Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych nr 3 w Bełchatowie

R

V

R

V

A

Zasilacz napięcia stałego

V

μA

Zasilacz napięcia stałego

V

A

Zasilacz napięcia stałego

F

V

μA

Zasilacz napięcia stałego

F

V

mA

Zasilacz napięcia stałego

R

A

Dz

U

I

Zasilacz napięcia stałego

I

U

D

+

I

D

U

---