Wstęp
Celem ćwiczenia nr.15, które przeprowadziliśmy było poznanie budowy, zasady działania oraz własności podstawowych elementów półprzewodnikowych.
Przed rozpoczęciem ćwiczenia zapoznaliśmy się z teorią.
Charakterystyczne własności złącza p-n pozwoliły na skonstruowanie szeregu elementów półprzewodnikowych, takich jak diody, tyrystory czy tranzystory.
Aby wyjaśnić zasadę działania diod półprzewodnikowych, musimy nawiązać do kilku pojęć z fizyki ciała stałego, mówiących o własności przewodności właściwej: izolatorów, półprzewodników i przewodników (metali).Charakterystyczna właściwość półprzewodników polega na jednoczesnym istnieniu dwóch rodzajów nośników ładunków, a mianowicie elektronów i tzw. dziur.
W tym przypadku dziurze, jak i elektronowi przypisuje się pewną funkcję falową. Dziura jest równoważna jednostkowemu ładunkowi dodatniemu polaryzującemu obszar znajdujący się dookoła niej. Własności te pozwalają na wyrwanie przez dziurę elektronu z sąsiedniego wiązania sieci krystalicznej półprzewodnika. Opisane zjawiska mogą zachodzić przy przyłożeniu pola elektrycznego zewnętrznego i równocześnie, współdziałaniu cieplnych drgań sieci krystalicznej. W rezultacie powoduje to wędrówkę dziur od wiązania do wiązania, a pod względem działania jest to równoznaczne prądowi ładunków dodatnich.
W technice główne znaczenie mają półprzewodniki niesamoistne (sztuczne) typu N i typu P. Półprzewodniki niesamoistne uzyskuje się przez wprowadzenie do struktury kryształu minimalnej ilości domieszek odpowiednich pierwiastków. Własności półprzewodnika typu N (N — negatywny) mają te półprzewodniki samoistne, do których wprowadzono domieszki arsenu lub antymonu, ponieważ jedynie w tym wypadku może zachodzić przewodzenie za pośrednictwem ładunków ujemnych (elektronów). Odmienne natomiast własności uzyskuje półprzewodnik (krzem lub german) po wprowadzeniu do niego domieszek boru, indu czy aluminium. Uzyskuje on dodatkowe ładunki dodatnie, a dzięki temu nosi nazwę półprzewodnika typu P (P — pozytywny).Przez pojęcie złącza P-N rozumiemy pewien obszar rozciągający się po obu stronach granicy styku półprzewodnika typu P i typu N; chociaż praktycznie grubość tego obszaru jest bardzo mała.
Przyrząd złożony z dwóch kryształów mających własności złącza elektronowodziurowego nazywamy diodą półprzewodnikową (krystaliczną).
Ze względu na zastosowanie diody można podzielić na:
- diody prostownicze
- diody Zenera
- diody impulsowe ( przełączające)
- diody pojemnościowe
- diody detekcyjne
- diody elektroluminescencyjne
- fotodiody
- diody laserowe
- diody mikrofalowe
Najpowszechniej stosuje się diody prostownicze, Zenera, impulsowe oraz elektroluminescencyjne.
Bardzo specyficznym przykładem diody jest dioda Zenera.
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n, która w przypadku zwykłych diod jest zgubna, a mianowicie przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego, przy którym prąd bardzo szybko wzrasta. W przypadku diod Zenera napięcie to jest dokładnie określone i nazywane jest napięciem Zenera UZ.
Symbol graficzny diody Zenera przedstawiony jest na rys. 3.6, a charakterystyka tej diody na rys. 3.7. Jak widać na rys. 3.7 stabilizacja na diodzie zenera polega na tym, że dużym zmianom prądu diody ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia UAK i przyjmuje się, że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest równe napięciu Zenera UZ.
Diody takie stosuje się do stabilizacji napięć stałych. Produkuje się diody na napięcia Zenera od 1,5V do 200V, ale trzeba pamiętać, że im mniejsze jest to napięcie tym gorsza stabilizacja.
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego z wykorzystaniem diody Zenera przedstawiony jest na rys. 3.8. Rezystor R1 ustala wartość prądu płynącego przez diodę i do obciążenia. Wartość tego rezystora musi być tak dobrana aby zapewnić właściwe warunki stabilizacji dla danego typu diody Zenera. Właściwy prąd można zawsze odczytać z danych katalogowych diody. Przedstawiony układ może służyć jako źródło napięcia odniesienia. Taki układ ma jednak kilka wad np. takich jak wpływ temperatury czy wpływ zmian prądu płynącego przez diodę na napięcie stabilizacji.
rys. 3.6 rys. 3.7 rys. 3.9
Badania laboratoryjne.
Wyznaczanie charakterystyki prądowo - napięciowej diody prostowniczej.
1.Polaryzacja w kierunku przewodzenia.
Układ połączeń.
Przebieg pomiarów.
Połączyć układ wg powyższego schematu. Zmierzyć prąd płynący przez diodę dla kilku wartości napięć podanych w instrukcji dodatkowej. Po zakończeniu pomiarów dotknąć korpusu diody i zaobserwować wpływ ogrzewania na prąd przewodzenia przy stałej wartości napięcia .
Wyniki pomiarów:
UF |
IF |
[V] |
[mA] |
0 |
0 |
0,30 |
0 |
0,40 |
0,50 |
0,50 |
6,70 |
0,55 |
14,40 |
0,60 |
29,00 |
0,62 |
39,90 |
0,64 |
54,80 |
0,66 |
71,70 |
Obliczanie rezystancji dynamicznej diody RDF dla prostoliniowego odcinka charakterystyki (stan przewodzenia)
Zanim podstawie wartości do wzoru, należy zmienić [mA] na [A].
I tak:
Na podstawie pomiarów możemy narysować charakterystykę prądowo-napięciową IF = f(UF)
2.Polaryzacja w kierunku zaporowym.
Układ połączeń.
Przebieg pomiarów.
Połączyć układ według powyższego schematu. Zmierzyć prąd płynący przez diodę dla kilku wartości napięć podanych w instrukcji dodatkowej. Po zakończeniu pomiarów dotknąć korpus diody i zaobserwować wpływ ogrzewania na prąd wsteczny przy stałej wartości napięcia.
Wyniki pomiarów :
UR |
IR |
[V] |
[µA] |
0 |
0,1 |
1 |
22,8 |
2 |
23,2 |
4 |
23,8 |
6 |
24,3 |
8 |
24,8 |
10 |
25,1 |
Na podstawie pomiarów narysować charakterystykę prądowo - napięciową IR = f(UR)
(trzecia ćwiartka układu współrzędnych). Policzyć rezystancję diody RdR dla prostoliniowego odcinka charakterystyki (stan zaworowy).
Zanim podstawie wartości do wzoru, należy zmienić [µA] na [A].
I tak:
Na podstawie pomiarów możemy narysować charakterystykę prądowo-napięciową IR = f(UR)
3. Wyznaczanie charakterystyki prądowo - napięciowej diody Zenera spolaryzowanej w kierunku zaporowym.
Układ połączeń.
Przebieg pomiarów.
Połączyć układ wg powyższego schematu. Zmierzyć prąd płynący przez diodę dla kilku wartości napięć podanych w instrukcji dodatkowej.
Wyniki pomiarów:
UZ |
IZ |
[V] |
[mA] |
0,00 |
0 |
0,50 |
0 |
1,00 |
0 |
1,50 |
0 |
2,00 |
0 |
2,50 |
0 |
3,00 |
0 |
3,50 |
0,01 |
4,00 |
0,03 |
4,50 |
0,10 |
5,00 |
0,28 |
5,50 |
0,86 |
5,61 |
1,15 |
Na podstawie pomiarów narysować charakterystykę prądowo - napięciową IZ = f(UZ) (trzecia ćwiartka układu współrzędnych). Obliczyć rezystancję dynamiczną diody RdZ dla prostoliniowego odcinka charakterystyki (stan przebicia)
Zanim podstawie wartości do wzoru, należy zmienić [mA] na [A].
I tak:
Na podstawie pomiarów możemy narysować charakterystykę prądowo-napięciową IZ = f(UZ)
4.Badania stabilizatora napięcia.
Układ połączeń.
Przebieg pomiarów.
Połączyć układ wg powyższego schematu. Ustawić określoną wartość napięcia wejściowego (woltomierz V1) i zmierzyć napięcia wyjściowe (woltomierz V2).Pomiarów dokonać dla kilku wartości napięć wejściowych, w tym kilku < UZ i kilku > UZ.
Wyniki pomiarów.
Uwe |
Uwy |
[V] |
[V] |
0,00 |
0,00 |
0,50 |
0,50 |
1,00 |
0,99 |
1,50 |
4,49 |
2,00 |
1,99 |
2,50 |
2,47 |
3,00 |
2,97 |
3,50 |
3,45 |
4,00 |
3,91 |
4,50 |
4,33 |
5,00 |
4,68 |
5,50 |
4,96 |
6,00 |
5,17 |
6,50 |
5,33 |
7,00 |
5,45 |
7,50 |
5,54 |
7,80 |
5,59 |
Obliczam współczynnik stabilizacji dla obszaru stabilizacji napięcia (napięcie wejściowe Uwe> UZ)
Charakterystyka przejściowa stabilizatora Uwy= f(Uwe)
Wnioski:
Wykresy stworzone przeze mnie w oparciu o wyniki otrzymane podczas ćwiczeń laboratoryjnych pokrywają się z ogólnymi charakterystykami dla diod: prostowniczej i Zenera. Ewentualnie możliwe są błędy związane z rożnym stopniem ogrzania urządzeń poprzez pracę pod napięciem lub dotyk.
Wyszukiwarka