POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki

Podstawy Elektroniki-laboratorium ED

DIODY (prostownicze, Schottky'ego i LED)

Damian Bętkowski 2EDL01B

Data: 1.03.2007

1. Charakterystyki w kierunku przewodzenia.

1a) tabele pomiarowe:

1. dioda krzemowa:

I[mA]	U[V]
6,8	0,7
11,6	0,9
40	2,3
60	2,96
80	3,5
93	3,8
100	3,8

2. dioda germanowa:

U[V]	I[mA]
0,4	0,03
0,5	0,131
0,6	1,14
0,67	5,7
0,7	13,5
0,74	35
0,77	65,5
0,78	93
0,8	125,5
0,82	223

3. dioda LED 5mm zielona:

I[mA]	U[V]
0,2	1,7
1	1,84
2,3	1,9
3,6	1,94
4	1,96
4,4	1,97
5,8	2,01

4. dioda LED 3mm zielona:

I[mA]	U[V]
0,02	1,6
0,2	1,7
0,64	1,83
1	1,85
2,15	1,92
3	1,95
3,5	1,97
3,97	1,98
4,6	1,99

5. dioda shotky'ego:

I[mA]	U[V]
0,2	0,15
0,4	0,17
0,5	0,18
4,7	0,25
27,5	0,3
38,5	0,32
67,5	0,33
138,3	0,35
160	0,36
210	0,368
223	0,37




Rys.1- charakterystyki diod: shotky'ego, germanowej i krzemowej.




Rys.2- charakterystyki diod zielonych o różnych wielkościach: 5mm i 3mm.

2. Jak się definiuje i jakie są sposoby doświadczalnego wyznaczania napięcia progowego.

Przepływ prądu przez diodę (od anody do katody) następuje wtedy, gdy napięcie na anodzie jest wyższe od napięcia na katodzie o pewną wartość zwaną napięciem progowym. Napięcie to zależy od materiału, z którego wykonana jest dioda.

Napięcie progowe wyznaczamy doświadczalnie włączając do obwodu diodę w kierunku przewodzenia i zwiększając napięcie podawane na diodę obserwujemy wskazania amperomierza. Gdy prąd w obwodzie zaczyna gwałtownie rosnąć, odczytujemy napięcie (dla gwałtownego wzrostu prądu). Zmierzone napięcie jest napięciem progowym diody.

3. Wyznaczyć napięcie progowe UT dla badanych diod. Jakie istnieją prawidłowości?

dioda	Napięcie progowe UT
LED zielona 5mm	1,7V
LED zielona 3mm	1,7V
Germanowa	0,4V
Krzemowa	0,7V
Shotky'ego	0,2V

Napięcie progowe zależy od materiału, z którego wykonana jest dioda: dla krzemu wynosi ono ok. 0,7 V, dla germanu ok. 0,3 V. Widzimy, że w diodzie LED napięcie progowe nie jest uzależnione od jej wielkości, a co za tym idzie ilości światła, jaką emituje dioda. Napięcie progowe zależy od stosowanej w diodzie domieszki odpowiedniego pierwiastka.

Dla diody Shotky'ego napięcie 0,3V jest niewątpliwie zaletą, gdyż dioda ta jest stosowana do przełączania (szybkiej pracy) w m.in. przerzutnikach.

4. Jaka relacja występuje pomiędzy napięciem progowym, a barwą świecenia diod LED? Jakie są uzasadnienia teoretyczne?

Napięcie progowe dla diod wynosi: żółta i zielona ok. - 2V, czerwona- 1,4V.

Barwa świecenia diody zależy od szerokości pasma zabronionego, a co za tym idzie długości promieniowania fali elektromagnetycznej. Promieniowanie obejmuje pewien zakres podczerwieni, a także zakres fal widzialnych. O kolorze świecenia diod decyduje domieszka fosforu, która może być zawarta w przedziale 0-44%. Wprowadzenie większej ilości fosforu powoduje powstanie dodatkowych poziomów w obszarze pasma zabronionego, zwiększa się przerwa energetyczna w zakresie 1.43eV (GaAs) do 2.26eV, czego wynikiem jest inna długość promieniowania fali(kolor świecenia diody).

5. Wyznaczenie rezystancji szeregowej, prądu nasycenia oraz współczynnika złącza.




Rys.3- ekstrapolowany wykres osi prądu do skali logarytmicznej

1. dioda LED 5mm,

Ud=1,96V- napięcie na diodzie w części liniowej,

Id=4mA- prąd na diodzie w części liniowej,

Uf=2,01V -napięcie w punkcie pracy,

If=5,8mA - prąd w punkcie pracy,

Us=1,85V - odległość na osi x od osi y do wykresu liniowego diody

- Wyznaczenie rezystancji szeregowej:




- wyznaczenie prądu nasycenia diody:




- wyznaczenie współczynnika złącza:




gdzie UT-współczynnik temperaturowy, dla każdej diody =25mV




2. dioda LED 3mm,

Ud=1,95V,

Id=3mA,

Uf=1,99V,

If=4,6mA,

Us=1,85V.










3. dioda krzemowa

Uf=3,8V,
If=100mA,
Ud=2,96V,
Id=60mA,
Us=0,7V.










d) dioda germanowa

Uf=0,82V,

If=223mA,

Ud=0,78V,

Id=93mA,

Us=0,4V.










4. dioda shotky'ego

Uf=0,37V

If=223mA,

Ud=0,25V,

Id=4,7mA,

Us=0,15V.










6. Wyznaczenie rezystancji statycznej i różnicowej.

1. dioda LED 5mm,

I[mA]	U[V]	rs=	rr=	rr=
4,4	1,97	492,5	25	850
3,6	1,94	538,8	50	944,4
4	1,96	480	50	850

2. dioda LED 3mm,

I[mA]	U[V]	rs=	rr=	rr=
3,5	1,97	562	25	914
3,97	1,98	498,7	8,33	806
3	1,95	650	25	695,6

3. dioda krzemowa,

I[mA]	U[V]	rs=	rr=	rr=
40	2,3	77,5	42	35
60	2,94	57,5	30	23
80	3,5	49	34	17,5

4. dioda germanowa,

I[mA]	U[V]	rs=	rr=	rr=
125,5	0,8	6,37	0,66	2,39
93	0,78	8,38	0,33	3,22
65,5	0,77	11,75	1	9,2

5. dioda shotky'ego

I[mA]	U[V]	rs=	rr=	rr=
67,5	0,33	4,8	0,28	4,5
138,5	0,35	2,5	0,46	1,08
160	0,36	2,25	0,2	0,9

Gdyby dioda była elementem liniowym jej rezystancja statyczna była by równa rezystancji dynamicznej jednak jak widzimy to na powyższych tabelach tak nie jest oznacza to, że dioda nie jest elementem liniowym. Jak widzimy dioda - element nie liniowy zmienia swoje wartości rezystancji dynamicznej wraz z wzrostem natężenia prądu który przez nie płynie.

7. Charakterystyki diód w kierunku zaporowym.




8. Jakie są stosowane prawidłowości i zasady oznaczania diod półprzewodnikowych przez czołowych producentów.

Pierwsza litera (materiał wyjściowy)

A - materiał o szerokości pasma zabronionego 0,6...1,0 eV (taki Jak german)

B - materiał o szerokości pasma zabronionego 1,0...1,6 eV (taki jak krzem)

C - materiał o szerokości pasma zabronionego, 1,3 eV (takt jak arsenek galu, arsenofosforek galu, fosforek galu)

D - materiał o szerokości pasma zabronionego 0,6 eV (taki jak antymonek indu)

R - inne materiały

Druga litera (rodzaj)

A - dioda przełączająca, detekcyjna, mieszająca (sygnałowa) i stabilistor małych napięć

B - dioda o zmiennej pojemności (warikap)

C - tranzystor małej i średniej mocy, małej częstotliwości x)

D - tranzystor mocy, małej częstotliwości xx)

E - dioda tunelowa

F - tranzystor małej i średniej mocy, wielkiej częstotliwości x)

G - element powielający złożony z różnych struktur

H - sonda do mierzenia pola magnetycznego (czujnik Halla)

K - generator Halla w otwartym obwodzie magnetycznym (np. czujnik sygnałowy, magnetometr)

L - tranzystor mocy, bardzo wielkiej częstotliwości xx)

M - generator Halla w zamkniętym obwodzie magnetycznym (np. modulator lub powielacz Halla)

P - element optoelektroniczny czuły na promieniowanie fotodetektor (np. fotodioda, fototranzystor, fotorezystor)

Q - element optoelektroniczny fotogeneracyjny (promieniujący; np. dioda elektroluminescencyjna, transoptor, wskaźnik cyfrowy, oświetlacz czytnika)

R - tyrystor małej mocy x)

S - tranzystor imp. (przełączający) małej i średniej mocy x)

T - tyrystor mocy x)

U - tranzystor impulsowy (przełączający)

Y - dioda prostownicza tłumląco - usprawniająca wysokosprawna

X - dioda powielająca mikrofalowa (np., waraktor, ładunkowa, lawinowa, Gunna)

Z - stabilistor (dioda Zenera)

YP80

Jedna litera i trzy cyfry (lub dwie litery i dwie cyfry) P lub E - umowny symbol wytwórcy; może być pominięty w oznaczeniu typu wyrobu, jeżeli to oznaczenie, obudowa oraz dane techniczne są zgodne z charakterystyką wyrobu według katalogu Międzynarodowego Stowarzyszenia Naukowego PRO ELECTRON

P i trzy cyfry - element do sprzętu powszechnego użytku

E i trzy cyfry - element w obudowie u (mikrominiaturowy)

YP i dwie cyfry - element do sprzętu profesjonalnego- zamiast litery Y stosuje się też litery V, W, X, 1

AP i dwie cyfry - element do sprzętu specjalnego- zamiast litery A stosuje się też litery B, C, D, E, P.

10. Jakie są aktualne główne osiągnięcia i kierunki rozwoju technologii diod LED.

Diody OLED - (Organic Light Emitting Diode) z których składają się najnowocześniejsze ekrany są największym dotychczasowym osiągnięciem w zakresie produkcji wyświetlaczy. Miniaturowe OLED-y coraz częściej stosuje się w wyświetlaczach cyfrowych kamer i aparatów fotograficznych, telefonów komórkowych i odtwarzaczy MP3, dzięki czemu uzyskuje się lepszą jakość i rozdzielczość obrazów, które teraz można oglądać nawet z boku, patrząc na wyświetlacz pod dużym kątem. Prawdziwej rewolucji można spodziewać się w monitorach komputerowych i telewizorach. Samsung Electronics zaprezentował w maju 2005 roku 40-calowy telewizor z matrycą aktywną wykonaną z OLED-ów. Już dziś możemy wyobrażać sobie zwijane w rulon ekrany telewizyjne, plakaty reklamowe zmieniające się na życzenie klienta lub gazety w postaci aktualizowanych na bieżąco paneli OLED, które po przeczytaniu będzie można po prostu złożyć. W raporcie z maja 2006 roku amerykańska firma Nano- Markets prognozuje, że rynek OLED-ów i elastycznych wyświetlaczy przekroczy 10 mld dolarów w 2011 roku i sięgnie niemal 15 mld dwa lata później.




Diody IR:

Diody emitujące podczerwień montuje się w pilotach zdalnego sterowania sprzętu RTV oraz wykorzystuje się w oświetlaczach podczerwieni stosowanych w systemach telewizji przemysłowej

11. Dokonać analizy porównawczej diod germanowych, krzemowych i Schottky'ego, uwzględniając zalety, wady, ograniczenia, zastosowanie itp.

Diody Schottky'ego nie wykazują efektu bezwładnościowego przy przełączaniu z kierunku przewodzenia na zaporowy dzięki temu mogą być stosowane jako prostownik w zakresie najwyższych częstotliwości. Charakteryzują się dużą szybkością pracy ok.10ns i niskim napięciem pracy ok.0,3V. Zaletą również jest duża przeciążalność prądowa.

Parametrami charakterystycznymi diod Schottky'ego są:

• Pojemność diody- C 1,5-5 pF,

• Napięcie przewodzenia Uf,

• Prąd wsteczny Ir- do 100uA,

• Czas ustalenia się prądu wstecznego trr 2-500ns.

Diody germanowe to diody o niskim napięciu progowym ok. 0,3V. Jej wadą jest mała odporność na wysoką temperaturę. Wartość prądu nasycenia jest rzędu uA. Że wzrostem temperatury prąd nasycenia podwaja swoją wartość co 10^oC.

Przykłady:

• Dioda AAY27:

Uf<1,3V przy If=30mA,

Uf<0,83V przy If=10mA,

Uf<0,39V przy If=1mA.

• Dioda AAZ18:

Uf<0,76 przy If=300mA,

Uf<0,65 przy If=150mA,

Uf<0,49 przy If=30mA.

Dioda krzemowa zaczyna przewodzić po przekroczeniu napięcia 0,7V. Podobnie jak dioda germanowa jest stosowana w układach prostowniczych, prostowniczych także w powielaczach wysokiego napięcia. Charakteryzują się małą rezystancją w kierunku przewodzenia.

• Prąd nasycenia rzędu nA,

• Że wzrostem temp. podwaja się wartość prądu nasycenia co 6 ^oC.

Przykłady:

• Dioda BAY42:

Uf<1 przy If=200mA,

Ir<50nA,

Ifmax=600mA.

• Dioda BAY70:

Uf<1V przy If=60mA,

Ir<25nA przy Ur=10V,

12. Wyznaczyć wartości skuteczne napięć.

a) dioda germanowa

Uwe[V]	Uwe sk[V]	Uwy[V]=Uwe-Ut	Uwy sk[V]	I[mA]
10	7,071	9,6	6,78	3,77
5	3,53	4,6	3,25	1,65
2,5	1,76	2,1	1,48	1,14

b) dioda shotkyego:

Uwe[V]	Uwe sk[V]	Uwy[V]=Uwe-Ut	Uwy sk[V]	I[mA]
10	7,071	9,8	6,92	4,04
5	3,53	4,8	3,39	1,81
2,5	1,76	2,3	1,62	1,02

c) dioda LED zielona:

Uwe[V]	Uwe sk[V]	Uwy[V]=Uwe-Ut	Uwy sk[V]	I[mA]
2,2	1,55	0,5	0,35	0,34
3	2,12	1,3	0,91	0,42
4	2,28	2,3	1,62	0,61

13. Wyznaczyć Pobc i Pwe. we wszystkich przypadkach. Jaka jest sprawność układu?

a) dioda germanowa

Pwe[mW]	Pwy[mW]	n
2,64	2,55	0,96
5,82	5,36	0,92
2	1,68	0,84
0,9	nśr

b) dioda shotkyego:

Pwe[mW]	Pwy[mW]	n
2,85	2,79	0,97
6,38	6,13	0,96
1,79	1,65	0,92
0,95	nśr

c) dioda LED zielona:

Pwe[mW]	Pwy[mW]	n
0,52	0,112	0,22
0,89	0,382	0,45
1,39	0,98	0,7
0,7	nśr

15. Zaobserwowane prawidłowości w badanym prostowniku.

Badając prostownik jednopołówkowy zauważamy na wykresach prawidłowe działanie zastosowanych diod. Zarówno dioda germanowa jak i LED złączone w kierunku zaporowym, obcinały górną część podawanego sygnału. Dioda Shotkyego włączona w kierunku przewodzenia przewodziła tylko dla dodatnich wartości napięcia zasilającego. Na wyjściu prostownika zaobserwowaliśmy nieco niższą amplitudę w porównaniu z napięciem zasilającym i było to napięcie pomniejszone o napięcie progowe danej diody.

16.Czy woltomierz i miliamperomierz cyfrowy (V562) może być zastosowany do pomiarów przebiegów w prostowniku półokresowym. Jakie będą wskazania?

Zastosowany miernik cyfrowy może być stosowany w badaniu napięć i prądów w prostowniku
i wskazuje on wartość skuteczną przebiegu.

16. Wnioski i spostrzeżenia.

W przeprowadzonym ćwiczeniu eksperymentalnie mogliśmy wyznaczyć wartości progowe badanych diod, które pokrywały się z rzeczywistymi wartościami dla danej diody. Zauważyliśmy, że dla diody LED napięcie progowe nie zależy od jej wielkości, lecz od koloru świecenia. Zarówno dla diody 5mm jak i 3mm otrzymaliśmy napięcie progowe ok. 1,7V.

Podczas badania rezystancji szeregowej dioda jako element nieliniowy zmienia swoje wartości rezystancji dynamicznej wraz z wzrostem natężenia prądu który przez nie płynie.

Gdyby dioda była elementem liniowym jej rezystancja statyczna była by równa rezystancji dynamicznej jednak jak widzimy to na powyższych tabelach (w pkt. 6) tak nie jest i oznacza to, że dioda nie jest elementem liniowym. Podczas badania charakterystyk w kierunku zaporowym, jedynie dioda germanowa zareagowała na zwiększanie napięcia wstecznego prądem o wartości 1mA. Pozostałe diody nie przewodziły w kierunku zaporowym. Obliczane moce układu, a co za tym idzie sprawności wskazują, że badane układy są sprawne przeważnie w 90%. Jedynie układ badający diodę LED był mniej sprawny.

5

---