Badanie diod półprzewodnikowych

POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI
INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH
LABORATORIUM ELEKTRYCZNE
Badanie diod półprzewodnikowych
(E – 7)
Opracował: Dr inż. Włodzimierz OGULEWICZ
3
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk napięciowo-prądowych
podstawowych przyrządów półprzewodnikowych, znajdujących zastosowanie
w elektroenergetyce: diody prostowniczej, diody stabilizacyjnej.
Znajomość charakterystyk napięciowo-prądowych umożliwia mierzącemu
wyznaczenie podstawowych parametrów elektrycznych ww. elementów.
2. Wprowadzenie
2.1. Diody półprzewodnikowe
Diody są najprostszymi, posiadającymi dwie elektrody (anodę – A i katodę – K),
elementami elektronicznymi, zawierającymi złącza półprzewodnikowe. Zwykle dioda
jest zbudowana z pojedynczego złącza PN lub złącza metal-półprzewodnik (m-p).
Znajomość podstawowych właściwości złączy PN oraz m-p jest kluczem do
zrozumienia działania diod i nie tylko diod, gdyż złącza PN stanowią elementarne
„cegiełki”, z których buduje się bardziej złożone struktury tranzystorów, tyrystorów,
układów scalonych itp. Diody można klasyfikować w zależności od przyjętych
kryteriów. Dla użytkowników elementów najistotniejszy jest podział diod ze względu
na zastosowanie:

prostownicze i uniwersalne,

stabilizacyjne (stabilitrony, diody Zenera),

pojemnościowe,

przełączające (impulsowe) i ładunkowe,

detekcyjne i mieszające (mikrofalowe),

generacyjne i wzmacniające,

modulacyjne i tłumiące,
 optoelektroniczne (fotodiody, diody świecące).
W tradycyjnych układach zasilających największe znaczenie mają diody
prostownicze i diody stabilizacyjne.
4
2.2. Diody prostownicze
Diody prostownicze – to diody przeznaczone do prostowania prądu przemiennego
o małej częstotliwości i dużej mocy dostarczanej do odbiornika. Diody te pracują
przeważnie w układach prostowniczych bloków zasilania urządzeń elektronicznych
i elektrycznych. Diody prostownicze przeznaczone są zasadniczo do pracy przy
częstotliwościach sieciowych (50 Hz, czasem 400 Hz). Jest to zakres tak małych
częstotliwości, że zjawiska dynamiczne w złączu PN nie mają istotnego wpływu na
pracę diody w układzie. Inną grupę stanowią diody prostownicze impulsowe
przeznaczone do pracy w przetwornicach lub zasilaczach impulsowych, dla których
wymagane są diody o specjalnych parametrach.
Diody prostownicze są diodami warstwowymi (dyfuzyjnymi lub stopowymi)
wytwarzanymi z krzemu (Si) lub rzadziej z germanu (Ge). Wytwarzane są również
diody prostownicze z barierą Schottky’ego (m-p).
Diody prostownicze produkowane są na prądy o natężeniu od pojedynczych
amperów do kilku tysięcy amperów i na napięcia wsteczne od kilkudziesięciu woltów
do kilku tysięcy woltów. Diody na prądy powyżej 10 A pracują z radiatorami
odprowadzającymi wydzielane ciepło do otoczenia.
Na rysunku 1.1. przedstawiono przykładowe charakterystyki napięciowo-prądowe
diody germanowej (Ge) i krzemowej (Si) w kierunku przewodzenia IF = f (UF) oraz
w kierunku zaporowym IR = f (UR).
IF
200 mA
Ge
200 V
Si
100 V
0,5 V
UR
1V
UF
20 μA
IR
Rys. 1.1. Przykładowe charakterystyki napięciowo-prądowe diod germanowej (Ge) i krzemowej (Si)
Zauważyć należy zdecydowanie różne wartości podziałek dla napięć i natężeń
prądów w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym diod. Z przebiegu
5
charakterystyk wynika, że dla wartości spadku napięcia na diodzie UF rzędu 1 V
natężenie prądu przewodzenia IF płynącego przez diodę bardzo gwałtownie narasta do
dużych wartości. Każdy element elektroniczny, w tym również dioda, ma parametry
graniczne, których przekroczenie powoduje trwałe uszkodzenie elementu. Natężenie
prądu przewodzenia diody IF nie powinno przekroczyć wartości dopuszczalnego
średniego prądu przewodzenia IF(AV), a napięcie w kierunku zaporowym UR wartości
powtarzalnego szczytowego napięcia wstecznego URRM. Wartości IF(AV) oraz URRM
podawane są w katalogach diod półprzewodnikowych.
Jednym z charakterystycznych parametrów diod prostowniczych jest wartość
napięcia progowego diody U(TO) określana umownie przy prądzie przewodzenia
IF = 0,1·IF(AV) [10]. Dla diody germanowej (Ge) napięcie to zawiera się w zakresie od
0,2 V do 0,4 V, a dla diody krzemowej (Si) w zakresie od 0,5 V do 0,8 V [10].
Zmiany natężenia prądu idealnego złącza PN w funkcji napięcia polaryzacji
opisuje wzór Shockleya [10]:
  qU  
I F  Isat exp
  1 ,
  kT  
(1)
gdzie: Isat – prąd nasycenia złącza, U – napięcie polaryzacji, T – temperatura [K],
k = 1,38·10–23 J/K (stała Boltzmanna), q = 1,6·10–19 C (ładunek elementarny).
Z dobrym przybliżeniem przyjmuje się, że dla UF > 100mV:
qU 

I F  IS  exp
.
nkT 

(2)
Prąd I’S jest zastępczym prądem nasycenia, uwzględniającym mechanizmy dyfuzji
i rekombinacji, a wartość współczynnika n zależy od udziału składowej dyfuzyjnej
i rekombinacyjnej w prądzie płynącym przez złącze. Współczynnik n przyjmuje
wartość pomiędzy 1 (tylko prąd dyfuzji) a 2 (tylko prąd rekombinacji).
Aby uwzględnić spadek napięcia na elementach diody poza obszarem ładunku
przestrzennego, zwykle wprowadza się pojęcie rezystancji szeregowej. Uwzględniając
powyższe, najprostszy model diody w kierunku przewodzenia przedstawiono na
rysunku 1.2.
UF – IFRS
IFRS
IF
D
RS
UF
Rys. 1.2. Model diody w kierunku przewodzenia
6
Charakterystykę diody D opisuje zależność (2). Podstawiając za U spadek napięcia
na diodzie (UF – IFRS), otrzymamy:
q U F  I F R S  

 .
I F  IS  exp
nkT


(3)
Po logarytmowaniu otrzymujemy równanie liniowe (4):
lnI F  lnI'S 
q
U F  I F R S   lnI'S  1 (U F  ΔU) .
nkT
nU T
(4)
Potencjał elektrokinetyczny UT w temperaturze 300 K wynosi ok. 26 mV
( UT 
k  T 1,38 10 23 J/K  300K

 26mV ).
q
1,6 10 19 C
Zależność (4) narysowaną w półlogarytmicznym układzie współrzędnych
(oś napięcia UF jest liniowa, a oś prądu IF ma podziałkę logarytmiczną) przedstawiono
na rysunku 1.3.
IF
[μA]
ΔU = IF·RS
10000
1000
100
1  1 

26  n  mV  przy T 300 K
10
1
0,1
UF
I'S przy U = 0
0,01
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4 [V]
Rys. 1.3. Charakterystyka napięciowo-prądowa diody półprzewodnikowej w układzie
półlogarytmicznym
Na podstawie przedstawionej na rysunku 1.3. charakterystyki można wyznaczyć
wartość natężenia prądu I’S (ekstrapolując do przecięcia z osią część liniową
charakterystyki) oraz wartość współczynnika udziału składowej dyfuzyjnej do
rekombinacyjnej n (tangens kąta nachylenia części liniowej charakterystyki).
Dodatkowo, z części nieliniowej można określić wartość rezystancji szeregowej R S.
Dla ułatwienia analizy wykresu w części liniowej pominięto wpływ rezystancji R S.
7
2.3. Diody stabilizacyjne
Diody stabilizacyjne, nazywane zwyczajowo diodami Zenera, to diody
warstwowe PN, przeznaczone do zastosowań w układach stabilizacji napięć, w
układach ograniczników amplitudy, jako źródła napięć odniesienia itp. Dioda
stabilizacyjna wykorzystuje zjawisko Zenera i/lub zjawisko powielania lawinowego,
występujące podczas zaporowej polaryzacji złącza PN.
Zjawisko Zenera polega na efekcie tunelowego przejścia elektronu (tzn. bez straty
energii) z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa półprzewodnika. Występuje
ono przede wszystkim w półprzewodnikach silnie domieszkowanych o cienkich
złączach (implikuje to duże natężenie pola elektrycznego w obszarze złącza ok.
108 V/m). Zjawisko Zenera występuje w diodach, dla których napięcie przebicia
nieniszczącego leży w zakresie do 7 V.
Zjawisko powielania lawinowego polega na powielaniu nośników prądu
w warstwie zaporowej złącza, w wyniku zderzeń elektronów z atomami sieci
krystalicznej. Zjawisko to występuje w półprzewodnikach słabiej domieszkowanych,
w złączach o grubości znacznie przekraczającej średnią drogę swobodną elektronu.
Powoduje to zwiększenie prawdopodobieństwa powielania lawinowego. Natężenie
pola elektrycznego w warstwie zaporowej złącza wynosi ok. 106 V/m. Diody
lawinowe pracują przy napięciach przebicia nieniszczącego wyższych od 5 V. Dla
diod o napięciu stabilizacji zawierającym się w granicach 57 V oba zjawiska
występują równocześnie.
Na rysunku 1.4. przedstawiono przykładową charakterystykę napięciowo-prądową
diody stabilizacyjnej.
ΔUZ
IF
Napięcie
stabilizacji
20 V
UZ
200 mA
UF
10 V
UR
IZmin
Hiperbola mocy
admisyjnej
1
I Z

rZ U Z
ΔIZ
0,5 V
1V
200 mA
IZmax
Pmax = const
400 mA
IR
Rys. 1.4. Przykładowa charakterystyka napięciowo-prądowa diody stabilizacyjnej
8
Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia dioda stabilizacyjna zachowuje się tak
jak “zwykła” dioda prostownicza, tzn. spadek napięcia na niej jest niewielki i wynosi
ok. 0,60,7 V. Przy polaryzacji diody w kierunku zaporowym dla pewnej wartości
napięcia (zależnej od sposobu wykonania diody) następuje gwałtowny wzrost
natężenia prądu (przebicie nieniszczące).
Podstawowe parametry diod stabilizacyjnych to:

napięcie stabilizowane UZ (nazywane również napięciem Zenera),
definiowane jako napięcie odpowiadające umownej wartości prądu stabilizacji
IZ, (np. 0,1·IZmax – 10% maksymalnej wartości prądu stabilizacji),

natężenie prądu stabilizacji IZ,

rezystancja dynamiczna (przyrostowa) rZ = UZ/IZ (dla określonego prądu
stabilizacji); graficznie jest to nachylenie odcinka
charakterystyki napięciowo-prądowej diody stabilizacyjnej,
prostoliniowego

temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji TKUZ (ujemny dla diod
Zenera i dodatni dla diod lawinowych),

dopuszczalna maksymalna moc strat Ptot max,

dopuszczalny średni prąd przewodzenia IF(AV).
3. Badania i pomiary
3.1. Określenie wielkości mierzonych
Wielkościami mierzonymi są spadki napięć i prądy płynące przez diody. Na
podstawie danych pomiarowych wyznacza się charakterystyki napięciowo-prądowe
badanych elementów. Z analizy wykresów wyznaczamy dla diody prostowniczej:
wartość natężenia zastępczego prądu nasycenia złącza I’ S oraz współczynnik n, a dla
diody stabilizacyjnej napięcie stabilizacji UZ i rezystancję przyrostową rZ.
3.2. Wyznaczenie charakterystyk w kierunku przewodzenia
3.2.1. Schemat stanowiska
Stanowisko pomiarowe zasilane jest z regulowanego źródła prądu stałego. Układ
pomiarowy przedstawiono na rysunku 1.5.
9
+
Regulowany
IF
mA
R
mV
zasilacz
prądu stałego
UF
D
DZ
–
Rys. 1.5. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki diody prostowniczej
i stabilizacyjnej w kierunku przewodzenia
3.2.2. Przebieg ćwiczenia
1. Zestawić układ pomiarowy według rysunku 1.5.
2. Dokonać pomiarów natężenia prądu IF [mA] oraz napięcia UF [mV] dla diody
prostowniczej D.
3. Dokonać pomiarów natężenia prądu IF [mA] oraz napięcia UF [mV] dla diody
stabilizacyjnej DZ.
4. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 1.1.
Tabela 1.1
Kierunek
Dioda prostownicza
przewodzenia Typ diody…………………..
Lp.
IF
mA
UF
mV
Dioda stabilizacyjna
Typ diody……………………..
IF
mA
UF
mV
1.
2.
3.
4.
5.
itd.
3.3. Wyznaczenie charakterystyk w kierunku zaporowym
3.3.1. Schemat stanowiska
Stanowiska pomiarowe zasilane są z regulowanego źródła prądu stałego. Układ
pomiarowy dla diody prostowniczej przedstawia rysunek 1.6.1., a dla diody
stabilizacyjnej rysunek 1.6.2.
10
IR
+
Regulowany
μA
R
zasilacz
V
prądu stałego
D
UR
–
Rys. 1.6.1. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki diody prostowniczej
w kierunku zaporowym
+
Regulowany
IR
mA
R
zasilacz
V
prądu stałego
DZ
UR
–
Rys. 1.6.2. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki diody stabilizacyjnej
w kierunku zaporowym
3.2.2. Przebieg ćwiczenia
1. Zestawić układy pomiarowe wg rysunków 1.6.1. i 1.6.2. (dwa stanowiska).
2. Dokonać pomiarów natężenia prądu IR [μA] oraz napięcia UR [V] dla diody
prostowniczej D.
3. Dokonać pomiarów natężenia prądu IR [mA] oraz napięcia UR [V] dla diody
stabilizacyjnej DZ.
4. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 1.2.
Tabela 1.2
Kierunek
zaporowy
Lp.
1.
2.
3.
4.
5.
itd.
Dioda prostownicza
Typ diody…………………..
IR
μA
UR
V
Dioda stabilizacyjna
Typ diody……………………..
IR
mA
UR
V
11
4. Opracowanie wyników pomiarów
1. Sporządzić na podstawie wyników pomiarowych (tabela 1.1. i 1.2.) wykresy
charakterystyk diody prostowniczej i diody stabilizacyjnej (przy polaryzacji
w obu kierunkach: przewodzenia i zaporowym).
2. Sporządzić półlogarytmiczną charakterystykę napięciowo-prądową diody
prostowniczej w kierunku przewodzenia (tabela 1.1.).
3. Wyznaczyć parametry badanej diody prostowniczej (wartość natężenia
zastępczego prądu nasycenia złącza I’S oraz wartość współczynnika udziału
składowej dyfuzyjnej do rekombinacyjnej n).
4. Wyznaczyć parametry badanej diody stabilizacyjnej (napięcie stabilizacji
diody UZ oraz wartość rezystancji dynamicznej rZ).
5. Podać uwagi dotyczące przebiegu ćwiczenia, otrzymanych wyników
pomiarowych oraz dokonać oszacowania niepewności pomiarowych i błędów.
5. Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać:
1. Stronę tytułową (nazwę ćwiczenia, numer sekcji, nazwiska i imiona
ćwiczących oraz datę wykonania ćwiczenia).
2. Symbole i dane katalogowe badanych elementów elektronicznych.
3.
4.
5.
6.
Schematy układów pomiarowych.
Tabele wyników pomiarowych ze wszystkich stanowisk.
Wykresy wyszczególnionych w punkcie 4. charakterystyk.
Wyszczególnione w punkcie 4. parametry badanych elementów
elektronicznych.
7. Uwagi i wnioski (dotyczące przebiegu charakterystyk, ich odstępstw od
przebiegów teoretycznych, wartości wyznaczonych parametrów, rozbieżności
wyników pomiarów na różnych stanowiskach, oszacowania niepewności
pomiarowej i błędów itp.).