Laboratorium elektroniki i miernictwa Ćwiczenie D

150946
151021
Numer indeksu
Numer indeksu
Michał Moroz
Paweł Tarasiuk
Imię i nazwisko
Imię i nazwisko
kierunek: Informatyka
semestr 2 grupa II
rok akademicki: 2008/2009
Laboratorium
elektroniki i miernictwa
Ćwiczenie D
Diody
Ocena:
Streszczenie
Sprawozdanie z ćwiczenia, którego celem było wyznaczenie charakterystyk prądowo-napięciowych
dla diod: germanowej, krzemowej, Zenera oraz Schottky’ego.
1
Teoria
W tym rozdziale zostaną omówione pokrótce poszczególne zagadnienia związane z tematem
przeprowadzanego ćwiczenia.
1.1
Złącze p-n
Złącze p-n to rodzaj złącza dwóch półprzewodników domieszkowych typu p i typu n. Półprzewodnikiem domieszkowym nazywamy taki półprzewodnik, w którym w podstawowej strukturze
krystalicznej znajdują się obce atomy które zostały wprowadzone do niej celowo w procesie
produkcyjnym (stąd nazwa - domieszkowy). Ten zabieg stosuje się najczęściej aby zwiększyć
przewodność półprzewodnika, zwiększając ilość elektronów swobodnych w jego strukturze.
Dzięki różnym rodzajom domieszek, możemy stworzyć półprzewodniki o różnych parametrach. Zasadniczo dzielą się one na dwie grupy - półprzewodniki typu n i typu p. Półprzewodnik
typu n tworzony jest poprzez wprowadzanie atomów zawierających więcej elektronów do samoistnej struktury krystalicznej. Domieszka taka powoduje powstanie dodatkowego poziomu energetycznego, nazywanego donorowym, blisko dna pasma przewodzenia. Po przyłożeniu względnie
niewielkiego napięcia, nadmiarowe elektrony dostają wystarczającą energię, aby przejść z poziomu donorowego do pasma przewodnictwa. Półprzewodnik typu p zawiera domieszki o mniejszej
liczbie elektronów. Dzięki temu w półprzewodniku występują dziury i powstaje dodatkowy poziom energetyczny zwany poziomem akceptorowym. Dziury są w stanie przewodzić prąd, jednak
nie są tak ruchliwe jak same elektrony, co powoduje, że półprzewodnik typu p ma zwykle większą
rezystancję od półprzewodnika typu n.
Zestawieniem obu typów półprzewodników jest złącze p-n. Gdy na złącze nie działa żadna
zewnętrzna siła elektromotoryczna, złącze dążąc do równowagi wytwarza na granicy części p i
części n warstwę zubożoną poprzez rekombinację - tj. łączenie się nadmiarowych elektronów z
dziurami tak, że przepływ nośników stopniowo ustaje.
Po przyłożeniu do złącza napięcia, złącze reaguje dwojako, w zależności od tego, w jakim
kierunku zostało spolaryzowane. Kiedy złącze jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia,
obszar zubożony znika pod wpływem napięcia i po przekroczeniu progu, zwanego napięciem
dyfuzyjnym, następuje przepływ prądu dyfuzyjnego. Proces rekombinacji cały czas występuje,
ale ze względu na ciągły dopływ nowych nośników ze źródła zasilania, przepływ prądu nie zanika.
Kiedy złącze jest spolaryzowane w kierunku odwrotnym do kierunku przewodzenia, powstaje
zjawisko odwrotne - obszar zubożony zwiększa się w miarę zwiększania się różnicy potencjałów
na wyprowadzeniach złącz. Płynie niewielki prąd zwany prądem wstecznym. Jego wartość zazwyczaj nie zależy od wartości przyłożonego napięcia ale od temperatury i własności materiału.
Przy odpowiednio dużym napięciu wstecznym, następuje przebicie lawinowe, powyżej którego
wartość prądu przepływającego przez złącze rośnie w szybkim tempie, co przy odpowiednio dużym prądzie może spowodować spalenie złącza. Poza tym przypadkiem, samo zjawisko przebicia
lawinowego nie jest groźne dla złącza p-n.
1.2
Dioda krzemowa
Dioda krzemowa to najpopularniejsze zastosowanie złącza p-n. Większość jej charakterystyk
została już opisana w rozdziale 1.1. W kierunku przewodzenia napięcie dyfuzyjne zwyczajowo
określa się jako 0,6 V – 0,7 V. Diody krzemowe mają bardzo wiele zastosowań – są standardowym
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. D
2 / 18
wyposażeniem prostowników napięcia, mogą w szczególnych przypadkach zastępować tranzystory bipolarne, znajdują zastosowanie w układach audio, radiach, oraz jako elementy w układach
scalonych o dowolnym stopniu integracji
W typowych zastosowaniach diody krzemowej przebicie lawinowe jest wyjątkowo niepożądanym zjawiskiem, dlatego produkuje się diody o różnych progach maksymalnego dopuszczalnego
napięcia wstecznego które mogą się wahać od kilkunastu do kilku tysięcy woltów.
1.3
Dioda germanowa
Dioda germanowa to odmiana diody półprzewodnikowej p-n, której podstawą są kryształy
germanu, a nie krzemu. Jej zachowanie jest podobne do złącza p-n a od diody krzemowej różni się
większym prądem wstecznym i dużą wrażliwością na zmiany temperatury. Jej napięcie dyfuzyjne
to ok. 0,3 V. W popularnych układach diody germanowe są obecnie rzadko spotykane, właśnie ze
względu na problemy ze stabilnością temperaturową. Jednym z współczesnych zastosowań diod
germanowych są detektory XRS, gdzie diody te są schładzane do bardzo niskich temperatur i
służą wykrywaniu promieniowania gamma.
1.4
Dioda Zenera
W diodach Zenera celowo wykorzystuje się efekt przebicia lawinowego oraz efekt Zenera dla
uzyskania diody o konkretnym napięciu przebicia. Efekt Zenera, występujący w silnie domieszkowanych złączach p-n, polega na tunelowaniu elektronów z pasma walencyjnego obszaru typu
p do pasma przewodzenia obszaru typu n bez zmiany energii elektronu. Niewielki wzrost napięcia powoduje duży przyrost prądu. Zjawisko Zenera ma duży udział poniżej 5-6 V, powyżej
tego napięcia, znacznie większy wpływ ma omówione powyżej zjawisko przebicia lawinowego.
Diody Zenera bardzo często znajdują zastosowania w prostych układach stabilizacji napięcia,
gdzie napięcie nie musi być precyzyjne do działania układu.
1.5
Dioda Schottky’ego i złącze m-s
Złącze p-n ma jedną zasadniczą wadę – długi czas przełączania. Dla diod krzemowych jest on
rzędu setek nanosekund. Wynika to z czasu potrzebnego na generację i rekombinację nośników.
Potrzeba budowy szybkich diod przełączających spowodowała powstanie diod Schottky’ego. Zastosowano w nich złącze metal-półprzewodnik, które dzięki swojej budowie posiada znacznie
mniejszy obszar zubożony. Efektem tego są czasy przełączania rzędu setek pikosekund, aż do
kilkudziesięciu nanosekund dla dużych diod o dużej pojemności. Złącze posiada także mniejsze
napięcie dyfuzyjne, mieszczące się typowo w zakresie 0,18 V – 0,45 V. Diody Schottky’ego znajdują zastosowanie jako układy zabezpieczające tranzystor bipolarny przed zbytnią saturacją, w
zasilaczach impulsowych, urządzeniach radiowych i bezprzewodowych.
Opisane powyżej złącze m-s nazywane jest złączem prostującym, bądź złączem Schottky’ego.
Istnieje także inny rodzaj złącza m-s, które dobrze przewodzi w obie strony przy niskich napięciach. Takie złącze nazywane jest złączem omowym i służy najczęściej do połączeń wewnątrz
układów scalonych.
2
Wyniki pomiarów
Pomiary zostały zrealizowane za pomocą multimetrów M–4650, nr J3/M–1/2 i J3/M/1/9
pracujących jako amperomierz i woltomierz. Do zasilania został użyty zasilacz DF1731SB3A,
nr J3–T6–261/A. Pomiary przeprowadzane były w układzie przestawionym na rysunku 1.
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. D
3 / 18
+25V
A
E
A1
M-4650
A
2
3
4
5
6
-25V
Dx
V
1
2
V1
M-4650
1N5819
D4
BZP620C4V3
D3
D2
1N4001
D1
DZG4
1
3
5
7
9
11
1
S1
A
R1
S
SL1
GND
Rysunek 1: Schemat układu pomiarowego.
Pomiary dla diody germanowej D1 zostały zestawione w tabeli 1, dla diody krzemowej D2 w
tabeli 2, dla diody Zenera D3 zostały zestawione w tabeli 3, a w tabeli 4 zaprezentowano wyniki
dla diody D4 . W tym i dalszych zestawach wyników, wartości ujemne są konsekwencją zastosowanych podłączeń amperomierza i woltomierza w układzie, pozwalając jednocześnie szybko
rozpoznać rodzaj podłączenia diody (wszystkie ujemne pomiary są przeprowadzane w kierunku
zaporowym, a wszystkie dodatnie – w kierunku przewodzenia).
U [V]
(0,009
(0,123
(0,158
(0,194
(0,209
(0,252
(0,301
(0,323
(0,354
(0,361
Tabela 1: Pomiary
Kierunek przewodzenia
I [mA]
Zakres [A]
0,003)
(0,0115 ± 0,0004)
± 0,003) (0,7861 ± 0,0026) 2 m
± 0,003) (1,6513 ± 0,005)
± 0,003) (3,35 ± 0,05)
± 0,004) (4,16 ± 0,05)
± 0,004) (10,46 ± 0,09)
± 0,004) (25,56 ± 0,16)
200 m
± 0,004) (38,40 ± 0,23)
± 0,004) (64,56 ± 0,35)
± 0,004) (73,47 ± 0,40)
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. D
diody D1
U [V]
(-0,037
(-0,240
(-0,524
(-1,020
(-2,083
(-3,097
(-4,033
(-5,002
(-6,001
(-7,266
(-8,924
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
Kierunek zaporowy
I [µA]
0,003) (-22,85 ± 0,10)
0,004) (-31,74 ± 0,13)
0,004) (-32,20 ± 0,13)
0,004) (-32,76 ± 0,13)
0,004) (-35,16 ± 0,14)
0,005) (-43,17 ± 0,16)
0,005) (-64,41 ± 0,23)
0,006) (-108,67 ± 0,36)
0,006) (-153,01 ± 0,49)
0,007) (-232,4 ± 1,0)
0,007) (-303,5 ± 1,3)
Zakres [A]
200 µ
2m
4 / 18
U [V]
(0,000
(0,205
(0,300
(0,327
(0,350
(0,375
(0,400
(0,424
(0,450
(0,460
(0,470
(0,480
(0,490
(0,500
(0,510
(0,519
(0,530
(0,539
(0,550
(0,575
(0,602
(0,623
(0,650
(0,675
(0,701
(0,725
(0,742
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
Tabela 2: Pomiary diody D2
Kierunek przewodzenia
Kierunek zaporowy
I [A]
Zakres [A] U [V]
I [µA]
0,003) (0,00 ± 0,03) µ
(0,000 ± 0,003) (0,00 ± 0,03)
0,003) (0,04 ± 0,03) µ
(-0,249 ± 0,004) (-0,02 ± 0,03)
0,003) (0,37 ± 0,04) µ
(-0,501 ± 0,004) (-0,04 ± 0,03)
0,004) (0,74 ± 0,04) µ
(-0,599 ± 0,004) (-0,05 ± 0,03)
0,004) (1,43 ± 0,04) µ
-(0,699 ± 0,004) (-0,07 ± 0,03)
0,004) (3,01 ± 0,04) µ
(-0,753 ± 0,004) (-0,07 ± 0,03)
0,004) (6,52 ± 0,05) µ
(-1,000 ± 0,004) (-0,10 ± 0,03)
200 µ
0,004) (14,48 ± 0,08) µ
(-1,250 ± 0,004) (-0,12 ± 0,03)
0,004) (34,76 ± 0,14) µ
(-1,500 ± 0,004) (-0,15 ± 0,03)
0,004) (48,06 ± 0,18) µ
(-1,700 ± 0,004) (-0,17 ± 0,03)
0,004) (64,97 ± 0,23) µ
(-2,008 ± 0,004) (-0,20 ± 0,03)
0,004) (89,01 ± 0,30) µ
(-2,251 ± 0,005) (-0,22 ± 0,03)
0,004) (123,21 ± 0,40) µ
(-3,515 ± 0,005) (-0,35 ± 0,04)
0,004) (165,10 ± 0,53) µ
(-5,991 ± 0,006) (-0,60 ± 0,04)
0,004) (0,2259 ± 0,0010) m
(-7,000 ± 0,007) (-0,70 ± 0,04)
0,004) (0,2878 ± 0,0011) m
(-7,998 ± 0,007) (-0,80 ± 0,04)
0,004) (0,3938 ± 0,0015) m
(-8,963 ± 0,008) (-0,89 ± 0,04)
2m
0,004) (0,5002 ± 0,0018) m
0,004) (0,6657 ± 0,0023) m
0,004) (1,2529 ± 0,0040) m
0,004) (2,44 ± 0,05) m
0,004) (4,10 ± 0,05) m
0,004) (7,92 ± 0,07) m
200 m
0,004) (13,90 ± 0,10) m
0,004) (26,20 ± 0,17) m
0,004) (48,15 ± 0,27) m
0,004) (73,33 ± 0,40) m
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. D
Zakres [A]
200 µ
5 / 18
U [V]
(0,207
(0,302
(0,400
(0,512
(0,575
(0,600
(0,620
(0,689
(0,700
(0,749
(0,775
(0,793
U [V]
(0,022
(0,103
(0,152
(0,204
(0,214
(0,257
(0,277
(0,303
(0,319
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
Tabela 3: Pomiary diody D3
Kierunek przewodzenia
I [A]
Zakres [A] U [V]
0,003) (0,04 ± 0,03) µ
(-0,501
0,004) (0,16 ± 0,03) µ
(-0,997
200 µ
0,004) (0,76 ± 0,04) µ
(-1,501
0,004) (7,21 ± 0,06) µ
(-2,002
0,004) (0,0331 ± 0,0004) m
(-2,260
0,004) (0,0770 ± 0,0006) m
(-2,504
2m
0,004) (0,1570 ± 0,0008) m
(-2,748
0,004) (1,4836 ± 0,0048) m
(-3,023
0,004) (2,22 ± 0,05) m
(-3,246
0,004) (14,05 ± 0,10) m
(-3,499
200 m
0,004) (33,87 ± 0,20) m
(-3,754
0,004) (79,42 ± 0,43) m
(-3,997
Tabela 4: Pomiary diody D4
Kierunek przewodzenia
I [A]
Zakres [A] U [V]
0,003) (0,73 ± 0,04) µ
(-0,010
0,003) (26,57 ± 0,11) µ
200 µ
(-0,104
0,003) (179,18 ± 0,57) µ
(-0,198
0,003) (1,2804 ± 0,0042) m
(-0,355
2m
0,004) (1,9053 ± 0,0061) m
(-0,403
0,004) (9,38 ± 0,08) m
(-0,504
0,004) (18,97 ± 0,13) m
(-0,760
200 m
0,004) (44,50 ± 0,26) m
(-1,009
0,004) (73,50 ± 0,40) m
(-1,256
(-2,015
(-3,079
(-4,072
(-6,047
(-7,018
(-8,956
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
Kierunek zaporowy
I [A]
0,004) (-0,13 ± 0,03) µ
0,004) (-2,32 ± 0,04) µ
0,004) (-41,76 ± 0,16) µ
0,004) (-0,3261 ± 0,013) m
0,005) (-0,7954 ± 0,0027) m
0,005) (-1,7099 ± 0,0055) m
0,005) (-3,45 ± 0,048) m
0,005) (-7,35 ± 0,067) m
0,005) (-12,32 ± 0,10) m
0,005) (-22,20 ± 0,15) m
0,005) (-39,34 ± 0,23) m
0,005) (-68,20 ± 0,38) m
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
±
Kierunek zaporowy
I [µA]
0,003) (-0,25 ± 0,03)
0,003) (-0,55 ± 0,04)
0,003) (-0,58 ± 0,04)
0,004) (-0,61 ± 0,04)
0,004) (-0,63 ± 0,04)
0,004) (-0,66 ± 0,04)
0,004) (-0,72 ± 0,04)
0,004) (-0,77 ± 0,04)
0,004) (-0,82 ± 0,04)
0,004) (-0,96 ± 0,04)
0,005) (-1,16 ± 0,04)
0,005) (-1,33 ± 0,04)
0,006) (-1,67 ± 0,04)
0,007) (-1,84 ± 0,04)
0,008) (-2,16 ± 0,04)
200 µ
Dioda D1
Pomiar diody D1 był utrudniony ze względu na niestabilne odczyty prądu i napięcia w kierunku przewodzenia, jak i kierunku zaporowym. Zastosowaliśmy tu metodę zapisywania pierwszego
wyniku, który uda się odczytać po zakończeniu regulacji potencjometrem, co dało całkiem dobre
wyniki potwierdzające, że dioda D1 jest diodą germanową. Już przy napięciu ok 0,28 V można zaobserwować duże przyrosty prądu przy niewielkich zmianach napięcia. Aproksymacja daje
przybliżoną wartość 150mA przy napięciu 0,4 V, co jest połową średniego prądu przewodzenia
zalecanego przez notę katalogową diody.
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. D
200 µ
2m
200 m
Zakres [A]
Wyniki pomiarów w postaci tabelarycznej nie są jednakże najwygodniejsze w zastosowaniu.
Znacznie wygodniej jest analizować wykresy otrzymane z powyższych wyników. Charakterystyki
prądowo-napięciowe dla diod D1 , D2 , D3 oraz D4 znajdują się na rysunkach 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 i 9.
2.1
Zakres [A]
6 / 18
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
U [V]
0.15
0.1
0.05
0
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
I [A]
Rysunek 2: Charakterystyka prądowo-napięciowa dla diody D1 w kierunku przewodzenia.
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. D
7 / 18
9
8
7
6
5
- U [V]
4
3
2
1
0
0
5e-05
0.0001
0.00015
0.0002
0.00025
0.0003
0.00035
- I [A]
Rysunek 3: Charakterystyka prądowo-napięciowa dla diody D1 w kierunku zaporowym.
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. D
8 / 18
We wstecznym kierunku (rysunek 3) możemy z kolei zaobserwować dość ciekawy, nielinowy
wykres. Należy zauważyć, że dla napięć poniżej 4 V wykres pokrywa się z przewidywanymi wartościami. Potem prąd nagle zaczyna rosnąć niewspółmiernie do napięcia. Aby ten wykres był
zgodny z wartościami podanymi w nocie katalogowej, należałoby założyć, że temperatura diody była o kilka, bądź kilkanaście stopni wyższa niż temperatura otoczenia 25 ◦ C i ciągle rosła.
Wtedy wartości dla napięć większych od 7V mieściłyby się w górnej granicy charakterystyki
prądu wstecznego, a krzywa nachylenia (bardziej stroma niż przewidywana) dałaby się wytłumaczyć zmianami temperatury. Istnieje także możliwość, że niedokładne pomiary zwiększyły
błąd pomiaru do takiego stopnia, że sfałszował charakterystykę prądowo-napięciową diody.
2.2
Dioda D2
Pomiary diody D2 zaprezentowano na rysunkach 4 oraz 5. Charakterystyka potwierdza napięcie dyfuzji diody krzemowej, w granicy 0,6 V – 0,7 V. W kierunku przewodzenia charakterystyka
jest prawie idealną eksponentą, co łatwo można potwierdzić na rysunku 6. Niewielkie, ale nieprzypadkowe odchyły od wykresu eksponenty świadczą o niedoskonałości materiału - o błędach
pomiarowych lub niezależnych mogłyby świadczyć losowe wyniki, jednak na tej charakterystyce
widać wyraźnie odcinki, na których wszystkie punkty znajdują się po jednej, bądź po drugiej
stronie eksponenty. Potwierdza to charakterystyka diody znajdująca się w nocie katalogowej dla tego odcinka wykres jest prawie idealną eksponentą - dopiero przy większych prądach można
byłoby zauważyć większe odchylenie od charakterystyki idealnej diody.
W kierunku wstecznym udało się osiągnąć całkowicie liniowy wykres. Z noty katalogowej
wyczytujemy, że dla napięcia 10 V i temperatury 25 ◦ C wartość prądu wstecznego powinna wynosić w idealnych warunkach 0,05 µA. Z charakterystyki odczytujemy wartość 1 µA. Mimo, że
ta wartość nie pasuje do wykresu, mieści się w granicy maksymalnego prądu wstecznego dla
diody, wynoszącego 5,0 µA. Zatem stwierdzamy, że dioda, mimo charakterystyki niezgodnej z
notą katalogową nadal mieści się w dopuszczalnym zakresie prądu wstecznego.
Następnie określamy współczynnik kierunkowy nachylenia a = 27, 60. Ta wartość posłuży
nam do wyliczenia wartości stałej m korzystając ze wzoru:
ln(I) =
eU
+ ln(Is )
mkT
(1)
gdzie e - ładunek elektronu, k - stała Boltzmanna, T - temperatura złącza w skali Kelwina, Is
- wsteczny prąd nasycenia. Z samego tego wzoru wynika, że wartość logarytmu naturalnego z
natężenia prądu płynącego przez diodę jest zależna liniowo od przyłożonego napięcia, co możemy
zapisać ln(I) = aU +b. Aby zachodziła równość wielomianów, współczynniki na odpowiadających
sobie pozycjach muszą być ze sobą równe, zatem:
eU
mkT
e
m=
akT
aU =
(2)
(3)
Przyjmując temperaturę pokojową jako T = 21, 5 ◦ C, możemy oszacować wartość bezwymiarowego parametru m = −1, 43.
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. D
9 / 18
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
U [V]
0.3
0.2
0.1
0
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
I [A]
Rysunek 4: Charakterystyka prądowo-napięciowa dla diody D2 w kierunku przewodzenia.
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. D
10 / 18
10
8
6
- U [V]
4
2
0
0
1e-07
2e-07
3e-07
4e-07
5e-07
6e-07
7e-07
8e-07
9e-07
1e-06
- I [A]
Rysunek 5: Charakterystyka prądowo-napięciowa dla diody D2 w kierunku zaporowym.
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. D
11 / 18
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
U [V]
0.3
0.2
0.1
0
1e-08
1e-07
1e-06
1e-05
0.0001
0.001
0.01
0.1
I [A]
Rysunek 6: Charakterystyka prądowo-napięciowa dla diody D2 w kierunku przewodzenia w skali
półlogarytmicznej.
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. D
12 / 18
2.3
Dioda D3
Z charakterystyki z rysunku 7 i z tabeli 3 możemy w prosty sposób porównać diodę Zenera do diody krzemowej w kierunku przewodzenia. Obie diody zachowują się bardzo podobnie,
prąd diody krzemowej nieco wcześniej (przekroczenie granicy 1 mA o ok. 0,1 V wcześniej) zaczyna wzrastać, ale charakterystyka diody Zenera w ostatnich punktach ma większy kąt od
charakterystyki diody krzemowej. Można z tego wysnuć wniosek, że dioda Zenera w kierunku
przewodzenia może być wykorzystana z równym powodzeniem, co zwykła dioda krzemowa.
We wstecznym kierunku doskonale widać efekt Zenera - prąd zaczyna nagle wzrastać po
przekroczeniu napięcia w punkcie UZ . Przez ponad 1V prąd rośnie do wartości IZmax , ustalonej
przez ograniczenie prądowe. Mając IZmax = 68, 20 mA możemy obliczyć:
IZmin = 0, 05 · IZmax = 3, 41 mA
Dla tej wartości odczytujemy UZ , które wynosi 2,7198 V. Wartość ta nie jest wartością wyczytaną z noty katalogowej, ale należy zauważyć, że powyższe wyliczenie jest silnie uzależnione od
zakresu pomiarów prądu, czyli od zastosowanego ograniczenia prądowego. Gdybyśmy przeprowadzali pomiary aż do szczytowego napięcia przewodzenia 3 A, wartość UZ dla 150 mA byłaby
znacznie bliższa wzorcowemu 4,3 V, niż wynik powyższego wyliczenia.
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. D
13 / 18
Rysunek 7: Charakterystyka prądowo-napięciowa dla diody D3 .
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. D
14 / 18
2.4
Dioda D4
Charakterystyka kierunku przewodzenia przedstawiona na rysunku 8 potwierdza nasze teoretyczne rozważania na temat diody Schottky’ego. Przy napięciu równym 0,2 V dioda przekracza
próg 1 mA. Niestety, wyników nie możemy porównać z notą katalogową, gdyż jedyna charakterystyka prądowo-napięciowa wykonywana nie jest dla prądu stałego, a dla prądu zmiennego.
W kierunku zaporowym, charakterystyka nie jest w pełni prosta. Nie udało nam się znaleźć
uzasadnienia dla tego faktu – wydaje nam się, może to być kwestia materiałów wykorzystanych
do budowy tego złącza. Niestety, bezpośrednie porównanie również jest niemożliwe ze względu
na brak charakterystyk napięciowo-prądowych wykonywanych bez testów pulsacyjnych. Ponadto
pomiar prądu dla bardzo małego napięcia (0, 01 V) został odrzucony przy dopasowaniu krzywej
do wyników, gdyż wyraźnie odbiega od oczekiwanej charakterystyki diody - tak małe napięcie
wyraźnie odbiega od jej oczekiwanego zastosowania.
Jeśli jednak mielibyśmy porównywać te charakterystyki ze sobą, okazałoby się, że dla kierunku przewodzenia zmierzona wartość prądu jest ok. dziesięć razy mniejsza od wartości oczekiwanych, a w kierunku zaporowym są około dwa razy mniejsze od wartości oczekiwanych, co
akurat w drugim przypadku jest pozytywnym rezultatem.
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. D
15 / 18
0.35
0.3
0.25
U [V]
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
I [A]
Rysunek 8: Charakterystyka prądowo-napięciowa dla diody D4 w kierunku przewodzenia.
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. D
16 / 18
10
8
6
- U [V]
4
2
0
0
5e-07
1e-06
1.5e-06
2e-06
2.5e-06
- I [A]
Rysunek 9: Charakterystyka prądowo-napięciowa dla diody D4 w kierunku zaporowym.
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. D
17 / 18
3
Wnioski końcowe
Analiza wyników pozwala przypuszczać, że dioda D1 to DZG4, dioda D2 to 1N4001, dioda
D3 to BZP620C4V3, a dioda D4 to 1N5819.
Powyższe pomiary pozwoliły stwierdzić, że wzorcowe charakterystyki dla diod stanowią jedynie przybliżony opis ich zachowania. Ma to podłoże w warunkach zewnętrznych, a także w
samym procesie produkcyjnym. Może się okazać, że dwa elementy mimo tego samego oznaczenia posiadać będą różne charakterystyki, pomimo znajdowania się w zakresie podanym przez
producenta. Nie bez znaczenia są także poziom eksploatacji oraz wiek elementów - niektóre serie produkowane są od kilkudziesięciu lat. W tym czasie proces produkcyjny mógł się ulepszać,
przez co współcześniejsze elementy mogą mieć charakterystyki bardziej zbliżone do wzorcowych,
choć nie jest to wszędzie regułą.
Podstawowe niepewności pomiarów wynikają z błędów pomiaru woltomierza i amperomierza,
szczególnie tego drugiego ze względu na część pomiarów przeprowadzaną przy wartościach prądu
nieprzekraczających 1 µA. Innym nieprzypadkowym źródłem błędu może być zasilacz a także
ograniczenie prądowe znajdujące się w środku układu pomiarowego, o którym nic nie wiadomo. Przy niewielkich prądach należałoby uwzględnić także niezerową rezystancję doprowadzeń
i styków. Ponadto nagrzewanie się układu mogło mieć wpływ zarówno na same diody (charakterystyka zależy od temperatury) jak i na przyrządy pomiarowe. Miał to szczególne znaczenie
w przypadku diody germanowej, dla której zalecane było jak najszybsze wykonanie pomiarów,
tak aby była ona utrzymywana pod napięciem jak najkrócej.
Zatem dla dokładniejszej analizy badanych diod, szczególnie diody D1 , konieczne byłoby
przeprowadzanie pomiarów temperatury diody. Należałoby usprawnić także sam proces mierzenia, aby zredukować ciepło wydzielane na diodzie – dla przykładu mogąc łatwo załączać i
wyłączać prąd płynący przez diodę. Problem wtedy sprawiałby jednak pomiar napięcia bez obciążenia, ponieważ woltomierz, ze względu na rezystancję wewnętrzną zasilacza nie będzie wskazywał tej samej wartości napięcia przy podłączeniu diody i bez niej. Doświadczeniem wartym
przeprowadzenia jest też wykonanie tych samych pomiarów dla prądu zmiennego o określonej
częstotliwości. W przypadku diod które to technicznie umożliwiają, warto by było także sprawdzić charakterystyki dla większej rozpiętości napięć - w przypadku diody D2 można by było
bardziej zaobserwować jej niedoskonałość.
Literatura
[1] Bogdan Żółtowski, Wprowadzenie do zajęć laboratoryjnych z fizyki, Skrypt Politechniki Łódzkiej, Łódź 2002.
[2] Unitra, Nota katalogowa diody BZP620-C
http://www.if.p.lodz.pl/download/files/elektro/bzp620c4v3.pdf
[3] Vishay Semiconductors, Nota katalogowa diody 1N5819
http://www.if.p.lodz.pl/download/files/elektro/1n5819.pdf
[4] Fairchild Semiconductor, Nota katalogowa diody 1N4001
http://www.if.p.lodz.pl/download/files/elektro/1N4001.pdf
[5] Unitra, Nota katalogowa diody DZG4
http://if.p.lodz.pl/download/files/elektro/DF1731SB3A_pl.pdf
[6] S. M. Kaczmarek, PRZEBICIE I MODELE ZŁĄCZA p-n
http://www.skaczmarek.ps.pl/Wyk5_el.pdf
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. D
18 / 18