Ćwiczenie 1

LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW
PÓŁPRZEWODNIKOWYCH
ĆWICZENIE 1
CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE DIOD P-N
KATEDRA SYSTEMÓW MIKROELEKTRONICZNYCH
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z:
• przebiegami statycznych charakterystyk prądowo-napięciowych diod
półprzewodnikowych prostowniczych, przełączających i elektroluminescencyjnych,
• metodami pomiaru charakterystyk statycznych diod półprzewodnikowych,
• działaniem i obsługą urządzeń pomiarowych: oscyloskop, amperomierz, woltomierz.
2. ZADANIA
2.1. Zadania do wykonania w laboratorium
Z1. Obserwacja oscyloskopowa charakterystyk
Na Rys. 1 przedstawiono układ do obserwacji na ekranie oscyloskopu charakterystyk
diod dla kierunku przewodzenia.
≈12 Vsk
B
0,2 A
B
0,2 A
Db
7
R1
14 9
29 13
18 19 22
OS-9000SRS
1k
R2
1
Dp
BAVP17
TM 2
10
30
Y
X
20 21
Rys. 1. Układ do obserwacji oscyloskopowej charakterystyki diody.
Napięcie na rezystancji R2 (1Ω) jest wprost proporcjonalne do prądu badanej diody Db.
NaleŜy doprowadzić je do wejścia Y oscyloskopu.
Pomocnicza dioda Dp ogranicza ujemne impulsy napięcia doprowadzanego do diody badanej
Db.
Na tablicy montaŜowej TM2 zmontować układ z Rys. 1 do obserwacji oscyloskopowej
charakterystyk statycznych I (U ) diod półprzewodnikowych. Podane na Rys. 1 numery
węzłów odpowiadają numerom końcówek na tablicy montaŜowej TM2. Obejrzeć i
przerysować z ekranu oscyloskopu charakterystyki wszystkich badanych diod na wspólny
wykres. Układ zasilać napięciem zmiennym 12 V sk .
Ustawić tryb pracy oscyloskopu XY. Proponowane nastawy oscyloskopu: kanał X 0.2 V/cm,
kanał Y 5mV/cm. NaleŜy pamiętać o prawidłowym ustawieniu punktu (0,0) (np. w lewym
dolnym rogu ekranu oscyloskopu) oraz skalibrowaniu obu kanałów.
2
Opisać dokładnie oscylogram. Zanotować nastawy oscyloskopu (VOLTS/DIV) obu kanałów.
Oś prądu I (oś Y) naleŜy wyskalować w miliamperach [ mA] , natomiast oś napięcia U (oś
X) naleŜy wyskalować w woltach [V ] . NaleŜy pamiętać, Ŝe prąd diody odczytywany jest jako
napięcie na rezystorze R2, którego rezystancja wynosi 1Ω . Zatem wartość prądu diody równa
jest co do wartości napięciu na rezystorze R2 np. jeśli nastawa oscyloskopu w kanale Y
VOLTS/DIV= 5mV , wówczas na oscylogramie naleŜy przyjąć jednostkę 5mA .
Wyjaśnić z czego wynikają róŜnice wartości spadków napięć na diodach przy tej samej
wartości prądu, np. I=10mA.
Diody są zamontowane na płytce PE1 – patrz Rys. 2.
PE 1
D2
D1
D1 – BYP 401
D2 – CQYP 16
D3 – BAVP 17
D4 – CQP 431
D4
D3
– dioda krzemowa prostownicza
– dioda LED z arsenku galu
– dioda krzemowa przełączająca
– dioda LED z fosforku
Rys. 2. Płytka PE1 z badanymi diodami.
Z2. Pomiar charakterystyk metodą punkt po punkcie
Z2.1 Na tablicy montaŜowej TM1 zmontować układ z Rys. 3 do pomiaru charakterystyk
statycznych metodą „punkt po punkcie”. Układ zasilać napięciem stałym +5V . Zmierzyć
charakterystyki I (U ) diod BYP 401 i BAVP17 spolaryzowanych w kierunku przewodzenia.
U
2
8
3
+5 V
V UV
RZN
A Metex
1
Imax=100mA
Db
C
33n
10
9
12
I
A
A
11
UA
U726
TM 1
Rys. 3. Układ do pomiaru charakterystyki diody w kierunku przewodzenia.
Jako amperomierz zastosować miernik U726, na którym spadek napięcia dla kaŜdego
zakresu wynosi 100mV przy wskazywaniu maksymalnej wartości prądu. Przed
przystąpieniem do pomiarów miernik ten naleŜy wykalibrować. Do węzłów 9, 10 naleŜy
dołączyć kondensator ceramiczny C=33nF w celu zmniejszenia poziomu zakłóceń na
zaciskach wejściowych amperomierza.
Dla dowolnej wartości prądu odczytywanego przez amperomierz U726 spadek
napięcia U A na tym amperomierzu wynosi
U A = 100mV ⋅
I
I ZAK
,
(1)
3
gdzie:
UA
– spadek napięcia na amperomierzu,
I
– wartość prądu mierzonego przez amperomierz,
I ZAK – wartość prądu zakresowego.
Oznacza to, Ŝe np. jeśli na zakresie pomiarowym I ZAK = 10mA mierzony jest prąd I = 1mA , to
1mA
spadek napięcia na amperomierzu wynosi U A = 100mV ⋅
= 10mV . Natomiast gdyby ten
10mA
sam prąd I = 1mA mierzyć na zakresie I ZAK = 1mA , to spadek napięcia na amperomierzu
1mA
wyniósłby U A = 100mV ⋅
= 100mV .
1mA
UŜycie miernika U726 jako amperomierza umoŜliwia łatwe obliczanie napięcia na diodzie.
Napięcie mierzone UV przez woltomierz (Metex) jest sumą spadku napięć na diodzie badanej
U oraz spadku napięcia na amperomierzu U A :
UV = U + U A .
(2)
Zatem napięcie U faktycznie występujące na diodzie wynosi:
U = UV − U A = UV − 100mV ⋅
I
I ZAK
.
(3)
Przykładowo, jeśli napięcie mierzone woltomierzem wynosi UV = 850mV przy prądzie
I = 30mA mierzonym na zakresie I ZAK = 100mA , wówczas napięcie na diodzie wynosi
30mA
U = UV − U A = 850mV − 100mV ⋅
= 850mV − 30mV = 820mV .
100mA
Z2.2 Zgodnie ze schematem przedstawionym na rys.4 zmierzyć, a następnie wykreślić na
jednym rysunku charakterystyki I (U ) diod BYP 401 i BAVP17 w kierunku zaporowym.
Porównać wartości prądu zaporowego diod dla napięcia polaryzującego U = -5V z
wyznaczonymi w zadaniu Z2.1 prądami nasycenia.
U
+
2
0
V UV
A Metex
1
RZN
-24 V
8
3
Db
C
33n
10
9
12
I
A
A
11
UA
U726
Imax=5mA
TM 1
Rys. 4. Układ do pomiaru charakterystyki diody w kierunku zaporowym.
4
Sposób określania parametrów modelu diody
W celu wyznaczenia parametrów charakterystyki stycznej diody naleŜy skorzystać z
wykresu zmierzonej charakterystyki prądowo-napięciowej I (U ) diody dla kierunku
przewodzenia. Typową charakterystykę prądowo-napięciową diody przedstawiono w skali
logarytmiczno liniowej na Rys. 4 (linia ciągła). Na charakterystyce tej widać zakres średnich
gęstości prądów, w którym zaleŜność prądu od napięcia moŜe być opisana funkcją
eksponencjalną (4), oraz zakres duŜych gęstości prądów, w którym ujawnia się wpływ
rezystancji szeregowej rs .
I = Is ⋅ e
U
nVT
,
(4)
gdzie I s oznacza prąd nasycenia, n to współczynnik nieidealności złącza, natomiast VT to
potencjał elektrokinetyczny, który w temperaturze pokojowej równy jest VT ≅ 26 mV .
Po zlogarytmowaniu zaleŜności (4) otrzymuje się równanie prostej stanowiącej aproksymację
charakterystyki I (U ) w skali logarytmiczno-liniowej
ln I = ln I S +
U
.
nVT
(5)
Prosta, którą opisuje powyŜsze równanie (5), pozwala na graficzne wyznaczenie I s oraz n
(patrz Rys. 4.) I s wyznacza się z punktu przecięcia tej prostej z osią prądów. Natomiast
współczynnik nieidealności złącza wyznacza się jako nachylenie prostej
n=
∆U
.
VT ∆ ln I
(6)
Dla duŜych gęstości prądów nie moŜna pominąć spadku napięcia na rezystancji szeregowej
rs . Spadek napięcia na rezystancji rs naleŜy wyznaczyć dla największej wartości
U'
zmierzonego prądu diody I ' . Zgodnie z Rys. 4 rezystancję tę moŜna obliczyć jako rs =
,
I'
gdzie U ' oznacza róŜnicę pomiędzy wartością napięcia obserwowaną na diodzie, a
napięciem, które panowałoby na tej diodzie, gdyby rezystancja szeregowa byłaby równa zero.
5
100mA
I’
30mA
10mA
U’=I’⋅rs
3mA
1mA
300µA
(ln) I
100µ
µA
30µA
∆lnI
10µ
µA
3µA
1µ
µA
300nA
∆U
100nA
30nA
10nA
3nA
Is
1nA
0
200mV
400mV
600mV
800mV
U
Rys. 4. Układ do pomiaru charakterystyki diody w kierunku przewodzenia.
3. WYPOSAśENIE STANOWISKA LABORATORYJNEGO
1. Napięcia zasilające: stałe +5V , -24 V, zmienne ~ 12 Vsk .
2. Układy laboratoryjne i podzespoły:
•
tablice montaŜowe: TM1 z modułem regulowanego źródła napięcia RZN oraz TM2,
•
zespół badanych diod zmontowanych na płytce PE1,
•
dioda pomocnicza Dp typ BAVP 17, zmontowana na łączówce 2-kontaktowej,
•
kondensator ceramiczny C=33nF, rezystory wymienne o rezystancjach: R = 1 Ω , 1 k Ω .
6