Ćwiczenie 1 - Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki

Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych
Ćwiczenie 1. Charakterystyki statyczne diod p-n
2009.10.12.
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,
• metodami określania parametrów statycznych modeli zastępczych diod.
2. WPROWADZENIE
Charakterystyka statyczna diody półprzewodnikowej w przybliŜeniu pierwszego
stopnia jest opisywana funkcją
 nVU

I = I S ⋅  e T − 1 ,




(1)
gdzie: I S – prąd nasycenia,
VT – potencjał elektrokinetyczny ( VT = kT ; k – stała Boltzmanna, T – temperatura
q
w stopniach Kelvina, q – ładunek elementarny),
n – współczynnik nieidealności złącza.
W bardziej dokładnym opisie charakterystyk statycznych diod półprzewodnikowych
naleŜy dodatkowo uwzględnić:
•
•
•
•
zjawiska generacyjno-rekombinacyjne w złączu p-n,
zjawiska związane z przebiciem złącza,
zjawiska związane z zakresem duŜych prądów,
spadek napięcia na rezystancji szeregowej (rezystancja obszarów neutralnych,
kontaktów i doprowadzeń).
Uwzględniając powyŜsze zjawiska, charakterystykę statyczną diody ogólnie moŜna
zapisać w postaci funkcji
I = K BR ⋅
I D + I GR
1+
I
,
(2)
I KF
gdzie: I , I D , I GR – całkowity prąd diody oraz składowa dyfuzyjna opisywana wzorem (1)
i składowa generacyjno-rekombinacyjna,
K BR – współczynnik związany z przebiciem złącza,
I KF – próg zakresu duŜych gęstości prądów.
Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki, Katedra Systemów Mikroelektronicznych
1
Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych
Ćwiczenie 1. Charakterystyki statyczne diod p-n
2009.10.12.
W zaleŜności (2) jedynie I KF ma wartość stałą, wszystkie pozostałe wielkości
są funkcjami napięcia na diodzie.
W zaleŜności od typu diody oraz warunków jej pracy pewne z powyŜszych
dodatkowych zjawisk są marginesowe lub nie występują. Przykładowo, przy zaporowej
polaryzacji diody napięciem znacznie mniejszym od napięcia przebicia przyjmuje się,
Ŝe K BR = 1 oraz pomija się spadek napięcia na rezystancji szeregowej, jak teŜ zjawiska
związane z duŜymi prądami tj.
I U < 0 = − I S + I GR ( −U ) ~ − U B − U .
(3)
Natomiast dla polaryzacji diody w kierunku przewodzenia w zakresie duŜych prądów
I D ≫ I GR i przy I ≪ I KF
I = IS ⋅ e
U − I ⋅rS
nVT
,
(4)
gdzie: U – napięcie na diodzie rzeczywistej,
rs – rezystancja szeregowa diody.
W ćwiczeniu badane są dwie diody krzemowe: BYP401 (prostownicza), BAVP17
(ogólnego przeznaczenia) oraz dwie diody LED: z arsenku galu – CQYP16 i fosforku galu
CQP431.
Wyznacza się parametry charakterystyki statycznej diod dla kierunku przewodzenia
w zakresie średnich i duŜych prądów, tj.: I S , n , rS . Ponadto mierzone są prądy wsteczne
badanych diod dla napięć znacznie niŜszych od ich napięć przebicia.
2.1. 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. 1 (linia ciągła).
Na charakterystyce tej widać zakres średnich gęstości prądów, w którym zaleŜność
prądu od napięcia moŜe być opisana funkcją eksponencjalną, oraz zakres duŜych gęstości
prądów, w którym ujawnia się wpływ rezystancji szeregowej rs .
W zakresie średnich gęstościo prądów charakterystykę moŜna opisać przybliŜoną
zaleŜnością
U
I = I s ⋅ e nVT ,
(5)
lub po zlogarytmowaniu
ln I = ln I S +
U
.
nVT
Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki, Katedra Systemów Mikroelektronicznych
(6)
2
Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych
Ćwiczenie 1. Charakterystyki statyczne diod p-n
2009.10.12.
Prosta, którą opisuje powyŜsze równanie, pozwala na graficzne wyznaczenie I s
oraz n (patrz Rys. 1.) I s ma wartość wyznaczoną przez punkt przecięcia prostej, stanowiącej
aproksymację charakterystyki I (U ) w skali logarytmiczno-liniowej, z osią prądów.
Natomiast współczynnik nieidealności złącza wyznacza się jako nachylenie prostej
n=
∆U
.
VT ∆ ln I
(7)
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. 1. Sposób określania wartości rezystancji szeregowej diody rS oraz prądu nasycenia I S
i współczynnika nieidealności złącza n .
Dla duŜych gęstości prądów nie moŜna pominąć spadku napięcia na rezystancji
szeregowej rs . Napięcie na diodzie opisane jest zaleŜnością:
U D = U + I ⋅ rS ,
(8)
I
.
IS
(9)
gdzie
U = nVT ln
Spadek napięcia na rezystancji rs naleŜy wyznaczyć dla największej wartości
U'
,
zmierzonego prądu diody I ' . Zgodnie z Rys. 1 rezystancję tę moŜna obliczyć jako rs =
I'
Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki, Katedra Systemów Mikroelektronicznych
3
Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych
Ćwiczenie 1. Charakterystyki statyczne diod p-n
2009.10.12.
gdzie U ' oznacza róŜnicę pomiędzy wartością napięcia obserwowaną na diodzie,
a napięciem, które panowałoby na diodzie, gdyby rezystancja szeregowa byłaby równa zero.
3. ZADANIA
3.1. Zadania do wykonania w laboratorium
Z1. Obserwacja oscyloskopowa charakterystyk
Na Rys. 2 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. 2. 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. 2 do obserwacji
oscyloskopowej charakterystyk statycznych I (U ) diod półprzewodnikowych. Podane
na Rys. 2 numery węzłów odpowiadają numerom końcówek na tablicy montaŜowej TM2.
Układ zasilać napięciem zmiennym 12 V sk .Obejrzeć i przerysować z ekranu oscyloskopu na
wspólny wykres charakterystyki wszystkich badanych diod:
•
diody krzemowe: BYP401 i BAVP17,
•
diody LED: z arsenku galu CQYP16 i z fosforku galu CQP431.
Ustawić tryb pracy oscyloskopu XY. NaleŜy pamiętać o prawidłowym ustawieniu
punktu (0,0) oraz skalibrowaniu obu kanałów.
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. 3.
Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki, Katedra Systemów Mikroelektronicznych
4
Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych
Ćwiczenie 1. Charakterystyki statyczne diod p-n
PE 1
D2
D1
2009.10.12.
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. 3. Płytka PE1 z badanymi diodami.
Z2. Pomiar charakterystyk metodą punkt po punkcie w kierunku przewodzenia
Na tablicy montaŜowej TM1 zmontować układ z Rys. 4 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
w zakresie od 100 nA do 100 mA . Uwzględnić spadek napięcia na amperomierzu.
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. 4. 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
,
(10)
gdzie:
UA
– spadek napięcia na amperomierzu,
I
I ZAK
– wartość prądu mierzonego przez amperomierz,
– wartość prądu zakresowego.
Oznacza to, Ŝe np. jeśli na zakresie pomiarowym I ZAK = 10mA mierzony jest prąd I = 1mA , to
1mA
= 10mV . Natomiast gdyby ten
spadek napięcia na amperomierzu wynosi U A = 100mV ⋅
10mA
Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki, Katedra Systemów Mikroelektronicznych
5
Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych
Ćwiczenie 1. Charakterystyki statyczne diod p-n
2009.10.12.
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 napięcia na
diodzie badanej U oraz spadku napięcia na amperomierzu U A :
UV = U + U A .
(11)
Zatem napięcie U faktycznie występujące na diodzie wynosi:
U = U V − U A = U V − 100mV ⋅
I
I ZAK
.
(12)
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 = U V − U A = 850mV − 100mV ⋅
= 850mV − 30mV = 820mV .
100mA
Z3. Pomiar charakterystyk metodą punkt po punkcie w kierunku zaporowym
W układzie przedstawionym na Rys. 5 zmierzyć, a następnie wykreślić na jednym
wykresie charakterystyki I (U ) diod BYP401 i BAVP17 w kierunku zaporowym.
Ze względu na zakresy wartości mierzonych napięć i prądów w układzie tym nie ma
konieczności uwzględniania spadku napięcia na amperomierzu.
U
2
8
3
Db
RZN
V
A Metex
1
-24 V
C
33n
10
9
12
I
A
A
11
U726
Imax=5mA
TM 1
Rys. 5. Układ do pomiaru charakterystyki diody w kierunku zaporowym.
4. WYPOSAśENIE STANOWISKA LABORATORYJNEGO
1. Napięcia zasilające: stałe +5V oraz −24V , 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 BAVP17, zmontowana na łączówce 2-kontaktowej,
•
kondensator ceramiczny C=33nF,
•
rezystory wymienne o rezystancjach: R = 1 Ω , 510 Ω ,1k Ω .
Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki, Katedra Systemów Mikroelektronicznych
6