1. Badanie diody prostowniczej i diody Zenera

Badanie diod półprzewodnikowych.
1. Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z charakterystykami prądowonapięciowymi elementów półprzewodnikowych takich jak dioda prostownicza czy dioda
Zenera.
2. Wprowadzenie
Złącza PN.
Złącze PN stanowi podstawę diod półprzewodnikowych. Rozpatrzmy właściwości złącza
poddanego napięciu. Na rys. 1. pokazano złącze PN, którego półprzewodnik typu N
został połączony z dodatnim, a półprzewodnik typu P z ujemnym biegunem źródła
napięcia. Dodatkowo pole elektryczne wytworzone przez źródło napięcia jest skierowane
zgodnie z polem ładunków przestrzennych – bariera potencjału zostaje przez to
zwiększona, co jeszcze bardziej utrudnia dyfuzję.
Rys1. Działanie zaporowe złącza:
a) układ połączeń (1 – jon donorowy, 2 –
jon akceptorowy);
b) wykres potencjału przy wyłączniku w
otwartym (3) i zamkniętym (4)
Rys 2 Złącze w stanie przewodzenia:
a) układ połączeń (1 – jon donorowy, 2 –
jon akceptorowy);
b) wykresy potencjału przy włączniku w
otwartym (3) i zamkniętym (4)
Zjawisko to można wytłumaczyć w ten sposób, że biegun dodatni źródła odciąga
elektrony obszaru N od złącza, a biegun ujemny odciąga dziury obszaru P od złącza,
wobec czego w strefie złącza jest bardzo mało nośników ładunku elektrycznego,
pozostają tylko jony nie przenoszące ładunku. Mówimy, że przy takim połączeniu złącze
działa zaporowo. W kierunku zaporowym może płynąć minimalny prąd, zwany prądem
wstecznym. Gdy na odwrót połączymy półprzewodnik typu P z dodatnim, a
półprzewodnik typu N z ujemnym zaciskiem źródła napięcia, wówczas pole wytworzone
przez źródło napięcia jest skierowane przeciwnie do pola do pola warstwy zaporowej.
Wtedy bariera potencjału zostanie obniżona, co wyraźnie ułatwia dyfuzję. Elektrony
półprzewodnika typu P są odpychane przez biegun ujemny źródła w kierunku warstwy
zaporowej i mogą łatwo przekroczyć barierę potencjału. Natomiast dziury
półprzewodnika typu N są odpychane przez biegun dodatni źródła w kierunku złącza.
Szerokość warstwy jonów ulega zmniejszeniu. Przy takim połączeniu złącza przepływ
prądu jest ułatwiony. Kierunek od obszaru P do N nazywamy kierunkiem
przewodzenia, a kierunek od obszaru N do P – kierunkiem zaporowym lub
wstecznym. Przy polaryzacji złącza w kierunku wstecznym, jeżeli obszar ładunku
przestrzennego jest szeroki, to nośniki ładunku przechodząc przez ten obszar nabierają
dużej energii. Przy odpowiednio dużej wartości napięcia wstecznego, poruszające się
nośniki zderzają się z elektronami znajdującymi się w siatce krystalicznej, przekazując
im swoją energię. W wyniku tego elektrony te opuszczają siatkę krystaliczną, stając się
elektronami swobodnymi. Są one znów przyspieszane i mogą wygenerować dalsze.
Proces nabiera charakteru lawinowego. Wskutek jonizacji lawinowej następuje bardzo
duży wzrost liczby przepływających elektronów, a więc bardzo duży wzrost prądu.
Złącze PN umożliwia przepływ prądu tylko w jednym kierunku – w kierunku
przewodzenia. Po przekroczeniu tzw. napięcia progowego U(TO) (dla krzemu wynosi
ono ok. 0,7V, a dla germanu ok. 0,2V) prąd przewodzenia zwiększa się bardzo szybko.
Natomiast przy polaryzacji w kierunku zaporowym prąd jest bardzo mały – wiele tysięcy
razy mniejszy niż w kierunku przewodzenia. Mówimy, że złącze PN ma wartości
prostownicze. Przy dużym napięciu wstecznym (po przekroczeniu tzw. napięcia
przebicia U(BR)) rozpoczyna się zjawisko przebicia lawinowego, a więc szybkie
narastanie prądu przy prawie stałym napięciu na diodzie. Może to spowodować
zniszczenie diody, jeżeli nie ograniczy się prądu przez włączenie szeregowo dodatkowej
rezystancji.
Dioda prostownicza jest powszechnie wykorzystywana w przyrządach zamieniających
napięcie i prąd przemienny na stały.
Dioda Zenera znajduje zastosowanie w układach stabilizacji prądu i napięcia.
Charakteryzuje się ona dużą stałością napięcia.
Rys.3. Charakterystyka prądowonapięciowa diody Zenera
Rys.4. Charakterystyka prądowonapięciowa diody prostowniczej
Przykładowe charakterystyki diod prostowniczych i Zenera przedstawiono na rys. 3 i 4.
3. Pomiary
a) Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej diody Zenera
Charakterystykę diody wyznaczamy dla kierunku zaporowego w układzie
pomiarowym jak na rys.5. Źródło zasilania pozwala na zmianę napięcia zarówno w
zakresie napięć dodatnich, jak i ujemnych. Wyniki pomiarów umieszczamy w tabeli 1 i
rysujemy na ich podstawie wykres. Pomiary wykonujemy dla kilku różnych diod.
Rys. 5. Schemat układu pomiarowego do badania diody Zenera.
Tabela 1.
Dane znamionowe:
I
mA
U
V
b) Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej diody prostowniczej
Charakterystykę wyznaczamy dla pracy diody w:
a) kierunku przewodzenia,
b) w kierunku zaporowym,
w układach pomiarowych przedstawionych na rys. 6.
Rys.6. Schemat układu pomiarowego do badania diody prostownikowej
a) kierunek przewodzenia; b) kierunek zaporowy
Wyniki pomiarów umieszczamy w tabeli 2, a na ich podstawie rysujemy
charakterystykę badanej diody. Badamy kilka kolejnych diod.
Tabela 2:
Dane znamionowe
:
przewodzenie
I
mA
U
V
zaporowy