150946
Numer indeksu
Michał Moroz
Imię i nazwisko
151021
Numer indeksu
Paweł Tarasiuk
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. Półprze- wodnikiem 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 parame- trach. 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 samo- istnej struktury krystalicznej. Domieszka taka powoduje powstanie dodatkowego poziomu ener- getycznego, nazywanego donorowym, blisko dna pasma przewodzenia. Po przyłożeniu względnie niewielkiego napięcia, nadmiarowe elektrony dostają wystarczającą energię, aby przejść z pozio- mu donorowego do pasma przewodnictwa. Półprzewodnik typu p zawiera domieszki o mniejszej liczbie elektronów. Dzięki temu w półprzewodniku występują dziury i powstaje dodatkowy po- ziom 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 za- zwyczaj 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 du- żym 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
wyposażeniem prostowników napięcia, mogą w szczególnych przypadkach zastępować tranzysto- ry 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 niepożąda- nym 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 domiesz- kowanych 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 na- pięcia 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. Za- stosowano 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 znaj- dują 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 napię- ciach. 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.
DZG4 1N4001 BZP620C4V3 1N5819
-25V +25V
GND M-4650
M-4650
Dx
D1 D2 D3 D4
S1 1A 3 5 7 9 11
AE
S
R1
A1
V1V1
1 2
SL1
1 2 3 4 5 6
A
V
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 zasto- sowanych 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).
Tabela 1: Pomiary diody D1
Kierunek przewodzenia Kierunek zaporowy
U [V] I [mA] Zakres [A] U [V] I [µA] Zakres [A]
(0,009 0,003) (0,0115 ± 0,0004) 2 m
(-0,037 ± 0,003) (-22,85 ± 0,10)
200 µ (0,123 ± 0,003) (0,7861 ± 0,0026) (-0,240 ± 0,004) (-31,74 ± 0,13)
(0,158 ± 0,003) (1,6513 ± 0,005) (-0,524 ± 0,004) (-32,20 ± 0,13) (0,194 ± 0,003) (3,35 ± 0,05)
200 m
(-1,020 ± 0,004) (-32,76 ± 0,13) (0,209 ± 0,004) (4,16 ± 0,05) (-2,083 ± 0,004) (-35,16 ± 0,14) (0,252 ± 0,004) (10,46 ± 0,09) (-3,097 ± 0,005) (-43,17 ± 0,16) (0,301 ± 0,004) (25,56 ± 0,16) (-4,033 ± 0,005) (-64,41 ± 0,23) (0,323 ± 0,004) (38,40 ± 0,23) (-5,002 ± 0,006) (-108,67 ± 0,36) (0,354 ± 0,004) (64,56 ± 0,35) (-6,001 ± 0,006) (-153,01 ± 0,49) (0,361 ± 0,004) (73,47 ± 0,40) (-7,266 ± 0,007) (-232,4 ± 1,0)
(-8,924 ± 0,007) (-303,5 ± 1,3) 2 m
Tabela 2: Pomiary diody D2
Kierunek przewodzenia Kierunek zaporowy
U [V] I [A] Zakres [A] U [V] I [µA] Zakres [A]
(0,000 ± 0,003) (0,00 ± 0,03) µ
200 µ
(0,000 ± 0,003) (0,00 ± 0,03)
200 µ (0,205 ± 0,003) (0,04 ± 0,03) µ (-0,249 ± 0,004) (-0,02 ± 0,03)
(0,300 ± 0,003) (0,37 ± 0,04) µ (-0,501 ± 0,004) (-0,04 ± 0,03) (0,327 ± 0,004) (0,74 ± 0,04) µ (-0,599 ± 0,004) (-0,05 ± 0,03) (0,350 ± 0,004) (1,43 ± 0,04) µ -(0,699 ± 0,004) (-0,07 ± 0,03) (0,375 ± 0,004) (3,01 ± 0,04) µ (-0,753 ± 0,004) (-0,07 ± 0,03) (0,400 ± 0,004) (6,52 ± 0,05) µ (-1,000 ± 0,004) (-0,10 ± 0,03) (0,424 ± 0,004) (14,48 ± 0,08) µ (-1,250 ± 0,004) (-0,12 ± 0,03) (0,450 ± 0,004) (34,76 ± 0,14) µ (-1,500 ± 0,004) (-0,15 ± 0,03) (0,460 ± 0,004) (48,06 ± 0,18) µ (-1,700 ± 0,004) (-0,17 ± 0,03) (0,470 ± 0,004) (64,97 ± 0,23) µ (-2,008 ± 0,004) (-0,20 ± 0,03) (0,480 ± 0,004) (89,01 ± 0,30) µ (-2,251 ± 0,005) (-0,22 ± 0,03) (0,490 ± 0,004) (123,21 ± 0,40) µ (-3,515 ± 0,005) (-0,35 ± 0,04) (0,500 ± 0,004) (165,10 ± 0,53) µ (-5,991 ± 0,006) (-0,60 ± 0,04) (0,510 ± 0,004) (0,2259 ± 0,0010) m
2 m
(-7,000 ± 0,007) (-0,70 ± 0,04) (0,519 ± 0,004) (0,2878 ± 0,0011) m (-7,998 ± 0,007) (-0,80 ± 0,04) (0,530 ± 0,004) (0,3938 ± 0,0015) m (-8,963 ± 0,008) (-0,89 ± 0,04) (0,539 ± 0,004) (0,5002 ± 0,0018) m
(0,550 ± 0,004) (0,6657 ± 0,0023) m (0,575 ± 0,004) (1,2529 ± 0,0040) m (0,602 ± 0,004) (2,44 ± 0,05) m
200 m (0,623 ± 0,004) (4,10 ± 0,05) m
(0,650 ± 0,004) (7,92 ± 0,07) m (0,675 ± 0,004) (13,90 ± 0,10) m (0,701 ± 0,004) (26,20 ± 0,17) m (0,725 ± 0,004) (48,15 ± 0,27) m (0,742 ± 0,004) (73,33 ± 0,40) m
Tabela 3: Pomiary diody D3
Kierunek przewodzenia Kierunek zaporowy
U [V] I [A] Zakres [A] U [V] I [A] Zakres [A]
(0,207 ± 0,003) (0,04 ± 0,03) µ
200 µ
(-0,501 ± 0,004) (-0,13 ± 0,03) µ
200 µ (0,302 ± 0,004) (0,16 ± 0,03) µ (-0,997 ± 0,004) (-2,32 ± 0,04) µ
(0,400 ± 0,004) (0,76 ± 0,04) µ (-1,501 ± 0,004) (-41,76 ± 0,16) µ (0,512 ± 0,004) (7,21 ± 0,06) µ (-2,002 ± 0,004) (-0,3261 ± 0,013) m
2 m (0,575 ± 0,004) (0,0331 ± 0,0004) m
2 m
(-2,260 ± 0,005) (-0,7954 ± 0,0027) m (0,600 ± 0,004) (0,0770 ± 0,0006) m (-2,504 ± 0,005) (-1,7099 ± 0,0055) m (0,620 ± 0,004) (0,1570 ± 0,0008) m (-2,748 ± 0,005) (-3,45 ± 0,048) m
200 m (0,689 ± 0,004) (1,4836 ± 0,0048) m (-3,023 ± 0,005) (-7,35 ± 0,067) m
(0,700 ± 0,004) (2,22 ± 0,05) m
200 m
(-3,246 ± 0,005) (-12,32 ± 0,10) m (0,749 ± 0,004) (14,05 ± 0,10) m (-3,499 ± 0,005) (-22,20 ± 0,15) m (0,775 ± 0,004) (33,87 ± 0,20) m (-3,754 ± 0,005) (-39,34 ± 0,23) m (0,793 ± 0,004) (79,42 ± 0,43) m (-3,997 ± 0,005) (-68,20 ± 0,38) m
Tabela 4: Pomiary diody D4
Kierunek przewodzenia Kierunek zaporowy
U [V] I [A] Zakres [A] U [V] I [µA] Zakres [A]
(0,022 ± 0,003) (0,73 ± 0,04) µ
200 µ
(-0,010 ± 0,003) (-0,25 ± 0,03)
200 µ (0,103 ± 0,003) (26,57 ± 0,11) µ (-0,104 ± 0,003) (-0,55 ± 0,04)
(0,152 ± 0,003) (179,18 ± 0,57) µ (-0,198 ± 0,003) (-0,58 ± 0,04) (0,204 ± 0,003) (1,2804 ± 0,0042) m
2 m (-0,355 ± 0,004) (-0,61 ± 0,04) (0,214 ± 0,004) (1,9053 ± 0,0061) m (-0,403 ± 0,004) (-0,63 ± 0,04) (0,257 ± 0,004) (9,38 ± 0,08) m
200 m
(-0,504 ± 0,004) (-0,66 ± 0,04) (0,277 ± 0,004) (18,97 ± 0,13) m (-0,760 ± 0,004) (-0,72 ± 0,04) (0,303 ± 0,004) (44,50 ± 0,26) m (-1,009 ± 0,004) (-0,77 ± 0,04) (0,319 ± 0,004) (73,50 ± 0,40) m (-1,256 ± 0,004) (-0,82 ± 0,04) (-2,015 ± 0,004) (-0,96 ± 0,04) (-3,079 ± 0,005) (-1,16 ± 0,04) (-4,072 ± 0,005) (-1,33 ± 0,04) (-6,047 ± 0,006) (-1,67 ± 0,04) (-7,018 ± 0,007) (-1,84 ± 0,04) (-8,956 ± 0,008) (-2,16 ± 0,04)
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 Dioda D1
Pomiar diody D1był utrudniony ze względu na niestabilne odczyty prądu i napięcia w kierun- ku 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 moż- na 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.
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
I [ A]
U [V]
Rysunek 2: Charakterystyka prądowo-napięciowa dla diody D1 w kierunku przewodzenia.
0
5e-05
0.0001
0.00015
0.0002
0.00025
0.0003
0.00035 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
- I [A ]
- U [V]
Rysunek 3: Charakterystyka prądowo-napięciowa dla diody D1 w kierunku zaporowym.
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 war- tościami. Potem prąd nagle zaczyna rosnąć niewspółmiernie do napięcia. Aby ten wykres był zgodny z wartościami podanymi w nocie katalogowej, należałoby założyć, że temperatura dio- dy 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 wytłu- maczyć 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 D2zaprezentowano na rysunkach 4 oraz 5. Charakterystyka potwierdza napię- cie 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 nie- przypadkowe 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 wy- nosić 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
mkT + ln(Is) (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:
aU = eU
mkT (2)
m = e
akT (3)
Przyjmując temperaturę pokojową jako T = 21, 5◦C, możemy oszacować wartość bezwymia- rowego parametru m = −1, 43.
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
I [ A]
U [V]
Rysunek 4: Charakterystyka prądowo-napięciowa dla diody D2 w kierunku przewodzenia.
0
1e-07
2e-07
3e-07
4e-07
5e-07
6e-07
7e-07
8e-07
9e-07
1e-06 0 2 4 6 8 10
- I [A ]
- U [V]
Rysunek 5: Charakterystyka prądowo-napięciowa dla diody D2 w kierunku zaporowym.
1e-08
1e-07
1e-06
1e-05
0.0001
0.001
0.01
0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
I [ A]
U [V]
Rysunek 6: Charakterystyka prądowo-napięciowa dla diody D2 w kierunku przewodzenia w skali półlogarytmicznej.
2.3 Dioda D3
Z charakterystyki z rysunku 7 i z tabeli 3 możemy w prosty sposób porównać diodę Zene- ra 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) za- czyna 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 wyczy- taną z noty katalogowej, ale należy zauważyć, że powyższe wyliczenie jest silnie uzależnione od zakresu pomiarów prądu, czyli od zastosowanego ograniczenia prądowego. Gdybyśmy przepro- wadzali pomiary aż do szczytowego napięcia przewodzenia 3 A, wartość UZ dla 150 mA byłaby znacznie bliższa wzorcowemu 4,3 V, niż wynik powyższego wyliczenia.
Rysunek 7: Charakterystyka prądowo-napięciowa dla diody D3.
2.4 Dioda D4
Charakterystyka kierunku przewodzenia przedstawiona na rysunku 8 potwierdza nasze teo- retyczne 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 charakte- rystyka 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 kie- runku przewodzenia zmierzona wartość prądu jest ok. dziesięć razy mniejsza od wartości ocze- kiwanych, a w kierunku zaporowym są około dwa razy mniejsze od wartości oczekiwanych, co akurat w drugim przypadku jest pozytywnym rezultatem.
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
I [ A]
U [V]
Rysunek 8: Charakterystyka prądowo-napięciowa dla diody D4 w kierunku przewodzenia.
0
5e-07
1e-06
1.5e-06
2e-06
2.5e-06 0 2 4 6 8 10
- I [A ]
- U [V]
Rysunek 9: Charakterystyka prądowo-napięciowa dla diody D4 w kierunku zaporowym.
3 Wnioski końcowe
Analiza wyników pozwala przypuszczać, że dioda D1to DZG4, dioda D2 to 1N4001, dioda D3 to BZP620C4V3, a dioda D4 to 1N5819.
Powyższe pomiary pozwoliły stwierdzić, że wzorcowe charakterystyki dla diod stanowią je- dynie 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 oznacze- nia posiadać będą różne charakterystyki, pomimo znajdowania się w zakresie podanym przez producenta. Nie bez znaczenia są także poziom eksploatacji oraz wiek elementów - niektóre se- rie 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 wiado- mo. Przy niewielkich prądach należałoby uwzględnić także niezerową rezystancję doprowadzeń i styków. Ponadto nagrzewanie się układu mogło mieć wpływ zarówno na same diody (charak- terystyka 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 mie- rzenia, aby zredukować ciepło wydzielane na diodzie – dla przykładu mogąc łatwo załączać i wyłączać prąd płynący przez diodę. Problem wtedy sprawiałby jednak pomiar napięcia bez ob- ciążenia, ponieważ woltomierz, ze względu na rezystancję wewnętrzną zasilacza nie będzie wska- zywał 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 spraw- dzić 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 Łódz- kiej, 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
