Wydział Fizyki UW
(wer. 04-2017a, opracowano z wykorzystaniem materiałów z Pracowni Elektronicznej WF UW)
Pracownia fizyczna i elektroniczna
dla Inżynierii Nanostruktur oraz Energetyki i Chemii Jądrowej
Ćwiczenie 6
Badanie diod półprzewodnikowych ze złączem p-n
Cel
Celem ćwiczenia jest zbadanie podstawowych własności złącza półprzewodnikowego p-n oraz różnych rodzajów diod półprzewodnikowych: prostowniczej wykonanej z krzemu, detekcyjnej wykonanej z germanu, diody Zenera oraz diody elektroluminescencyjnej LED. Zostaną wyznaczone: charakterystyka prądowo-napięciowa diody prostowniczej, przybliżone wartości napięć przewodzenia powyższych rodzajów diod (w przypadku diody Zenera także napięcia przebicia wstecznego). Poznamy metodę wykreślania charakterystyk bezpośrednio oscyloskopem pracującym w modzie wyświetlania XY napięcie-napięcie (w odróżnieniu od dotychczas poznanego modu YT napięcie - czas).
Wprowadzenie
Złącza półprzewodnikowe p-n oraz wykonane z ich wykorzystaniem diody półprzewodnikowe o różnym przeznaczeniu są podstawowymi elementami elektroniki półprzewodnikowej. Dioda (złącze półprzewodników typu p i typu n) jest elementem o nieliniowej charakterystyce prąd-napięcie (czyli nieliniowej zależności prądu płynącego przez diodę od przyłożonego do niej napięcia).
Jak było już podane w ćwiczeniu C3n, natężenie prądu ID płynącego przez diodę w funkcji przyłożonego napięcia UDdane jest wzorem diodowym Shockley’a:
0 MVDT 1
U
D I e
I , (1)
gdzie UD– napięcie zewnętrzne przyłożone do diody, VT- nosi nazwę napięcia termicznego diody i wynosi
e T
VT k , gdzie e to ładunek elementarny e = 1.6.10-19 C , k = R/NA to stała Boltzmanna (R = 8.31 J/mol.K - stała gazowa, NA = 6.02.1023 1/mol – liczba Avogadro), T - temperatura złącza p-n diody. Wartość VT k T 25mV
e
dla temperatury pokojowej 20oC, I0
to prąd wsteczny nasycenia diody, czyli natężenie prądu płynącego przez diodę przy podłączeniu diody w kierunku zaporowym (zwykle I0 << 1 μ A). Współczynnik M nazywany współczynnikiem nieidealności diody, wynosi dla diod krzemowych ok. M=1-2, a dla różnych rodzajów diod LED złożonych w swojej budowie może być dużo większy. Współczynnik ten opisuje występowanie bardziej złożonych zjawisk w złączu p-n, niż tylko dyfuzji elektronów i dziur w polu elektrycznym obszaru zubożonego złącza p-n rozważanej przy wyprowadzeniu wzoru Shockleya w najprostszy sposób (np. wykład W2 PFiE). Współczynnik M może przyjmować różne wartości zależnie od napięcia przyłożonego do diody, ale nie będziemy się tym szerzej zajmować.
Dla diod można określić napięcie przewodzenia diody, VF, czyli wartość napięcia, przy którym znacznie wzrasta natężenie prądu płynącego przez diodę. Producenci diod zwykle definiują je jako
C6n
PFiE IN-EChJ
Rys. 1. Charakterystyka I-V diody 1N4148.
napięcie przy którym przez diodę płynie określonej wartości natężenia prądu np. 1 mA lub 10mA, zależnie od maksymalnego natężenia prądu dopuszczalnego przez producenta dla danego typu diody. Wartość ta jest podawana w danych katalogowych diody (ang. datasheet) przez producenta diody, przykład dla diody tzw. przełączającej (szybko reagującej zmianą prądu na zmianę napięcia, np. o czasie przełączania ok. 4-8 ns) podaje Tabela 1 (pochodzący z karty katalogowej diody typu 1N4148 firmy Vishay):
Tabela 1.
Dane katalogowe diody przełączającej typu 1N4148. Tabela podaje różne parametry diody (kolumna Parameter) mierzone przy określonych warunkach pomiarowych (kolumna Test conditions), przy czym zwykle producenci podają wartość minimalną dopuszczalną w sprzedawanej serii elementów, wartość typową (najczęściej występującą czyli średnią w produkowanej serii) i wartość maksymalną dopuszczalną.
Kolejno w wierszach podane są: napięcie przewodzenia (Forward voltage, VF) przy prądzie przewodzenia IF=10mA (tu podana jest maksymalna dopuszczalna wartość w serii produkowanych diod = 1V), prąd wsteczny (Reverse current, IR) przy napięciu w kierunku zaporowym VR=20V oraz 75V, napięcie przebicia złącza w kierunku zaporowym (Breakdown voltage, VBR) czyli napięcie, którego nie należy przekraczać w zastosowaniach tej diody, pojemność elektryczną złącza diody (Diode capacitance, CD) w określonych warunkach (tutaj napięcie stałe przyłożone VR= 0V i napięcie zmienne 50mV o częstości 1MHz wykorzystane do pomiaru pojemności złącza p-n), wydajność prostowania napięcia zmiennego (Rectification efficiency) przy częstości 100MHz oraz czas przełączania natężenia prądu (Reverse recovery time) dla dwu różnych warunków przełączania prądu płynącego w przeciwnych kierunkach. Tabela pochodzi z karty katalogowej producenta: http://www.vishay.com/docs/81857/1n4148.pdf
Rysunek 1 przedstawia charakterystykę I-V (prąd - napięcie) dla diody typu 1N4148. Dwie linie obrazują skrajne zależności dopuszczalne w
produkowanej serii diod. Przy prądzie przewodzenia 10mA napięcie przewodzenia powinno wynosić ok.
0.75-0.85V. Widać eksponencjalną zależność IF=f(VF) - w przybliżeniu linię prostą w skali logarytmicznej natężenia prądu dla napięć do około 1V. Spowolnienie tempa wzrostu prądu zwiększając napięcie powyżej ok. 1V jest zwykle opisywane nieidealnością diody (szeregowym oporem wewnętrznym diody, którego rola rośnie przy wzroście płynącego prądu, oraz
wzrostem wartości współczynnika nieidealności diody M). Oznaczenia na Rys. 1 odpowiadają oznaczeniom w równaniu Shockley’a (1) dla diody: UD=VF, ID=IF. Symbol F użyty jako indeks w oznaczeniach prądu IF oraz napięcia VF na Rys. 1 oznacza, że prąd i napięcie dotyczą kierunku przewodzenia diody (ang. Forward). W danych katalogowych diod kierunek zaporowy jest oznaczany jako R (ang. Reverse).
Wykres zależności ID(UD), podobny do przedstawionego na Rys. 1., ale narysowany w liniowych skalach obu osi współrzędnych, jest przedstawiony na Rys. 2. Widać silnie nieliniową zależność ID(UD).
W ćwiczeniu będziemy badać m.in. diodę prostowniczą krzemową typu 1N4001 o dopuszczalnym prądzie przewodzenia 1A. Będziemy chcieli zmierzyć podobną charakterystykę do tej z Rys. 1, ale dla małych natężeń prądu około 3mA, czyli w bardzo małym zakresie prądów dopuszczalnych dla diody 1N4001.
Rys. 2.
Zależność prądu diody od przyłożonego napięcia, obliczona wg wzoru diodowego Shockley’a (1) dla różnych wartości prądów wstecznych I0. Przyjęto wartość współczynnika M=1. Widać, że we współrzędnych liniowych obu osi natężenie prądu wzrasta znacząco od pewnego napięcia, w przybliżeniu określanego jako napięcie przewodzenia diody.
Aparatura do wykonania ćwiczenia
Miernik uniwersalny (Brymen 805), generator funkcji, oscyloskop 2 kanałowy (Tektronix TDS1002 lub podobny), płytka drukowana z dwoma gniazdami BNC (ta sama, co w ćwiczeniu C5n) akcesoria pomocnicze (kolba lutownicza, kable łączeniowe, chwytaki pomiarowe, trójniki rozgałęziające).
Diody (po 2 sztuki każdego typu): krzemowa prostownicza typu 1N4001, germanowa detekcyjna, krzemowa Zenera, elektroluminescencyjna LED, oraz oporniki 1kΩ oraz ew. 10-20Ω.
Wykonanie ćwiczenia 1. Identyfikacja diod
Ćwiczenie rozpoczynamy od rozpoznania typów otrzymanych diod. Dla diody krzemowej prostowniczej (czarna plastikowa obudowa), germanowej detekcyjnej (szklana owalna obudowa) oraz diody Zenera (mała szklana obudowa) mierzymy napięcie przewodzenia diody wykorzystując miernik uniwersalny Brymen 805 ustawiony na mod testu diod, czyli mod pomiaru napięcia przewodzenia diody.
Instrukcja testowania diod miernikiem Brymen 805
Miernik Brymen 805 umożliwia pomiar napięcia przewodzenia diod (ale tylko do wartości 1.6V).
Pomiar wykonywany jest przy prądzie diody około 0.25 mA (dane z karty katalogowej miernika dostępnej w Pracowni Elektronicznej). Dla wyboru funkcji testu diod należy ustawić główne pokrętło miernika na pomiar oporności Ω (i przy symbolu diody) i dwukrotnie nacisnąć przycisk SELECT, wtedy w prawym górnym rogu wyświetlacza pojawi się ikona diody.
Napięcie przewodzenia standardowych diod germanowych i krzemowych zawiera się w przedziale 0,200 V – 0,900 V. Wyższe wartości wskazują na niesprawność diody lub inny typ diody (np. dioda świecąca LED). Wskazanie zero oznacza zwarcie wewnętrzne diody. Wskazanie „0L” (ang.
overload = przekroczenie zakresu) oznacza brak przewodzenia lub inny typ diody o wyższym napięciu przewodzenia (np. dioda świecąca Uprzew= 1,8 V). Każde inne wskazanie jest nieprawidłowe i oznacza, że dioda jest niesprawna.
Diodę podłączamy do gniazda COM i ΩV miernika, jak przy pomiarze oporności, najlepiej za pomocą zwykłych kabli z końcówkami bananowymi i założonymi chwytakami pomiarowymi z jednej strony. Ważny jest kierunek podłączenia diody - należy to sprawdzić samodzielnie. Dioda podłączona w kierunku zaporowym daje rezultat „0L”.
2. Dioda krzemowa
Pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej I D f(UD) krzemowej diody prostowniczej.
Rys. 3. Schemat układu pomiarowego i oczekiwany wykres na dwu kanałach oscyloskopu w modzie pracy YT (napięcie - czas).
♦ Zbudować układ pomiarowy zawierający generator i oscyloskop według schematu z Rys. 3.
♦ Podłączyć wyjścia układu do kanałów CH1, CH2 oscyloskopu.
♦ Ustawić oba kanały oscyloskopu w tryb sprzężenia stałoprądowego (przycisk MENU CH1,2 –>
Coupling DC)
♦ Z generatora podać napięcie trójkątne o wartościach szczytowych około Upp (−3 , +3) V i częstości około 100 Hz.
♦ Posługując się odczytem z ekranu oscyloskopu z wykorzystaniem kursora pomiarowego zmierzyć charakterystyki diody I D f(UD) dla co najmniej 8-10 punktów pomiarowych wiedząc, że prąd płynący przez diodę
R
ID UR oraz napięcie na diodzie UD UGEN UR .
UWAGA : Można skorzystać z trybu precyzyjnego wyboru czułości pionowej kanałów oscyloskopu fine. Dokonać pomiarów kursorami w trybie „fine” starając się rozciągnąć przebiegi na całą wysokość ekranu (przycisk MENU CH1, CH2 – Volt/Div – coarse / fine). Warunkiem poprawnego pomiaru jest ustawienie jednakowej czułości w obu kanałach i nałożenie poziomu zer obu kanałów na siebie (strzałki z lewej strony ekranu).
♦ Z pomiarów należy wykonać dwa wykresy I D f(UD), jeden we współrzędnych liniowych prądu i napięcia diody (podobny do wykresu z Rys. 2), a drugi we współrzędnych
logarytmicznych prądu diody i liniowych napięcia diody (podobny do Rys. 1).
3. Automatyczny pomiar charakterystyk prądowo-napięciowych diody I D f(UD) oscyloskopem w modzie wyświetlania XY.
Oscyloskop pracujący w modzie XY wyświetla napięcie z kanału CH2 w funkcji napięcia z kanału CH1.
Należy pamiętać, że kanały CH1 i CH2 oscyloskopu mają wspólny jeden przewód podłączeniowy - wspólną masę, więc można mierzyć dwa napięcia w układzie badanym tylko względem wspólnego punktu układu.
Rys. 4. Schemat układu pomiarowego z generatorem i z dwiema gałęziami zawierającymi szeregowo podłączone diodę i opornik. W takim układzie napięcia na diodzie i oporniku można mierzyć względem wspólnego punktu pomiarowego, zaznaczonego jako masa układu. Taki sposób pomiaru zakłada identyczność obu diod i obu oporników. Prawy panel rysunku przedstawia spodziewany wykres prądu diody w funkcji napięcia na diodzie wyświetlany w modzie XY oscyloskopu.
a) Charakterystyka prądowo-napięciowa diody krzemowej
♦ Zbudować układ pomiarowy z generatorem i dwiema diodami według schematu z Rys. 4.
Opornik podłączony do masy w gałęzi obwodu bliższej generatora pełni funkcję czujnika prądu płynącego przez diodę, ID UR /R .
Alternatywnie, można zbudować tylko jedną gałąź obwodu (tylko prawą na Rys. 4) włączając między diodę a masę opornik o niewielkiej oporności ok. 10-20Ω, aby wykorzystać go jako czujnik prądu diody. Należy wtedy podłączyć CH1 do anody diody (punkt wspólny z opornikiem 1kΩ), a CH2 do opornika 10-20Ω. Taki sposób pomiaru wprowadza niewielki błąd systematyczny pomiaru napięcia diody w CH1, bo jako napięcie diody mierzona jest suma napięć na diodzie i oporniku 10-20Ω. Błąd ten jest mały, bo napięcie na oporniku ok. 10Ω przy prądach diody do ok. 3mA (ograniczonych przez opornik 1kΩ) jest dużo mniejsze od napięcia przewodzenia diody krzemowej ok. 0.6V.
♦ Z generatora podać napięcie sinusoidalne o wartości szczytowej około Upp (−3 , +3) V i częstości około 100 Hz.
♦ Ustawić oscyloskop w trybie wyświetlania XY (przycisk Display - format XY), w obu kanałach oscyloskopu ustawić sprzężenie stałoprądowe (przycisk MENU CH1,2 – Coupling DC)
♦ Zaobserwować charakterystykę prądowo-napięciową diody, odczytać napięcie przewodzenia.
b) Charakterystyka prądowo-napięciowa diody świecącej LED o kolorze czerwonym
♦ Zbudować układ pomiarowy z dwoma diodami według schematu z Rys. 4.
♦ Z generatora podać napięcie sinusoidalne o wartości szczytowej około Upp (−6 , +6) V i ustawić minimalną częstość (rzędu 1 Hz).
♦ Ustawić oscyloskop w formacie wyświetlania XY: (Display format XY), w obu kanałach oscyloskopu ustawić sprzężenie stałoprądowe (przycisk MENU CH1,2 – Coupling DC)
♦ Zaobserwować charakterystykę prądowo-napięciową diody, odczytać napięcie przewodzenia.
♦ Przełączyć oscyloskop na format YT (przycisk Display, format YT) i połączyć wejście kanału CH1 do napięcia wyjściowego generatora (lub jeśli oscyloskop posiada więcej niż 2 kanały, podłączyć dodatkowo sygnał z generatora (GEN) na trzeci kanał CH3). Zaobserwować i wytłumaczyć przebiegi wszystkich kanałów.
Następnie powrócić do charakterystyki diody: (przycisk Display format XY).
Uwaga: jako źródło wyzwalania oscyloskopu należy ustawić: CH1 (lub kanał CH3 jeżeli jest) , (przycisk TRIGGER Menu – Source – CH1).
4. Wyznaczenie krytycznej częstość migotania cff (ang. critical flicker frequency), przy której oko ludzkie dostrzega jeszcze pulsację światła diody.
Diodę LED należy zasilać sygnałem sinusoidalnym (ze składową stałą = 0 V) z generatora funkcji o napięciu maksymalnym około Upp (−6 , +6) V i zwiększać częstość
od 1 Hz aż do wizualnego zaniku pulsacji światła. Powtórzyć ten sam pomiar obniżając częstość generatora do momentu, gdy pulsacje staną się widoczne.
♦ Zarejestrować wartości częstości sygnału sinusoidalnego, przy których oko dostrzega jeszcze pulsację światła diody.
5. Zbadanie charakterystyki prądowo-napięciowej diody Zenera.
Zgodnie z punktami 2–3 tej instrukcji zmierzyć i zaobserwować na oscyloskopie charakterystykę I D f(UD) diody Zenera. Ustawić z generatora przebieg napięcia o wartościach szczytowych około Upp (−6 , +6) V. Wyznaczyć przybliżone wartości napięcia przewodzenia Up i napięcia przebicia (Zenera) Uz w kierunku wstecznym diody.
Rys. 6. Spodziewana charakterystyka diody Zenera wyznaczona w układzie jak na Rys. 4 obserwowana w modzie XY oscyloskopu.
