Badanie diod półprzewodnikowych

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH LABORATORIUM ELEKTRYCZNE Badanie diod półprzewodnikowych (E - 7) Opracował: dr inż. Michał Strozik Sprawdził: dr inż. Włodzimierz Ogulewicz Zatwierdził: dr hab. inż. Janusz Kotowicz

2 Cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk napięciowo-prądowych podstawowych przyrządów półprzewodnikowych znajdujących zastosowanie w elektroenergetyce: diody prostowniczej i diody stabilizacyjnej. Znajomość charakterystyk napięciowo-prądowych umożliwia mierzącemu wyznaczenie podstawowych parametrów elektrycznych w/w elementów. 1. Wprowadzenie teoretyczne. 1.1 Diody półprzewodnikowe. Diody są najprostszymi, dwukońcówkowymi elementami, zawierającymi złącza półprzewodnikowe. Zwykle dioda jest zbudowana z pojedynczego złącza p-n lub złącza metal-półprzewodnik (m-s). Wyjaśnienie podstawowych właściwości złączy p-n oraz m-s jest więc kluczem do zrozumienia działania diod i nie tylko diod, gdyż złącza p-n stanowią elementarne cegiełki, z których buduje się bardziej złożone struktury tranzystorów, tyrystorów, układów scalonych itp. Diody można różnie klasyfikować, w zależności od przyjętych kryteriów. Dla użytkowników elementów najistotniejszy jest następujący podział diod: - prostownicze, - stabilitrony (diody Zenera), - uniwersalne, - impulsowe, - pojemnościowe, - tunelowe, - mikrofalowe, - optoelektroniczne (fotodiody, diody świecące). W tradycyjnych układach zasilających największe znaczenie posiadają diody prostownicze i diody stabilizacyjne. 1.2 Diody prostownicze. Diodami prostowniczymi nazywa się diody przeznaczone do prostowania prądu przemiennego o małej częstotliwości przy dużych mocach wydzielanych w obciążeniu. Są to zatem diody pracujące przeważnie w układach prostowniczych bloków zasilania różnych urządzeń elektronicznych i elektrycznych. Diody te pracują przy częstotliwości 50 Hz, czasem 400 Hz. Jest to zakres na tyle małych częstotliwości, że zjawiska dynamiczne nie mają istotnego wpływu na pracę diody w układzie w przeciwieństwie do grupy diod 2

3 prostowniczych impulsowych przeznaczonych do pracy w tzw. przetwornicach lub zasilaczach impulsowych, gdzie wymagane są specjalne parametry diod. Diody prostownicze są to diody warstwowe (dyfuzyjne lub stopowe) wytwarzane z krzemu lub rzadziej z germanu. Wytwarzane są również diody prostownicze z barierą Schottky ego. Dwa podstawowe parametry diod prostowniczych to: - maksymalny średni prąd przewodzenia I 0 lub inaczej prąd znamionowy w kierunku przewodzenia I FN, - powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne U RMM Produkuje się diody na prądy od pojedynczych amperów do kilku kiloamperów i napięcia wsteczne sięgające kilku kilowoltów. Diody na prądy powyżej 10A pracują z radiatorami odprowadzającymi wydzielane ciepło do otoczenia. Rys. 1. Charakterystyka napięciowo- prądowa złącza p-n. Na Rys. 1 przedstawiona jest charakterystyka diody I D =I D (U AK ). Jak widać już przy bardzo małych napięciach U AK (jest to napięcie na diodzie) prąd płynący przez diodę I D (prąd przewodzenia) bardzo mocno wzrasta do dużych wartości. Tak jak każdy element dioda ma również swoje parametry graniczne, których nie można przekroczyć bez jej uszkodzenia. Dlatego prąd przewodzenia diody nie może przekroczyć jej prądu maksymalnego I Fmax. Napięcie przewodzenia diody U F określa się przy prądzie przewodzenia I F =0,1 I Fmax. Dla diody germanowej Ge (diody mogą być zbudowane z różnych półprzewodników) napięcie to zawiera się w zakresie od 0,2V do 0,4V, a dla diody krzemowej Si - od 0,5V do 0,8V (Rys. 2.). 3

4 Rys. 2. Charakterystyka napięciowo - prądowa w kierunku przewodzenia dla diody krzemowej i germanowej. Zmiany natężenia prądu idealnego złącza p-n w funkcji napięcia polaryzacji opisuje wzór Shockley a: qu I = I s exp 1 (1) kt gdzie: I s prąd nasycenia złącza, U napięcie polaryzacji, T temperatura [K], k= J/K (stała Boltzmana) q=1, C (ładunek elementarny). Z dobrym przybliżeniem przyjmuje się, że dla U F >100mV: qu I F I s exp (2) nkt Prąd I' s jest zastępczym prądem nasycenia uwzględniającym mechanizmy dyfuzji i rekombinacji, a wartość współczynnika n zależy od udziału składowej dyfuzyjnej i rekombinacyjnej w prądzie płynącym przez złącze. Współczynnik n przyjmuje wartość pomiędzy 1 (tylko prąd dyfuzji) i 2 (tylko prąd rekombinacji). Aby uwzględnić spadek napięcia na elementach diody poza obszarem ładunku przestrzennego zwykle wprowadza się pojęcie rezystancji szeregowej, co jest związane z założeniem, że te spadki napięcia są proporcjonalne do prądu płynącego przez złącze. Tak więc najprostszy model diody w kierunku przewodzenia wygląda jak na Rys. 3. U-I f R S IR f S I f D R s U Rys. 3. Model diody w kierunku przewodzenia. 4

5 Element D ma charakterystykę opisaną wzorem (2), tylko zamiast U, we wzorze należy podstawić (U-I F R s ).Tak więc wypadkowa charakterystyka diody może być opisana wzorem: q( U I F Rs ) I = F I s exp (3) nkt Po przekształceniu otrzymujemy równanie liniowe: q ln I F = ln I s + ( U I F Rs ) (3) nkt lub zapisując w innej postaci: q ln I = ln I s + ( U U ) (3) nkt Jeśli tę charakterystykę narysować w układzie współrzędnych, na którym oś napięcia U jest liniowa a oś prądu, I F ma podziałkę logarytmiczną, otrzymamy wykres jak na Rys. 4. I [A] U=IR s 1E-3 1E-4 1E n [ mv] 1 1E-6 1E I`s (przy U=0) 1E-8 U [V] Rys. 4. Charakterystyka napięciowo-prądowa diody półprzewodnikowej w układzie półlogarytmicznym. Po wykonaniu takiego wykresu można obliczyć z części liniowej wartość I' s oraz n, a z części nieliniowej R s. Dla ułatwienia analizy wykresu w części liniowej pomijamy rezystancję szeregową, R s. 1.3 Diody stabilizacyjne. Diody stabilizacyjne, nazywane często zwyczajowo diodami Zenera, są to diody warstwowe p-n, przeznaczone do zastosowań w układach stabilizacji napięć, w układach ograniczników, jako źródła napięć odniesienia itp. Jest to 5

6 półprzewodnikowy element stabilizacyjny, w którym wykorzystuje się efekty: Zenera i powielania lawinowego. Występują one podczas zaporowej polaryzacji złącza p-n. Efekt Zenera polega na tunelowym przejściu elektronu, (tzn. bez straty energii) z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa półprzewodnika. Występuje on przede wszystkim w półprzewodnikach silnie domieszkowanych (cienkie złącze, co implikuje duże natężenie pola elektrycznego w jego obszarze ( 10 8 V/m.)). Występuje w diodach, których napięcie przebicia leży w zakresie 2 5V. Zjawisko powielania lawinowego polega na powielaniu nośników prądu w warstwie zaporowej złącza w wyniku zderzeń elektronów z atomami sieci krystalicznej. Efekt ten występuje w złączu słabo domieszkowanym (złącze grube o grubości znacznie przekraczającej średnią drogę swobodną elektronu więc o dużym prawdopodobieństwie powielania lawinowego; natężenie pola elektrycznego w warstwie zaporowej złącza wynosi ok V/m). Wspomniany efekt zachodzi w diodach, których napięcie przebicia jest z reguły wyższe od 6V. Dla diod o napięciu polaryzacji zawierającym się w granicach 5 10V oba efekty występują jednocześnie. I U =9,1V Z 0,6V U P max Rys. 5. Przykładowa charakterystyka napięciowo-prądowa diody stabilizacyjnej. Charakterystykę napięciowo-prądowa diody stabilizacyjnej przedstawiono na Rys. 5. Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia dioda zachowuje się tak jak zwykła dioda, tzn. spadek napięcia na niej jest niewielki i wynosi ok V. Przy polaryzacji zaporowej gwałtowny wzrost prądu występuje dla pewnej wartości napięcia (zależy to od sposobu wykonania diody). Tę ostatnią właściwość wykorzystuje się stosując diodę jako element stabilizacyjny w stabilizatorach napięć. 6

7 I U Z U IZmin P max 1 r z hiperbola mocy admisyjnej I Zmax Rys. 6. Charakterystyka wsteczna diody stabilizacyjnej. Na Rys. 6 przedstawiono charakterystykę diody Zenera spolaryzowanej w kierunku zaporowym wraz z jej podstawowymi parametrami. Trzy podstawowe parametry diod stabilozacyjnych to: - napięcie stabilizacji U Z (nazywane również napięciem Zenera), definiowane jako napięcie odpowiadające umownej wartości prądu stabilizacji, np. dla 0,1 maksymalnej wartości prądu stabilizacji, - rezystancja przyrostowa r Z = U Z I Z przy określonym prądzie stabilizacji (w graficznej interpretacji jest to nachylenie odcinka na charakterystyce napięciowo-prądowej odpowiadającej występowaniu zjawiska Zenera i przebicia lawinowego, - temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji TKU Z. 2. Badania i pomiary. 2.1 Określenie wielkości mierzonych. Wielkościami mierzonymi są spadki napięcia i prądy płynące przez diody i tyrystor. Na podstawie tych danych wyznacza się charakterystyki napięciowo prądowe badanych elementów. Z analizy wykresów (wykonanych w Excelu) wyznaczamy dla diody prostowniczej: napięcie przewodzenia U F, oraz współczynnik n, a dla diody stabilizacyjnej napięcie przewodzenia U F, napięcie stabilizacji U z, rezystancję przyrostową r Z. 2.2 Schematy układów pomiarowych Wyznaczanie charakterystyki napięciowo-prądowej w kierunku przewodzenia metodą punkt po punkcie. - wyznaczyć charakterystykę napięciowo-prądową w układzie pomiarowym jak na Rys. 7, - wyniki zapisać w karcie pomiarowej (zakresy prądów i napięć poda prowadzący). 7

8 ZASILACZ REGULOWANY + R ma mv Rys. 7. Układ pomiarowy dla diody prostowniczej i diody Zenera (kierunek przewodzenia). I F U F Tablica 1 DIODA (****wpisać typ****) kierunek przewodzenia [ma] [V] Wyznaczanie charakterystyki napięciowo-prądowej w kierunku zaporowym metodą punkt po punkcie. - wyznaczyć charakterystyki napięciowo-prądowe diod: prostowniczej i stabilizacyjnej (Zenera) w układach pomiarowych przedstawionych odpowiednio na Rys. 8 i Rys. 9, - wyniki zapisać w karcie pomiarowej (zakresy prądów i napięć poda prowadzący). + ZASILACZ REGULOWANY V µa R Rys. 8. Układ pomiarowy dla diody prostowniczej (kierunek zaporowy). ZASILACZ REGULOWANY + ma V R Rys. 9. Układ pomiarowy dla diody Zenera (kierunek zaporowy). I R U R Tablica 2 DIODA (****wpisać typ****) kierunek zaporowy [*A] [V] 8

9 3. Opracowanie wyników pomiarowych. W trakcie zajęć należy przeprowadzić pomiary wg instrukcji do ćwiczenia i zaleceń prowadzącego. Wszystkie uzyskane wyniki należy zapisać do karty pomiarowej. Karta pomiarowa po zakończeniu ćwiczenia powinna być podpisana przez prowadzącego i dołączona do późniejszego sprawozdania z ćwiczenia. Sprawozdanie w szczególności powinno zawierać: 1. Zbiorczą charakterystykę napięciowo-prądową diody prostowniczej (zestawienie wyników z pomiarów w kierunku przewodzenia i zaporowym, przykład Rys. 1). 2. Charakterystykę napięciowo-prądową diody prostowniczej w kierunku przewodzenia w skali półlogarytmicznej (przykład Rys. 4.). 3. Wyznaczone parametry badanej diody prostowniczej (U F, n ). 4. Zbiorczą charakterystyki napięciowo-prądową diody Zenera (zestawienie wyników z pomiarów w kierunku przewodzenia i zaporowym, przykład Rys. 5). 5. Wyznaczone parametry badanej diody Zenera (U F, n, U z, r Z ). 6. Oszacowania niepewności pomiarowej i błędów. 7. Sprawozdanie należy dostarczyć w formie wydrukowanej i dokumentu elektronicznego (dyskietka). 9

10 ZAŁACZNIK 1. KARTA POMIAROWA Tablica 1A I F [ma] U F [V] Tablica 1B I F [µa] U F [V] Tablica 2A I F [ma] U F [V] Tablica 2B I F [ma] U F [V] DIODA prostownicza... kierunek przewodzenia DIODA prostownicza... kierunek zaporowy DIODA Zenera... kierunek przewodzenia DIODA Zenera... kierunek zaporowy Grupa: Nazwiska studentów: data:... d 10 podpis