Ćwiczenie 6 WŁASNOŚCI DYNAMICZNE DIOD

Transkrypt

1 1. Cel ćwiczenia Ćwiczenie 6 WŁASNOŚCI DYNAMICZNE DIOD Celem ćwiczenia jes poznanie własności dynamicznych diod półprzewodnikowych. Obejmuje ono zbadanie sanów przejściowych podczas procesu przełączania ego ypu przyrządów półprzewodnikowych. 2. Wiadomości podsawowe Wspólną charakerysyczną cechą przyrządów bipolarnych jes zw. "serowanie prądowe" polegające na ym, że każda zmiana sanu pracy przyrządu wymaga zmiany koncenracji nośników w wyniku dosarczenia lub usunięcia nośników ładunku elekrycznego. Proces en, analogiczny do procesu przeładowania pojemności w obwodzie elekrycznym, wymaga odpowiedniego czasu, co powoduje, że wszelkie zmiany warunków pracy przyrządów bipolarnych nie zachodzą skokowo, ale są procesami o sosunkowo dużej inercji Opis działania diody p-n dla sanów przejściowych Przy zmianie polaryzacji diody z kierunku zaporowego na kierunek przewodzenia nasępuje ładowanie pojemności złączowej. Pojemność złączowa C j jes związana z wysępowaniem obszaru ładunku przesrzennego na złączu. Ładunek en powsaje w wyniku usunięcia z obszaru złącza ruchomych nośników i pozosawieniu w nim nieskompensowanych jonów domieszek. Tak więc po sronie n wysępuje warswa dodaniego ładunku uworzona przez jony donorowe, a po sronie p warswa ładunku ujemnego uworzona przez jony akceporowe. Wymiary ych warsw nie są sałe, lecz ulegają zmianom wraz ze zmianami warunków pracy diody w wyniku odprowadzania lub doprowadzania do nich ej samej ilości elekronów do warswy po sronie n złącza i dziur do warswy po sronie p złącza. Przebieg ego zjawiska jes analogiczny z procesem przeładowania kondensaora płaskiego o zmiennym odsępie między płykami, równym szerokości obszaru ładunku przesrzennego. Ponieważ szerokość a zmienia się wraz ze zmianą napięcia polaryzującego diodę, pojemność C j jes pojemnością nieliniową, zależną od ego napięcia, jak o ilusruje rys.1. Chociaż największe warości przyjmuje ona dla napięć odpowiadających polaryzacji w kierunku przewodzenia, jej wpływ na procesy przejściowe w diodzie jes największy przy polaryzacji wsecznej. Rys. 1. Zależność warości pojemności złączowej od napięcia polaryzacji Warość prądu ładowania ej pojemności zależy od jej warości, od sromości narasania napięcia źródła zasilającego (najczęściej generaora napięć prosokąnych) oraz paramerów obwodu w ym indukcyjności monażowych. Po naładowaniu pojemności złączowej (czas opóźnienia załączania) rozpoczyna się proces wsrzykiwania nośników mniejszościowych do obydwu warsw diody. Procesowi emu owarzyszy uzupełnianie nośników

2 większościowych poprzez złącza ms. W rezulacie koncenracja nośników w diodzie rośnie zachowując zasadę obojęności ładunku. Ten wzros powoduje zwiększenie prawdopodobieńswa rekombinacji co w rezulacie uniemożliwia dalszy wzros koncenracji nośników. Z kolei wzros koncenracji nośników powoduje zmniejszenie rezysywności obydwu warsw półprzewodnika, czemu owarzyszy zmniejszanie się spadku napięcia na diodzie a ym samym umożliwia dalszy wzros prądu w obwodzie (czas załączania). W chwili zmiany napięcia generaora prąd w obwodzie zmienia swój kierunek usuwając nośniki z diody (czas opóźnienia wyłączania). Oprócz ego nośniki są usuwane przez proces rekombinacji. Napięcie na diodzie ulega niewielkiemu obniżeniu wskuek zmiany kierunku spadku napięcia na rezysancji półprzewodnika. Jednak ponieważ przy dużej koncenracji nośników nie może powsać bariera na złączu pn dodanie napięcie na diodzie urzymują bariery na złączach ms. Prąd wseczny diody powoduje usuwanie nośników mniejszościowych przez ich przemieszczenie do warsw sąsiednich gdzie sają się nośnikami większościowymi zaś nośniki większościowe przechodząc przez złącza ms oddają swoją energię z powroem do obwodu. Po usunięciu nośników z diody powsaje znów bariera na złączu pn (czas wyłączania) powodując począkowo zmniejszenie napięcia na diodzie a nasępnie w wyniku ładowania pojemności złączowej napięcie na diodzie jes znów ujemne. Najczęściej z uwagi na jego prosoę do analizy obwodów zawierających diody używa się schemau zasępczego przedsawionego na rys. 2. Rys.2. Schema zasępczy diody p-n dla sanów dynamicznych Wysępująca w ym schemacie pojemność dyfuzyjna C d ma odwzorować procesy gromadzenia i usuwania energii nagromadzonej w diodzie w posaci energii nośników. Pojemność a jes również silnie nieliniowa bowiem ilość energii nagromadzonej w nośnikach zależy od prądu zaś energia w pojemności zależy od napięcia. Sąd mimo swojej prosoy używanie ego schemau zasępczego nie jes zby ławe a wyniki analizy zwłaszcza układów komuacyjnych obarczone znacznymi błędami. Mimo o, jes o schema najczęściej przedsawiany w lieraurze. Rys.3. Rozkłady nośników w diodzie p-n spolaryzowanej w kierunku przewodzenia

3 Schema zasępczy diody rzeczywisej dla sanów dynamicznych przedsawiono na rys.2. Obok elemenów odpowiedzialnych za kszał charakerysyki saycznej, do kórych należą dioda idealna D i, (parz opis ćwicz. Paramery sayczne diod półprzewodnikowych ), rezysancja szeregowa R s oraz kondukancja upływu G u, zawiera on dwie pojemności: pojemność złączową C j i pojemność dyfuzyjną C d Przełączanie diody p-n. Zasadniczą rolą diody w układach przełączających jes umożliwianie przepływu prądu w jednym kierunku i blokowanie jego przepływu w kierunku przeciwnym. Dioda idealna pracująca w akim układzie powinna charakeryzować się zerową rezysancją w kierunku przewodzenia, nieskończenie wielką rezysancją w kierunku zaporowym oraz zupełnym brakiem inercji podczas przełączania. Dioda rzeczywisa nie spełnia oczywiście ych warunków. Jej przełączanie zachodzi z pewną inercją, a kszał impulsów prądu i napięcia ulega zniekszałceniom. R E D C Rys.4. Podsawowy układ przełączania diody Podsawowy układ przełączania diody jes przedsawiony na rys.4. Źródło prosokąnych impulsów napięciowych E g powoduje przełączanie diody ze sanu polaryzacji wsecznej w san przewodzenia i odwronie. Jeżeli rezysancja R w obwodzie jes dużo większa od rezysancji diody w sanie przewodzenia i jednocześnie dużo mniejsza od rezysancji diody w sanie polaryzacji wsecznej, o przełączanie diody w akim układzie jes zw. przełączaniem prądowym. Przebiegi napięć i prądów podczas akiego przełączania są przedsawione na rys.5.

4 E E F E R I I F r I R U f 0 s Rys.5. Zmiany napięcia i prądu podczas prądowego przełączania diody Proces przełączenia diody rozpoczyna się w chwili = 0 odpowiadającej zmianie napięcia generaora z warości ujemnej -E R na warość dodanią E F. Do ego momenu dioda była spolaryzowana w kierunku wsecznym i płynął przez nią prąd wseczny I s. Zmiana napięcia zasilającego diodę inicjuje proces przeładowania pojemności diody. W pierwszej kolejności jes przeładowywana pojemność złączowa C j czemu owarzyszy spadek napięcia polaryzacji wsecznej diody. Po zmianie kierunku polaryzacji dominującego znaczenia nabiera proces gromadzenia nośników w diodzie - ładowania pojemności dyfuzyjnej C d oraz zmniejszanie rezysywności czas załączania o. Czas narasania napięcia na diodzie r, dla przypadku gdy napięcie E F jes dużo większe od napięcia przewodzenia diody U o, można w przybliżeniu określić korzysając z wyrażenia:

5 gdzie C i reprezenuje pojemność złączową diody. r 0.7 RC i Proces przełączania diody ze sanu przewodzenia w san polaryzacji wsecznej rozpoczyna się z chwilą zmiany napięcia generaora z warości E F na warość -E R. Można wyodrębnić w nim dwa eapy. W eapie pierwszym, kóremu odpowiada przedział czasowy s (rys.5), są usuwane nośniki, czyli zachodzi proces rozładowywania pojemność dyfuzyjna diody. W ym czasie przez diodę płynie prąd wseczny ograniczony jedynie rezysancją zewnęrzną R, a sama dioda do momenu usunięcia nośników -rozładowania pojemności dyfuzyjnej znajduje się w sanie przewodzenia dodanie napięcie na diodzie urzymywane jes głównie przez bariery na złączach ms, czego efekem jes wysępowanie na niej niewielkiego napięcia w kierunku przewodzenia. Napięcie wseczne pojawia się na diodzie w chwili zakończenia usuwania nośników -rozładowywania pojemności dyfuzyjnej a ym samym powsawania bariery na złączu pn. Jes o począek drugiego eapu procesu przełączania, w kórym mamy do czynienia z przeładowaniem pojemności złączowej diody czemu owarzyszy narasanie napięcia na diodzie aż do usalonej warości -E R. Łączny czas rwania obu eapów jes definiowany jako czas wyłączenia diody off = s + f. Wykonanie ćwiczenia Schema układu pomiarowego jes pokazany na rys.6. R1 D OS1 G R2 OS2 Rys.6. Schema układu pomiarowego do badania sanów dynamicznych diod. Przed przysąpieniem do pomiarów należy podłączyć kanał pierwszy CH1 oscyloskopu do gniazda OS1 na płyce pomiarowej oraz kanał drugi CH2 do gniazda OS2. Do gniazda G rzeba doprowadzić sygnał z generaora funkcyjnego. Umiejscowienie gniazd jes pokazane na rys.7.

6 OS1 OS2 R1 R2 G D Rys.7. Wygląd płyki pomiarowej. Wykonanie ćwiczenia należy rozpocząć od usawienia sygnału z generaora. Należy wybrać generację sygnału prosokąnego (fala prosokąna, wypełnienie 50%) i usawić jego ampliudę na warość 2,5V. Diody należy przebadać przy nasępujących częsoliwościach sygnału pobieranego z generaora: 10Hz, 50Hz, 10kHz, 100kHz, 400kHz, 1MHz. Dodakowo diodę LED należy przebadać przy częsoliwości sygnału wejściowego równej 1Hz. W rakcie obserwacji przebiegów na oscyloskopie należy korzysać z możliwości skalowania warości napięcia oraz czasu przypadającej na jedną działkę oznaczoną na ekranie. W przypadku gdy przebieg jes zaszumiony należy skorzysać z możliwości uśredniania oscylogramu (polecenie AVERAGE w menu ACQUIRE; warość 4 lub 16). Opracowanie wyników Przerysować z moniora oscyloskopu przebiegi prądów i napięć na badanych diodach obserwowane w rakcie wykonywania ćwiczenia. Uwaga! Rysunki należy wykonać ze szczególną sarannością uwzględniając wszelkie zmiany przebiegu sygnału na oscylogramach. Przebiegi prądu i napięcia dla danego elemenu powinny być narysowane na jednej osi czasu, ak aby wyraźnie było widać począek okresu (jednakowy dla obu przebiegów). Na rysunkach należy wyraźnie oznaczyć warości czasowe oraz prądów i napięć w charakerysycznych fragmenach przebiegów. Wyznaczyć rzeczywisy przebieg napięcia na diodzie, pamięając, że oscylogram OS1 pokazuje przebieg napięcia na połączeniu szeregowym diody i rezysora R2. W przypadku diody prosowniczej wyznaczyć częsoliwość, dla kórej czas odzyskiwania zdolności zaworowych jes dłuższy od czasu rwania napięcia blokowania. Zaobserwować przy jakiej częsoliwości sygnału wejściowego dioda LED zaczyna świecić świałem ciągłym (brak efeku migoania) Porównać czasy odzyskiwania zdolności zaworowych (blokowania) dla badanych diod.