Charakterystyka statyczna diody półprzewodnikowej w przybliŝeniu pierwszego stopnia jest opisywana funkcją

Transkrypt

1 1 CEL ĆWCZEN Celem ćwiczenia jet zapoznanie ię z: przebiegami tatycznych charakterytyk prądowo-napięciowych diod półprzewodnikowych protowniczych, przełączających i elektroluminecencyjnych, metodami pomiaru charakterytyk tatycznych diod półprzewodnikowych, metodami określania parametrów tatycznych modeli zatępczych diod 2 WPROWDZENE Charakterytyka tatyczna diody półprzewodnikowej w przybliŝeniu pierwzego topnia jet opiywana funkcją nt = e 1, (1) gdzie: prąd naycenia, T potencjał elektrokinetyczny ( kt T = ; k tała Boltzmanna, T temperatura q w topniach Kelvina, q ładunek elementarny), n wpółczynnik nieidealności złącza W bardziej dokładnym opiie charakterytyk tatycznych diod półprzewodnikowych naleŝy dodatkowo uwzględnić: zjawika generacyjno-rekombinacyjne w złączu p-n, zjawika związane z przebiciem złącza, zjawika związane z zakreem duŝych prądów, padek napięcia na rezytancji zeregowej (rezytancja obzarów neutralnych, kontaktów i doprowadzeń) względniając powyŝze zjawika, charakterytykę tatyczną diody ogólnie moŝna zapiać w potaci funkcji = K BR D + 1+, (2) gdzie:,, D całkowity prąd diody oraz kładowa dyfuzyjna opiywana wzorem (1) i kładowa generacyjno-rekombinacyjna, K wpółczynnik związany z przebiciem złącza, BR próg zakreu duŝych gętości prądów Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i nformatyki, Katedra ytemów Mikroelektronicznych 1

2 W zaleŝności (2) jedynie ma wartość tałą, wzytkie pozotałe wielkości ą funkcjami napięcia na diodzie W zaleŝności od typu diody oraz warunków jej pracy pewne z powyŝzych dodatkowych zjawik ą margineowe lub nie wytępują Przykładowo, przy zaporowej polaryzacji diody napięciem znacznie mniejzym od napięcia przebicia przyjmuje ię, Ŝe K = 1 oraz pomija ię padek napięcia na rezytancji zeregowej, jak teŝ zjawika BR związane z duŝymi prądami tj ( ) = ~ < 0 + B (3) Natomiat dla polaryzacji diody w kierunku przewodzenia w zakreie duŝych prądów i przy D r nt = e, (4) gdzie: napięcie na diodzie rzeczywitej, r rezytancja zeregowa diody W ćwiczeniu badane ą dwie diody krzemowe: BYP401 (protownicza), BP17 (ogólnego przeznaczenia) oraz dwie diody LED: z arenku galu CQYP16 i foforku galu CQP431 Wyznacza ię parametry charakterytyki tatycznej diod dla kierunku przewodzenia w zakreie średnich i duŝych prądów, tj:, n, r Ponadto mierzone ą prądy wteczne badanych diod dla napięć znacznie niŝzych od ich napięć przebicia 21 poób określania parametrów modelu diody W celu wyznaczenia parametrów charakterytyki tycznej diody naleŝy korzytać z wykreu zmierzonej charakterytyki prądowo-napięciowej ( ) diody dla kierunku przewodzenia Typową charakterytykę prądowo-napięciową diody przedtawiono w kali logarytmiczno-liniowej na Ry 1 (linia ciągła) Na charakterytyce tej widać zakre średnich gętości prądów, w którym zaleŝność prądu od napięcia moŝe być opiana funkcją ekponencjalną, oraz zakre duŝych gętości prądów, w którym ujawnia ię wpływ rezytancji zeregowej r W zakreie średnich gętościo prądów charakterytykę moŝna opiać przybliŝoną zaleŝnością nt = e, (5) lub po zlogarytmowaniu ln = ln + (6) nt Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i nformatyki, Katedra ytemów Mikroelektronicznych 2

3 Prota, którą opiuje powyŝze równanie, pozwala na graficzne wyznaczenie oraz n (patrz Ry 1) ma wartość wyznaczoną przez punkt przecięcia protej, tanowiącej aprokymację charakterytyki ( ) w kali logarytmiczno-liniowej, z oią prądów Natomiat wpółczynnik nieidealności złącza wyznacza ię jako nachylenie protej n = ln T (7) 100m 30m 10m 3m = r 1m 300µ (ln) 100µ 30µ 10µ ln 3µ 1µ 300n 100n 30n 10n 3n 1n 0 200m 400m 600m 800m Ry 1 poób określania wartości rezytancji zeregowej diody r oraz prądu naycenia i wpółczynnika nieidealności złącza n Dla duŝych gętości prądów nie moŝna pominąć padku napięcia na rezytancji zeregowej r Napięcie na diodzie opiane jet zaleŝnością: = + r, (8) D gdzie = nt ln (9) padek napięcia na rezytancji r naleŝy wyznaczyć dla najwiękzej wartości ' zmierzonego prądu diody ' Zgodnie z Ry 1 rezytancję tę moŝna obliczyć jako r =, ' Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i nformatyki, Katedra ytemów Mikroelektronicznych 3

4 gdzie ' oznacza róŝnicę pomiędzy wartością napięcia oberwowaną na diodzie, a napięciem, które panowałoby na diodzie, gdyby rezytancja zeregowa byłaby równa zero 3 ZDN 31 Zadania do wykonania w laboratorium Z1 Oberwacja ocylokopowa charakterytyk Na Ry 2 przedtawiono układ do oberwacji na ekranie ocylokopu charakterytyk diod dla kierunku przewodzenia 12 k B 0,2 TM 2 B 0,2 Db 7 R k Dp BP17 10 R2 1 O-9000R 30 Y X Ry 2 kład do oberwacji ocylokopowej charakterytyki diody Napięcie na rezytancji R2 (1Ω) jet wprot proporcjonalne do prądu badanej diody Db NaleŜy doprowadzić je do wejścia Y ocylokopu Pomocnicza dioda Dp ogranicza ujemne impuly napięcia doprowadzanego do diody badanej Db Na tablicy montaŝowej TM2 zmontować układ z Ry 2 do oberwacji ocylokopowej charakterytyk tatycznych ( ) diod półprzewodnikowych Podane na Ry 2 numery węzłów odpowiadają numerom końcówek na tablicy montaŝowej TM2 kład zailać napięciem zmiennym 12 k Obejrzeć i przeryować z ekranu ocylokopu na wpólny wykre charakterytyki wzytkich badanych diod: diody krzemowe: BYP401 i BP17, diody LED: z arenku galu CQYP16 i z foforku galu CQP431 tawić tryb pracy ocylokopu XY NaleŜy pamiętać o prawidłowym utawieniu punktu (0,0) oraz kalibrowaniu obu kanałów Wyjaśnić z czego wynikają róŝnice wartości padków napięć na diodach przy tej amej wartości prądu, np =10m Diody ą zamontowane na płytce PE1 patrz Ry 3 Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i nformatyki, Katedra ytemów Mikroelektronicznych 4

5 D1 D2 PE 1 D1 BYP 401 D4 D2 CQYP 16 D3 D3 BP 17 D4 CQP 431 dioda krzemowa protownicza dioda LED z arenku galu dioda krzemowa przełączająca dioda LED z foforku Ry 3 Płytka PE1 z badanymi diodami Z2 Pomiar charakterytyk metodą punkt po punkcie w kierunku przewodzenia Na tablicy montaŝowej TM1 zmontować układ z Ry 4 do pomiaru charakterytyk tatycznych metodą punkt po punkcie kład zailać napięciem tałym + 5 Zmierzyć charakterytyki ( ) diod BYP 401 i BP17 polaryzowanych w kierunku przewodzenia w zakreie od 100 n do 100 m względnić padek napięcia na amperomierzu RZN Metex 1 max =100m TM 1 Db C 33n Ry 4 kład do pomiaru charakterytyki diody w kierunku przewodzenia Jako amperomierz zatoować miernik 726, na którym padek napięcia dla kaŝdego zakreu wynoi 100m przy wkazywaniu makymalnej wartości prądu Przed przytąpieniem do pomiarów miernik ten naleŝy wykalibrować Do węzłów 9, 10 naleŝy dołączyć kondenator ceramiczny C=33nF w celu zmniejzenia poziomu zakłóceń na zacikach wejściowych amperomierza Dla dowolnej wartości prądu odczytywanego przez amperomierz 726 padek napięcia na tym amperomierzu wynoi gdzie: padek napięcia na amperomierzu, wartość prądu mierzonego przez amperomierz, wartość prądu zakreowego ZK = 100m, (10) Oznacza to, Ŝe np jeśli na zakreie pomiarowym = 10m mierzony jet prąd = 1m, to 1m padek napięcia na amperomierzu wynoi = 100m = 10m Natomiat gdyby ten 10m ZK ZK Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i nformatyki, Katedra ytemów Mikroelektronicznych 5

6 am prąd = 1m mierzyć na zakreie = 1m, to padek napięcia na amperomierzu wyniółby 1m = 100m = 100m 1m ZK Ŝycie miernika 726 jako amperomierza umoŝliwia łatwe obliczanie napięcia na diodzie Napięcie mierzone przez woltomierz (Metex) jet umą padku napięcia na diodzie badanej oraz padku napięcia na amperomierzu Zatem napięcie faktycznie wytępujące na diodzie wynoi: : = + (11) = = 100m (12) Przykładowo, jeśli napięcie mierzone woltomierzem wynoi = 850m przy prądzie = 30m mierzonym na zakreie = 100m, wówcza napięcie na diodzie wynoi 30m = = 850m 100m = 850m 30m = 820m 100m ZK Z3 Pomiar charakterytyk metodą punkt po punkcie w kierunku zaporowym W układzie przedtawionym na Ry 5 zmierzyć, a natępnie wykreślić na jednym wykreie charakterytyki ( ) diod BYP401 i BP17 w kierunku zaporowym Ze względu na zakrey wartości mierzonych napięć i prądów w układzie tym nie ma konieczności uwzględniania padku napięcia na amperomierzu 2 3 ZK RZN Metex 1 max =5m TM 1 Db C 33n Ry 5 kład do pomiaru charakterytyki diody w kierunku zaporowym 4 WYPOśENE TNOWK LBORTORYJNEGO 1 Napięcia zailające: tałe + 5 oraz 24, zmienne ~ 12 k 2 kłady laboratoryjne i podzepoły: tablice montaŝowe: TM1 z modułem regulowanego źródła napięcia RZN oraz TM2, zepół badanych diod zmontowanych na płytce PE1, dioda pomocnicza Dp typ BP17, zmontowana na łączówce 2-kontaktowej, kondenator ceramiczny C=33nF, rezytory wymienne o rezytancjach: R = 1Ω, 510Ω,1kΩ Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i nformatyki, Katedra ytemów Mikroelektronicznych 6