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 C6n PFiE IN-EChJ Ćwiczenie 6 Cel Badanie diod półprzewodnikowych ze złączem p-n 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 LE. 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. ioda (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 I płynącego przez diodę w funkcji przyłożonego napięcia U dane jest wzorem diodowym Shockley a: U M VT I 1 I0 e, (1) gdzie U napięcie zewnętrzne przyłożone do diody, V T - nosi nazwę napięcia termicznego diody i wynosi k T V T e, gdzie e to ładunek elementarny e = 1.6. 10-19 C, k = R/N A to stała Boltzmanna (R = 8.31 J/mol. K - stała gazowa, N A = 6.02. 10 23 1/mol liczba Avogadro), T - temperatura złącza p-n diody. Wartość k T VT 25 mv e dla temperatury pokojowej 20 o C, I 0 to prąd wsteczny nasycenia diody, czyli natężenie prądu płynącego przez diodę przy podłączeniu diody w kierunku zaporowym (zwykle I 0 << 1 μ A). Współczynnik M nazywany współczynnikiem nieidealności diody, wynosi dla diod krzemowych ok. M=1-2, a dla różnych rodzajów diod LE 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. la diod można określić napięcie przewodzenia diody, V F, czyli wartość napięcia, przy którym znacznie wzrasta natężenie prądu płynącego przez diodę. Producenci diod zwykle definiują je jako
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. ane 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, V F ) przy prądzie przewodzenia I F =10mA (tu podana jest maksymalna dopuszczalna wartość w serii produkowanych diod = 1V), prąd wsteczny (Reverse current, I R ) przy napięciu w kierunku zaporowym V R =20V oraz 75V, napięcie przebicia złącza w kierunku zaporowym (Breakdown voltage, V BR ) czyli napięcie, którego nie należy przekraczać w zastosowaniach tej diody, pojemność elektryczną złącza diody (iode capacitance, C ) w określonych warunkach (tutaj napięcie stałe przyłożone V R = 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. wie 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 I F =f(v F ) - 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 Rys. 1. Charakterystyka I-V diody 1N4148.
wzrostem wartości współczynnika nieidealności diody M). Oznaczenia na Rys. 1 odpowiadają oznaczeniom w równaniu Shockley a (1) dla diody: U =V F, I =I F. Symbol F użyty jako indeks w oznaczeniach prądu I F oraz napięcia V F 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 I (U ), podobny do przedstawionego na Rys. 1., ale narysowany w liniowych skalach obu osi współrzędnych, jest przedstawiony na Rys. 2. Widać silnie nieliniową zależność I (U ). 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 I 0. 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 TS1002 lub podobny), płytka drukowana z dwoma gniazdami BNC (ta sama, co w ćwiczeniu C5n) akcesoria pomocnicze (kolba lutownicza, kable łączeniowe, chwytaki pomiarowe, trójniki rozgałęziające). iody (po 2 sztuki każdego typu): krzemowa prostownicza typu 1N4001, germanowa detekcyjna, krzemowa Zenera, elektroluminescencyjna LE, oraz oporniki 1kΩ oraz ew. 10-20Ω. Wykonanie ćwiczenia 1. Identyfikacja diod Ćwiczenie rozpoczynamy od rozpoznania typów otrzymanych diod. la 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). la 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 LE). 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 U przew = 1,8 V). Każde inne wskazanie jest nieprawidłowe i oznacza, że dioda jest niesprawna. iodę 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. ioda podłączona w kierunku zaporowym daje rezultat 0L. 2. ioda krzemowa Pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej I f U ) 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 C) Z generatora podać napięcie trójkątne o wartościach szczytowych około U pp ( 3, +3) V i częstości około 100 Hz. Posługując się odczytem z ekranu oscyloskopu z wykorzystaniem kursora pomiarowego zmierzyć charakterystyki diody I ) dla co najmniej 8-10 punktów pomiarowych wiedząc, że prąd płynący przez diodę U I R R U U GEN U R. UWAGA : Można skorzystać z trybu precyzyjnego wyboru czułości pionowej kanałów oscyloskopu fine. okonać pomiarów kursorami w trybie fine starając się rozciągnąć przebiegi na całą wysokość ekranu (przycisk MENU CH1, CH2 Volt/iv 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 ), 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 ) 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, I U R. 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 U pp ( 3, +3) V i częstości około 100 Hz. Ustawić oscyloskop w trybie wyświetlania XY (przycisk isplay - format XY), w obu kanałach oscyloskopu ustawić sprzężenie stałoprądowe (przycisk MENU CH1,2 Coupling C) Zaobserwować charakterystykę prądowo-napięciową diody, odczytać napięcie przewodzenia. b) Charakterystyka prądowo-napięciowa diody świecącej LE o kolorze czerwonym Zbudować układ pomiarowy z dwoma diodami według schematu z Rys. 4. Z generatora podać napięcie sinusoidalne o wartości szczytowej około U pp ( 6, +6) V i ustawić minimalną częstość (rzędu 1 Hz). Ustawić oscyloskop w formacie wyświetlania XY: (isplay format XY), w obu kanałach oscyloskopu ustawić sprzężenie stałoprądowe (przycisk MENU CH1,2 Coupling C)
Zaobserwować charakterystykę prądowo-napięciową diody, odczytać napięcie przewodzenia. Przełączyć oscyloskop na format YT (przycisk isplay, 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 isplay 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. iodę LE należy zasilać sygnałem sinusoidalnym (ze składową stałą = 0 V) z generatora funkcji o napięciu maksymalnym około U pp ( 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 ) diody Zenera. Ustawić z generatora przebieg napięcia o wartościach szczytowych około U pp ( 6, +6) V. Wyznaczyć przybliżone wartości napięcia przewodzenia U p i napięcia przebicia (Zenera) U z w kierunku wstecznym diody. Rys. 6. Spodziewana charakterystyka diody Zenera wyznaczona w układzie jak na Rys. 4 obserwowana w modzie XY oscyloskopu.