Badanie diod półprzewodnikowych

POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH LABORATORIUM ELEKTRYCZNE Badanie diod półprzewodnikowych (E 7) Opracował: Dr inż. Włodzimierz OGULEWICZ

3 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk napięciowo-prądowych podstawowych przyrządów półprzewodnikowych, znajdujących zastosowanie w elektroenergetyce: diody prostowniczej, diody stabilizacyjnej. Znajomość charakterystyk napięciowo-prądowych umożliwia mierzącemu wyznaczenie podstawowych parametrów elektrycznych ww. elementów. 2. Wprowadzenie 2.1. Diody półprzewodnikowe Diody są najprostszymi, posiadającymi dwie elektrody (anodę A i katodę K), elementami elektronicznymi, zawierającymi złącza półprzewodnikowe. Zwykle dioda jest zbudowana z pojedynczego złącza PN lub złącza metal-półprzewodnik (m-p). Znajomość podstawowych właściwości złączy PN oraz m-p jest kluczem do zrozumienia działania diod i nie tylko diod, gdyż złącza PN stanowią elementarne cegiełki, z których buduje się bardziej złożone struktury tranzystorów, tyrystorów, układów scalonych itp. Diody można klasyfikować w zależności od przyjętych kryteriów. Dla użytkowników elementów najistotniejszy jest podział diod ze względu na zastosowanie: prostownicze i uniwersalne, stabilizacyjne (stabilitrony, diody Zenera), pojemnościowe, przełączające (impulsowe) i ładunkowe, detekcyjne i mieszające (mikrofalowe), generacyjne i wzmacniające, modulacyjne i tłumiące, optoelektroniczne (fotodiody, diody świecące). W tradycyjnych układach zasilających największe znaczenie mają diody prostownicze i diody stabilizacyjne.

4 2.2. Diody prostownicze Diody prostownicze to diody przeznaczone do prostowania prądu przemiennego o małej częstotliwości i dużej mocy dostarczanej do odbiornika. Diody te pracują przeważnie w układach prostowniczych bloków zasilania urządzeń elektronicznych i elektrycznych. Diody prostownicze przeznaczone są zasadniczo do pracy przy częstotliwościach sieciowych (50 Hz, czasem 400 Hz). Jest to zakres tak małych częstotliwości, że zjawiska dynamiczne w złączu PN nie mają istotnego wpływu na pracę diody w układzie. Inną grupę stanowią diody prostownicze impulsowe przeznaczone do pracy w przetwornicach lub zasilaczach impulsowych, dla których wymagane są diody o specjalnych parametrach. Diody prostownicze są diodami warstwowymi (dyfuzyjnymi lub stopowymi) wytwarzanymi z krzemu (Si) lub rzadziej z germanu (Ge). Wytwarzane są również diody prostownicze z barierą Schottky ego (m-p). Diody prostownicze produkowane są na prądy o natężeniu od pojedynczych amperów do kilku tysięcy amperów i na napięcia wsteczne od kilkudziesięciu woltów do kilku tysięcy woltów. Diody na prądy powyżej 10 A pracują z radiatorami odprowadzającymi wydzielane ciepło do otoczenia. Na rysunku 1.1. przedstawiono przykładowe charakterystyki napięciowo-prądowe diody germanowej (Ge) i krzemowej (Si) w kierunku przewodzenia I F = f (U F ) oraz w kierunku zaporowym I R = f (U R ). I F 200 ma Ge Si 200 V 100 V U R 0,5 V 1 V U F 20 μa I R Rys. 1.1. Przykładowe charakterystyki napięciowo-prądowe diod germanowej (Ge) i krzemowej (Si) Zauważyć należy zdecydowanie różne wartości podziałek dla napięć i natężeń prądów w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym diod. Z przebiegu

5 charakterystyk wynika, że dla wartości spadku napięcia na diodzie U F rzędu 1 V natężenie prądu przewodzenia I F płynącego przez diodę bardzo gwałtownie narasta do dużych wartości. Każdy element elektroniczny, w tym również dioda, ma parametry graniczne, których przekroczenie powoduje trwałe uszkodzenie elementu. Natężenie prądu przewodzenia diody I F nie powinno przekroczyć wartości dopuszczalnego średniego prądu przewodzenia I F(AV), a napięcie w kierunku zaporowym U R wartości powtarzalnego szczytowego napięcia wstecznego U RRM. Wartości I F(AV) oraz U RRM podawane są w katalogach diod półprzewodnikowych. Jednym z charakterystycznych parametrów diod prostowniczych jest wartość napięcia progowego diody U (TO) określana umownie przy prądzie przewodzenia I F = 0,1 I F(AV) [10]. Dla diody germanowej (Ge) napięcie to zawiera się w zakresie od 0,2 V do 0,4 V, a dla diody krzemowej (Si) w zakresie od 0,5 V do 0,8 V [10]. Zmiany natężenia prądu idealnego złącza PN w funkcji napięcia polaryzacji opisuje wzór Shockleya [10]: qu I I exp 1, (1) F sat kt gdzie: I sat prąd nasycenia złącza, U napięcie polaryzacji, T temperatura [K], k = 1,38 10 23 J/K (stała Boltzmanna), q = 1,6 10 19 C (ładunek elementarny). Z dobrym przybliżeniem przyjmuje się, że dla U F > 100mV: qu I I exp. (2) F S 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) a 2 (tylko prąd rekombinacji). Aby uwzględnić spadek napięcia na elementach diody poza obszarem ładunku przestrzennego, zwykle wprowadza się pojęcie rezystancji szeregowej. Uwzględniając powyższe, najprostszy model diody w kierunku przewodzenia przedstawiono na rysunku 1.2. I F U F I F R S I F R S D R S U F Rys. 1.2. Model diody w kierunku przewodzenia

6 Charakterystykę diody D opisuje zależność (2). Podstawiając za U spadek napięcia na diodzie (U F I FRS ), otrzymamy: q U I R F F S I I exp. (3) F S nkt Po logarytmowaniu otrzymujemy równanie liniowe (4): lni F 1 U I R lni' (U ΔU) q lni'. (4) S F F S S F nkt nu Potencjał elektrokinetyczny U T w temperaturze 300 K wynosi ok. 26 mv 23 ( U k T 1,3810 J/K 300K 26mV ). T q 1,610 19 C Zależność (4) narysowaną w półlogarytmicznym układzie współrzędnych (oś napięcia U F jest liniowa, a oś prądu I F ma podziałkę logarytmiczną) przedstawiono na rysunku 1.3. T [μa] I F 10000 ΔU = I F R S 1000 100 10 1 26 n 1 mv przy T 300 K 1 0,1 0,01 I' S przy U = 0 U F 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 [V] Rys. 1.3. Charakterystyka napięciowo-prądowa diody półprzewodnikowej w układzie półlogarytmicznym Na podstawie przedstawionej na rysunku 1.3. charakterystyki można wyznaczyć wartość natężenia prądu I S (ekstrapolując do przecięcia z osią część liniową charakterystyki) oraz wartość współczynnika udziału składowej dyfuzyjnej do rekombinacyjnej n (tangens kąta nachylenia części liniowej charakterystyki). Dodatkowo, z części nieliniowej można określić wartość rezystancji szeregowej R S. Dla ułatwienia analizy wykresu w części liniowej pominięto wpływ rezystancji R S.

7 2.3. Diody stabilizacyjne Diody stabilizacyjne, nazywane zwyczajowo diodami Zenera, to diody warstwowe PN, przeznaczone do zastosowań w układach stabilizacji napięć, w układach ograniczników amplitudy, jako źródła napięć odniesienia itp. Dioda stabilizacyjna wykorzystuje zjawisko Zenera i/lub zjawisko powielania lawinowego, występujące podczas zaporowej polaryzacji złącza PN. Zjawisko Zenera polega na efekcie tunelowego przejścia elektronu (tzn. bez straty energii) z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa półprzewodnika. Występuje ono przede wszystkim w półprzewodnikach silnie domieszkowanych o cienkich złączach (implikuje to duże natężenie pola elektrycznego w obszarze złącza ok. 10 8 V/m). Zjawisko Zenera występuje w diodach, dla których napięcie przebicia nieniszczącego leży w zakresie do 7 V. Zjawisko powielania lawinowego polega na powielaniu nośników prądu w warstwie zaporowej złącza, w wyniku zderzeń elektronów z atomami sieci krystalicznej. Zjawisko to występuje w półprzewodnikach słabiej domieszkowanych, w złączach o grubości znacznie przekraczającej średnią drogę swobodną elektronu. Powoduje to zwiększenie prawdopodobieństwa powielania lawinowego. Natężenie pola elektrycznego w warstwie zaporowej złącza wynosi ok. 10 6 V/m. Diody lawinowe pracują przy napięciach przebicia nieniszczącego wyższych od 5 V. Dla diod o napięciu stabilizacji zawierającym się w granicach 57 V oba zjawiska występują równocześnie. Na rysunku 1.4. przedstawiono przykładową charakterystykę napięciowo-prądową diody stabilizacyjnej. 20 V ΔU Z U Z Napięcie stabilizacji 10 V 200 ma I F U F U R I Zmin 0,5 V 1 V Hiperbola mocy admisyjnej 1 r Z I U Z Z ΔI Z 200 ma P max = const I Zmax 400 ma I R Rys. 1.4. Przykładowa charakterystyka napięciowo-prądowa diody stabilizacyjnej

8 Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia dioda stabilizacyjna zachowuje się tak jak zwykła dioda prostownicza, tzn. spadek napięcia na niej jest niewielki i wynosi ok. 0,60,7 V. Przy polaryzacji diody w kierunku zaporowym dla pewnej wartości napięcia (zależnej od sposobu wykonania diody) następuje gwałtowny wzrost natężenia prądu (przebicie nieniszczące). Podstawowe parametry diod stabilizacyjnych to: napięcie stabilizowane U Z (nazywane również napięciem Zenera), definiowane jako napięcie odpowiadające umownej wartości prądu stabilizacji I Z, (np. 0,1 I Zmax 10% maksymalnej wartości prądu stabilizacji), natężenie prądu stabilizacji I Z, rezystancja dynamiczna (przyrostowa) r Z = U Z /I Z (dla określonego prądu stabilizacji); graficznie jest to nachylenie odcinka prostoliniowego charakterystyki napięciowo-prądowej diody stabilizacyjnej, temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji TKU Z (ujemny dla diod Zenera i dodatni dla diod lawinowych), dopuszczalna maksymalna moc strat P tot max, dopuszczalny średni prąd przewodzenia I F(AV). 3. Badania i pomiary 3.1. Określenie wielkości mierzonych Wielkościami mierzonymi są spadki napięć i prądy płynące przez diody. Na podstawie danych pomiarowych wyznacza się charakterystyki napięciowo-prądowe badanych elementów. Z analizy wykresów wyznaczamy dla diody prostowniczej: wartość natężenia zastępczego prądu nasycenia złącza I S oraz współczynnik n, a dla diody stabilizacyjnej napięcie stabilizacji U Z i rezystancję przyrostową r Z. 3.2. Wyznaczenie charakterystyk w kierunku przewodzenia 3.2.1. Schemat stanowiska Stanowisko pomiarowe zasilane jest z regulowanego źródła prądu stałego. Układ pomiarowy przedstawiono na rysunku 1.5.

9 Regulowany zasilacz prądu stałego + R ma mv U F I F D DZ Rys. 1.5. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki diody prostowniczej i stabilizacyjnej w kierunku przewodzenia 3.2.2. Przebieg ćwiczenia 1. Zestawić układ pomiarowy według rysunku 1.5. 2. Dokonać pomiarów natężenia prądu I F [ma] oraz napięcia U F [mv] dla diody prostowniczej D. 3. Dokonać pomiarów natężenia prądu I F [ma] oraz napięcia U F [mv] dla diody stabilizacyjnej DZ. 4. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 1.1. Tabela 1.1 Kierunek Dioda prostownicza Dioda stabilizacyjna przewodzenia Typ diody.. Typ diody.. Lp. 1. 2. 3. 4. 5. itd. I F U F I F U F ma mv ma mv 3.3. Wyznaczenie charakterystyk w kierunku zaporowym 3.3.1. Schemat stanowiska Stanowiska pomiarowe zasilane są z regulowanego źródła prądu stałego. Układ pomiarowy dla diody prostowniczej przedstawia rysunek 1.6.1., a dla diody stabilizacyjnej rysunek 1.6.2.

10 Regulowany zasilacz prądu stałego + R V I R U R μa D Rys. 1.6.1. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki diody prostowniczej w kierunku zaporowym Regulowany zasilacz prądu stałego + R V I R U R ma DZ Rys. 1.6.2. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki diody stabilizacyjnej w kierunku zaporowym 3.2.2. Przebieg ćwiczenia 1. Zestawić układy pomiarowe wg rysunków 1.6.1. i 1.6.2. (dwa stanowiska). 2. Dokonać pomiarów natężenia prądu I R [μa] oraz napięcia U R [V] dla diody prostowniczej D. 3. Dokonać pomiarów natężenia prądu I R [ma] oraz napięcia U R [V] dla diody stabilizacyjnej DZ. 4. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 1.2. Tabela 1.2 Kierunek zaporowy Dioda prostownicza Typ diody.. Dioda stabilizacyjna Typ diody.. Lp. 1. 2. 3. 4. 5. itd. I R U R I R U R μa V ma V

11 4. Opracowanie wyników pomiarów 1. Sporządzić na podstawie wyników pomiarowych (tabela 1.1. i 1.2.) wykresy charakterystyk diody prostowniczej i diody stabilizacyjnej (przy polaryzacji w obu kierunkach: przewodzenia i zaporowym). 2. Sporządzić półlogarytmiczną charakterystykę napięciowo-prądową diody prostowniczej w kierunku przewodzenia (tabela 1.1.). 3. Wyznaczyć parametry badanej diody prostowniczej (wartość natężenia zastępczego prądu nasycenia złącza I S oraz wartość współczynnika udziału składowej dyfuzyjnej do rekombinacyjnej n). 4. Wyznaczyć parametry badanej diody stabilizacyjnej (napięcie stabilizacji diody U Z oraz wartość rezystancji dynamicznej r Z ). 5. Podać uwagi dotyczące przebiegu ćwiczenia, otrzymanych wyników pomiarowych oraz dokonać oszacowania niepewności pomiarowych i błędów. 5. Sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Stronę tytułową (nazwę ćwiczenia, numer sekcji, nazwiska i imiona ćwiczących oraz datę wykonania ćwiczenia). 2. Symbole i dane katalogowe badanych elementów elektronicznych. 3. Schematy układów pomiarowych. 4. Tabele wyników pomiarowych ze wszystkich stanowisk. 5. Wykresy wyszczególnionych w punkcie 4. charakterystyk. 6. Wyszczególnione w punkcie 4. parametry badanych elementów elektronicznych. 7. Uwagi i wnioski (dotyczące przebiegu charakterystyk, ich odstępstw od przebiegów teoretycznych, wartości wyznaczonych parametrów, rozbieżności wyników pomiarów na różnych stanowiskach, oszacowania niepewności pomiarowej i błędów itp.).