Ćwiczenie nr 4 Charakterystyki I= f(u) złącza p-n.

Podobne dokumenty
Ćwiczenie nr 2 Charakterystyki I= f(u) złącza p-n.

Ćwiczenie 1 LABORATORIUM ELEKTRONIKI POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 123: Półprzewodnikowe złącze p-n

Ćwiczenie nr 123: Dioda półprzewodnikowa

Cel ćwiczenia. Podstawowe informacje. eu exp mkt ] 1 (1) I =I S[

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego nr 2

Ćwiczenie 2 LABORATORIUM ELEKTRONIKI POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Badanie diod półprzewodnikowych

DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE

Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych test kompetencji zagadnienia

BADANIE DIOD PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

IA. Fotodioda. Cel ćwiczenia: Pomiar charakterystyk prądowo - napięciowych fotodiody.

LABORATORIUM ELEKTRONIKI ĆWICZENIE 4 POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Pracownia Automatyki i Elektrotechniki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 1. Połączenia szeregowe oraz równoległe elementów RC

Badanie elementów składowych monolitycznych układów scalonych II

Ćw. III. Dioda Zenera

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

LABORATORIUM PODSTAW ELEKTRONIKI DIODY

Politechnika Białostocka

Półprzewodniki. złącza p n oraz m s

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE. Badanie tranzystorów unipolarnych typu JFET i MOSFET

IV. Wyznaczenie parametrów ogniwa słonecznego

Politechnika Białostocka

LABORATORIUM PODSTAW ELEKTRONIKI DIODA

ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Badanie tranzystorów MOSFET

Równanie Shockley a. Potencjał wbudowany

Badanie diod półprzewodnikowych

Badanie charakterystyki diody

Wykład V Złącze P-N 1

Politechnika Białostocka

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE. Wpływ oświetlenia na półprzewodnik oraz na złącze p-n

POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT FIZYKI. Temperaturowa zależność statycznych i dynamicznych charakterystyk złącza p-n

I. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

III. TRANZYSTOR BIPOLARNY

Tranzystory bipolarne. Małosygnałowe parametry tranzystorów.

Laboratorum 4 Dioda półprzewodnikowa

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

Elementy przełącznikowe

PRZEŁĄCZANIE DIOD I TRANZYSTORÓW

ĆWICZENIE LABORATORYJNE. TEMAT: Wyznaczanie parametrów diod i tranzystorów

BADANIE TRANZYSTORA BIPOLARNEGO

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa

ELEKTRONIKA ELM001551W

Budowa. Metoda wytwarzania

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

Ćwiczenie 10 Temat: Własności tranzystora. Podstawowe własności tranzystora Cel ćwiczenia

Politechnika Białostocka

Część 2. Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych

Dioda półprzewodnikowa

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych. Ćwiczenie 2

Stanowisko do badania zjawiska tłumienia światła w ośrodkach materialnych

3. ZŁĄCZE p-n 3.1. BUDOWA ZŁĄCZA

LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Laboratorium Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

Ćwiczenie - 3. Parametry i charakterystyki tranzystorów

Grupa: Zespół: wykonał: 1 Mariusz Kozakowski Data: 3/11/ B. Podpis prowadzącego:

Elementy i obwody nieliniowe

Ćwiczenie nr 34. Badanie elementów optoelektronicznych

Podstawy fizyki ciała stałego półprzewodniki domieszkowane

Zadania z podstaw elektroniki. Zadanie 1. Wyznaczyć pojemność wypadkową układu (C1=1nF, C2=2nF, C3=3nF):

Laboratorium elektroniki. Ćwiczenie E02IS. Diody. Wersja 2.0 (21 lutego 2018)

STABILIZATORY NAPIĘCIA STAŁEGO. 1. Wiadomości wstępne

ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Ćwiczenie nr 9. Pomiar rezystancji metodą porównawczą.

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA

. Diody, w których występuje przebicie Zenera, charakteryzują się małymi, poniŝej 5V, wartościami napięcia stabilizacji oraz ujemną wartością α

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego nr 4

Wykład VIII TRANZYSTOR BIPOLARNY

Uniwersytet Pedagogiczny

Ćwiczenie 4. Parametry statyczne tranzystorów polowych JFET i MOSFET

WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA Z POMIARU CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH DIOD ELEKTROLUMINESCENCYJNYCH. Irena Jankowska-Sumara, Magdalena Krupska

TRANZYSTORY BIPOLARNE

Laboratorium Metrologii

Ćwiczenie: "Właściwości wybranych elementów układów elektronicznych"

TRANZYSTOR UNIPOLARNY MOS

Ćwiczenie 3 LABORATORIUM ELEKTRONIKI POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

UNIWERSYTET SZCZECIŃSKI INSTYTUT FIZYKI ZAKŁAD FIZYKI CIAŁA STAŁEGO. Ćwiczenie laboratoryjne Nr.2. Elektroluminescencja

ELEMENTY ELEKTRONICZNE TS1C

3.4 Badanie charakterystyk tranzystora(e17)

Ćwiczenie 1. Sprawdzanie podstawowych praw w obwodach elektrycznych przy wymuszeniu stałym

Diody półprzewodnikowe

Ćwiczenie nr 65. Badanie wzmacniacza mocy

Ćwiczenie C1 Diody. Wydział Fizyki UW

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

Diody półprzewodnikowe

E12. Wyznaczanie parametrów użytkowych fotoogniwa

Metodę poprawnie mierzonego prądu powinno się stosować do pomiaru dużych rezystancji, tzn. wielokrotnie większych od rezystancji amperomierza: (4)

Diody półprzewodnikowe

CEL ĆWICZENIA: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zastosowaniem diod i wzmacniacza operacyjnego

SYMBOLE GRAFICZNE. Tyrystory. Struktura Charakterystyka Opis

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE

Złącze p-n powstaje wtedy, gdy w krysztale półprzewodnika wytworzone zostaną dwa obszary o odmiennym typie przewodnictwa p i n. Nośniki większościowe

Politechnika Białostocka

BADANIA MODELOWE OGNIW SŁONECZNYCH

Badanie własności diód krzemowej, germanowej, oraz diody Zenera

Złącze p-n: dioda. Przewodnictwo półprzewodników. Dioda: element nieliniowy

1 Źródła i detektory. I. Badanie charakterystyki spektralnej nietermicznych źródeł promieniowania elektromagnetycznego

Pomiar parametrów tranzystorów

LI OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP II Zadanie doświadczalne

Transkrypt:

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i otoniki Politechniki Wrocławskiej TUDA DZENNE LABORATORUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNKOWYCH Ćwiczenie nr 4 Charakterystyki = f(u) złącza p-n.. Zagadnienia do samodzielnego przygotowania - Budowa złącza p-n, rozkład koncentracji domieszek w złączu p-n. - Model pasmowy złącza p-n dla różnych polaryzacji. - Bariera dyfuzyjna w złączu p-n. - Charakterystyka -U oraz wzór hockleya interpretacja. - Zjawiska w rzeczywistym złączu p-n. - Model zastępczy rzeczywistego złącza p-n. - Wyznaczanie rezystancji szeregowej i rezystancji dynamicznej diody. - Porównanie diod wykonanych z różnych półprzewodników.. Program zajęć - Pomiar charakterystyk -U diod półprzewodnikowych. - Pomiar charakterystyk -U diod wykonanych z różnych półprzewodników. - Wyznaczenie charakterystycznych parametrów diody: rezystancji szeregowej - R s, prądu nasycenia złącza - s, współczynnika doskonałości n.. Literatura 1. Notatki z WYKŁADU. W. Marciniak, Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, Warszawa, 1987 3. A. Świt, J. Pułtorak, Przyrządy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa, 1990 Wykonując pomiary PRZETRZEGAJ przepisów BHP związanych z obsługą urządzeń elektrycznych.

1 Wiadomości wstępne 1.1 Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza p-n Typowe charakterystyki prądowo-napięciowe diod półprzewodnikowych przedstawiono na Rys.1 i. Rys. 1. Charakterystyka -U diody przy polaryzacji przewodzenia i zaporowej Rys.. Charakterystyki -U diody germanowej i krzemowej przy polaryzacji przewodzenia W ćwiczeniu zajmiemy się dokładniejszą analizą ich przebiegu oraz pomiarami wybranych parametrów diod. Natężenie prądu płynącego przez idealne złącze p-n w funkcji napięcia polaryzacji złącza definiuje wzór hockleya, opisujący dyfuzyjny mechanizm przepływu nośników prądu: gdzie: U U exp 1 czyli exp (1) kt kt Dnn p Dp pn stała, tzw. prąd nasycenia złącza () Ln Lp U napięcie polaryzacji złącza, kt/=6mv (w 300K) potencjał termiczny D p, D n stałe dyfuzji dziur i elektronów, L n, L p drogi dyfuzji elektronów i dziur, n p, p n koncentracje nośników mniejszościowych, powierzchnia przekroju złącza k = 8,6 10-5 ev/k stała Boltzmanna, T temperatura [K], =1,6 10-19 C ładunek elementarny W przypadku rzeczywistych złącz p-n (w diodach i tranzystorach) wartość przepływającego prądu zależy dodatkowo od: rezystancji szeregowej - R s zjawisk rekombinacyjno-generacyjnych w obszarze złącza zjawisk powierzchniowych Przy polaryzacji złącza rzeczywistego w kierunku przewodzenia oprócz prądu dyfuzyjnego należy uwzględnić prąd rekombinacji (związany z rekombinacją nośników prądu w obszarze ładunku przestrzennego) oraz szczególnie przy dużych wartościach prądu spadek napięcia, na rezystancji półprzewodnika poza obszarem ładunku przestrzennego i na innych elementach konstrukcyjnych diody (kontakt metal-półprzewodnik, doprowadzenia). Prąd rekombinacji rek zależy od koncentracji centrów rekombinacji w obszarze ładunku przestrzennego i może być przedstawiony w postaci: U rek exp 1 (3) kt gdzie jest analogicznym czynnikiem jak w zależności (1).

Prąd ten dodaje się do prądu dyfuzyjnego złącza p-n (ze wzoru hockley a). Wypadkowy prąd złącza w kierunku przewodzenia ( ang. forward ) daje się przedstawić za pomocą wzoru: U U rek exp 1 exp 1 (4) kt kt Wzór ten jest podstawą modelu dwu-diodowego złącza p-n, w którym złącze to modelowane jest przez dwie diody połączone równolegle, opisane charakterystykami = f(u) odpowiednio do składników równania (4). Po przekształceniu równania (4), prąd można obliczyć ze wzoru przybliżonego: U U exp 1 (5) i upraszczając dalej dla U>100mV: exp (6) nkt nkt Prąd jest stałą określającą zastępczy prąd nasycenia, a wartość współczynnika doskonałości złącza n zależy od udziału składowej dyfuzyjnej i rekombinacyjnej w prądzie płynącym przez złącze. Teoretycznie n powinno się zawierać między 1 (tylko prąd dyfuzji) i (tylko prąd rekombinacji). Współczynnik n tylko w nieznaczny sposób zmienia przebieg charakterystyki -U. Analiza efektu rezystancji szeregowej w diodzie rzeczywistej: Aby uwzględnić spadek napięcia na elementach diody poza obszarem ładunku przestrzennego zwykle wprowadza się pojęcie rezystancji szeregowej. Wiąże się to z założeniem, że ten spadek napięcia ( R ) jest proporcjonalny do prądu płynącego przez złącze. Tak więc najprostszy model diody słuszny dla prądu stałego w kierunku przewodzenia wygląda jak na Rys.3. - U- R R D Rys. 3. Model diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia U R + Dioda idealna D ma charakterystykę opisaną wzorem 5 lub 6, w którym zamiast napięcia U należy podstawić wartość (U- R ). Tak więc, wypadkowa charakterystyka diody rzeczywistej może być opisana wzorem: 3 U R exp 1 (7) nkt lub upraszczając dla większych wartości napięć polaryzacji, U>100mV: U R exp (8) nkt Jeśli charakterystykę (8) narysować w układzie współrzędnych, gdzie oś prądu ( ) ma skalę logarytmiczną, a oś napięcia (U) jest liniowa (układ współrzędnych log-lin), otrzymamy wykres = f(u), jak na rysunku 4. kala log, a nie ln, jest wygodniejsza, ponieważ oś rzędnych można wyskalować w wartościach zmieniających się o dekadę.

Charakterystyka diody rzeczywistej, uwzględniająca prąd dyfuzji i rekombinacji jest w tym układzie współrzędnych linią prostą, co wynika z charakteru równania (6). Odstępstwo charakterystyki od liniowości świadczy o istnieniu rezystancji szeregowej R,. Przecięcie liniowej części charakterystyki z osią prądową (dla U=0) pozwala wyznaczyć wartość. [A] 10-1 10 - U=R s 10-3 (U, ) 10-4 10-5 10-6 (U 1, 1 ) s (dla U=0) 10-7 10-8 0, 0,4 0,6 0,8 1,0 1, 1,4 U [V] Rys. 4. Charakterystyka prądowo-napięciowa =f(u) diody półprzewodnikowej w układzie współrzędnych log-lin przy polaryzacji w kierunku przewodzenia Z nachylenia prostoliniowej charakterystyki (Rys.4). można wyznaczyć współczynnik doskonałości złącza n. W tym celu korzystamy z układu dwóch równań: U1 exp 1 nkt (9) U exp nkt Po zlogarytmowaniu obu równań uzyskamy: ln ln 1 ln ln Po odjęciu równań (10) stronami: nkt nkt U 1 U ln ( U U1) nkt 1 W celu łatwiejszego wyznaczenia współczynnika n warto przeliczyć skalę ln na log. Wiadomo, że (log a = (log e) (ln a) = 0,434 ln a). Zatem log = 0,434 ln. (10) (11) 4

Po przekształceniach uzyskamy: 0,434 log 0,434 ( U U1) log ( U U1) (1) 1 nkt 1 0,06n Wstawiamy wartość kt/ równą 0,06V (dla temperatury pokojowej). Odczytując z prostoliniowego odcinka wykresu log = f(u) wartości 1,, (najlepiej różniące się o dekadę, wówczas lewa strona równania równa jest równa 1) i odpowiadające im wartości U 1 i U można ze wzoru (1) wyznaczyć wartość współczynnika n. Dla polaryzacji zaporowej złącza p-n, oprócz prądu s wynikającego ze wzoru (1), należy uwzględnić prąd generacji (prąd związany z generacją nośników w obszarze ładunku przestrzennego), prąd upływu oraz ewentualnie zjawisko przebicia. Rozpatrując wzór (1) lub (5) dla polaryzacji zaporowej zauważymy, że dla napięć U< - 0,1V całkowity prąd płynący przez złącze równy jest praktycznie prądowi nasycenia złącza. Jest to unoszenie nośników mniejszościowych w polu elektrycznym złącza. Prąd dyfuzyjny jest zablokowany. U 1 0,06n exp (9) Prąd generacji, gen zależy od szerokości obszaru ładunku przestrzennego i od koncentracji centrów generacyjno - rekombinacyjnych. W przeciwieństwie do prądu, który nie zależy od polaryzacji, wartość prądu generacji rośnie w miarę zwiększania napięcia na złączu spolaryzowanym w kierunku zaporowym. Dla złącz p-n wykonanych z materiału o średniej i dużej wartości przerwy zabronionej (krzem, arsenek galu) prąd generacji, gen dominuje i jest nawet o kilka rzędów większy od prądu nasycenia, s. Trzecia składowa prądu w kierunku zaporowym związana jest ze zjawiskiem upływu po powierzchni złącza i po defektach wewnątrz złącza. Ta składowa, leak ( leak ang. leakage upływ) zwykle jest proporcjonalna do przyłożonego napięcia i modelowana jest rezystancją równoległą złącza (rezystancją upływu). Podsumowując, prąd diody spolaryzowanej zaporowo (ale nie w zakresie przebicia), R ( R ang. reverse ) składa się z trzech składowych: R (10) gdzie: prąd nasycenia, gen prąd generacji, leak prąd upływu. gen Wartość prądu R rośnie więc nieznacznie ze wzrostem polaryzacji diody w kierunku zaporowym. leak Wykorzystywane metody pomiarowe.1 Metoda techniczna pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych Podstawową metodą wykorzystywaną do pomiaru charakterystyk prądowonapięciowych jest metoda techniczna. Polega ona na wykonaniu szeregu pomiarów prądów i napięć w kolejnych punktach charakterystyki, a następnie naniesieniu wyników tych pomiarów na wykres. Jako źródło zasilania układu pomiarowego używa się zasilacza laboratoryjnego z regulowanym napięciem wyjściowym, z możliwością ustawienia ograniczenia prądowego. chemat układu pomiarowego, stosowanego w tej metodzie, przedstawiono na rysunku 5. 5

100 ma Zasilacz napięciowy badany element? V Rys. 5 chemat układu pomiarowego przy pomiarze charakterystyki -U metodą techniczną Rezystor 100 ułatwia wymuszenie przepływu prądu o wymaganym natężeniu przez element badany, spełnia też rolę ogranicznika prądu w obwodzie co zmniejsza prawdopodobieństwo przypadkowych uszkodzeń wynikających z nieprawidłowo zestawionego układu pomiarowego. Uwaga: Należy obliczyć dopuszczalny prąd w obwodzie wynikający z nominalnej mocy rezystora, a także z maksymalnego prądu elementu badanego. Charakterystykę -U dla zakresów małych prądów (do 10mA) należy mierzyć przy użyciu zasilacza w trybie stabilizacji napięcia (CV-constant voltage), ustawiając wcześniej ograniczenie prądu zasilacza. Układ pomiarowy do pomiaru charakterystyki dla zakresu większych prądów 10 ma 0,5 max modyfikujemy (jak na rys.6) usuwając rezystor szeregowy, na którym występowałby duży spadek napięcia. Charakterystyki -U należy teraz mierzyć przy użyciu zasilacza pracującego w trybie ograniczenia prądowego (CC- constant current). Nie należy przekraczać 50% wartości prądu przewodzenia dopuszczalnego dla danej diody, ze względu na możliwość wydzielania dużej mocy w diodzie.. Metoda pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych z wykorzystaniem programu Rejestrator Program Rejestrator służy do obsługi układu pomiarowego z multimetrami komunikującymi się łączem R-3 z komputerem. Układ pomiarowy przedstawiony jest na Rys.6. ma Zasilacz R-3 badany element R-3 V Rys.6. chemat układu do pomiaru charakterystyki -U diody w kierunku przewodzenia za pomocą programu Rejestrator. Zapoznaj się z instrukcją dotyczącą użycia programu Rejestrator. 6

3 Pomiary Pomiar charakterystyk -U diod przy polaryzacji w kierunku przewodzenia Do pomiarów wybrać diody ze złączem p-n z półprzewodników: Ge, i, AlGaAs oraz krzemową diodę chottky ego, ewent. inne wskazane przez Prowadzącego. Odczytać z danych katalogowych maksymalny dopuszczalny prąd, max oraz napięcie charakterystyczne dla kierunku przewodzenia, U dla każdej diody. Odczytać także dopuszczalne napięcia diod dla polaryzacji w kierunku zaporowym, U Rmax. Dane zestawić w sprawozdaniu w formie tabeli. W czasie pomiarów nie przekraczać 70% wartości dopuszczalnego prądu przewodzenia dla danej diody, gdyż spowoduje to wzrost temperatury diody i zmianę przebiegu jej charakterystyki. Ustawić programowo ograniczenie prądu zasilacza. Charakterystykę -U w zakresie małych prądów (do 0mA) mierzyć przy użyciu multimetrów cyfrowych i zasilacza z zastosowaniem programu REJETRATOR jak przedstawiono na Rys.6 w punkcie.. Pomiary rozpocząć od diody o spodziewanym największym napięciu charakterystycznym U (napięciu kolana charakterystyki ). Wydrukować zestaw charakterystyk -U dla wszystkich mierzonych diod na jednym wykresie (wykres nr 1). Zmienić układ wykresu na lg() U i wydrukować (wykres nr ) charakterystyki w szerszym zakresie prądowym, tylko dla diody krzemowej p-n oraz diody chottky ego, w celu przeprowadzenia obliczeń parametrów diod (R,, n). 4 Opracowanie wyników Na wykresie nr 1 zaznaczyć spadek napięcia U na każdej diodzie dla prądu =10mA. Zestawić wyniki w tabeli 1. Tabela 1 Dioda, symbol: Materiał, złącze: Ge, p-n i, p-n AlGaAs, p-n i, chottky U [V] dla =10mA Przerwa zabron. W g [ev] 1,8 Wytłumaczyć występujące różnice wartości napięć charakterystycznych U. Na wykresie nr (log-lin) wyznaczyć (jak pokazano na rys. 4): - rezystancję szeregową diody, R, - wartość prądu nasycenia, - współczynnik doskonałości złącza, n Na wykresie nr 1 (lin-lin) wyznaczyć rezystancję dynamiczną r d dla =10 ma. 7