dioda-semiconductoare-lab1

DCE I ndrumar de laborator Dioda semiconductoare

1

Lucrarea nr. 1

DIODA SEMICONDUCTOARE

I. Scopul lucrrii

II. Noiuni teoretice

III. Desfurarea lucrrii

IV. Tem de cas

V. Simulri

VI. Anex

Cuprins


2

Scopul lucrrii const n ridicarea caracteristicilor i determinarea principalilor parametri ai diodelor semiconductoare; studiul comportrii diodei semiconductoare n circuitele elementare.

Cuprins

1. Jonciunea pn reprezint o structur fizic realizat ntr-un monocristal care are

dou regiuni vecine, una de tip p i alta de tip n. Linia de demarcaie dintre cele dou regiuni se numete jonciune metalurgic. Marea majoritate a dispozitivelor semiconductoare conin una sau mai multe jonciuni. Cel mai simplu dispozitiv electronic, realizat cu o singur jonciune, este dioda semiconductoare.

Observaie: Nu trebuie fcut confuzia de echivalen ntre termenii jonciune pn i diod semiconductoare, pentru c dioda semiconductoare poate fi realizat i pe baza altor structuri fizice, cum ar fi contactul metal-semiconductor. n plus dioda semiconductoare reprezint un ansamblu tehnic care cuprinde, pe lng structura fizic care o definete, i alte structuri cum ar fi contactele ohmice, sistemele de prindere i de evacuare a cldurii (capsula), etc.

2. Caracteristica static teoretic a unei diode semiconductoare reprezint

caracteristica curent-tensiune, dedus prin analiza fenomenelor fizice dintr-o jonctiune pn ideal ce au loc atunci cnd din exterior la bornele ei, ntre anod i catod, este aplicat o tensiune, numit i tensiune de polarizare. Aceast caracteristic este aproximat de o lege de variaie (numit i ecuaia Shockley pentru dioda semiconductoare), dat de:

)1( 0 = kTqu

A

A

eII , (1.1)

unde: - 0I reprezint curentul de saturaie al diodei i este dat de expresia:

SNL

DNL

DqnI

An

n

Dp

pi )(2

0 += , (1.2) i este dependent de parametrii fizici i tehnologici ai jonciunii pn ( suprafaa jonciunii S, concentraia intrinsec de purttori in , coeficienii de difuzie pD , nD , lungimile de

difuzie pL , nL ale purttorilor de sarcin, precum i concentraiile de impuriti DN , AN ); - este un coeficient empiric (numit i coeficient de emisie), cu valori cuprinse ntre 1

i 2, cu valori mai apropiate de 1 pentru Ge, i mai apropiate de 2 pentru Si, i care rezult din considerarea efectului de recombinare din zona de sarcin spatial la tensiuni de polarizare directe mici (efect cu importan la diodele cu Si la temperatura camerei).

n funcie de suprafaa jonciunii pn, la rndul ei, dependent de curentul maxim pe care trebuie s-l accepte dioda n conducie direct, curentul de saturaie, 0I , are, la temperatura camerei, valori de ordinul de mrime, 110A, pentru diodele cu Ge respectiv 1100mA pentru diodele din Si.

La cureni direci de ordinul 110A (valori des ntlnite n practic) tensiunea direct pe diod este de 0.20.3V pentru diodele din Ge respectiv0.6-0.8V pentru diodele din Si.

I. Scopul lucrrii

II. Noiuni teoretice


3

3. Cele dou mrimi, 0I i , se determin prin reprezentarea ecuaiei diodei semiconductoare la scar semilogaritmic (ca n fig 1.2 unde pe abscis se reprezint tensiunea aplicat pentru conducie direct la scar liniar i pe vertical curentul pe dioda la scara logaritmic).

Panta dreptei astfel obinute permite deducerea coeficientului , cu relaia:

A

A

iu

kTq

lg3.21

= . (1.3)

Prin prelungirea aceleai drepte, la intersecia cu axa ordonatei se obine curentul de

saturaie 0I .

4. Dependena de temperatura a caracteristicii statice a unei diode semiconductoare este foarte puternic, nregistrndu-se o dublare a curentului de saturaie la fiecare 10C pentru diode din Ge respectiv la fiecare 6C pentru diodele din Si. Aceasta dependen poate fi pus n evidena i prin coeficientul de variaie a tensiunii directe de pe diod cu temperatura, la curent constant. Teoretic acest curent este de circa 2V/C, pentru ambele tipuri de material utilizate curent pentru realizarea diodelor semiconductoare. 5. La polarizare invers, conform ecuaiei teoretice 1.1, curentul este constant i egal cu 0I . Dar pentru tensiuni inverse aplicate diodei, regiunea de sarcin spaial se mrete i apare un curent de generare, dependent de tensiunea aplicat, cu valori relative importante pentru diodele din Si (n fig. 1.1 contribuia acestui curent la caracteristica diodei a fost reprezentat punctat). La tensiuni de polarizare invers mai mari, datorit fenomenului Zener, i fenomenului de multiplicare n avalan (predominant de obicei), curentul invers crete, valoarea lui fiind limitat numai de circuitul exterior. Tensiunile de strpugere, la care apare aceasta cretere a curentului, sunt dependente de natura materialului semiconductor din care este realizat dispozitivul, precum i de concentraiile de impuriti, fiind cu att mai mici cu ct concentraiile de impuriti sunt mai mari. Fenomenul Zener apare la jonciunile din semiconductoare puternic dopate cu impuriti, n cazul alimentrii cu tensiuni inverse. Chiar dac aceste tensiuni inverse sunt mici, n regiunea de trecere ia natere un cmp electric foarte puternic. Datorit acestui cmp,

iA(mA)

fig.1.2

1

10

100

I0 uA(V)0.2 0.4 0.6

lg iA

uA

fig.1.1

0.2 0.4 0.6

5

10

iA(mA)

uA(V)I0

15


4

asupra electronilor se exercit fore foarte mari care tind s-i scoatdin atracia nucleului, are loc ruperea legturilor covalente, rezultnd electroni i goluri disponibile pentru conducie. Multiplicarea prin avalan apare la jonciunile din semiconductoare cu concentraie mic de impuriti, deci regiune de trecere larg. Odat cu creterea tensiunii inverse, deci a cmpului electric electronul ctig energie astfel nct la o ciocnire cu un electron de valen acesta poate fi scos din legtur, generndu-se o pereche electron-gol. Prin ciocnire electronul incident i reduce viteza, ns datorit tensiunii aplicate electronul i particulele generate vor fi din nou accelerate.

6. La tensiuni directe mari caracteristica static tinde s se liniarizeze, datorit cderilor de tensiune pe zonele neutre ale jonciunii pn, care nu mai pot fi neglijabile.

7. n circuitele electronice, diodele semiconductoare pot ndeplini mai multe funciuni

(redresare, detecie, limitare, etc) n mai multe situaii fiind necesar stabilirea unui regim static de funcionare.

Pentru circuitul elementar din fig. 1.3 punctul static de funcionare se determin prin rezolvarea grafoanalitic a sistemului de ecuaii format din ecuaia caracteristicii statice a diodei (1.1) i ecuaia dreptei statice de funcionare:

AA RiEu = (1.4)

Punctul static de funcionare M are coordonatele M( AU , AI ), iar n acest punct de funcionare dioda este caracterizat din punct de vedere al semnalelor lent variabile (ce pot fi aplicate n serie cu tensiunea continu E) printr-o rezistent dinamic, pentru care se deduce relaia:

A

D qIkTr = . (1.5)

Rezistena dinamic Dr se determin experimental prin calculul pantei caracteristicii

statice, n punctul static de funcionare M conform relaiei:

MA

AD i

ur = . (1.6)

fig.1.3

R iA

+

_ D uAE

UA E

iA

IA

uA

E/R

fig. 1.4

M( , ) IA UA


5

8. Diodele stabilizatoare de tensiune(impropriu dar frecvent denumite diode Zener) sunt caracterizate printr-o tensiune de strpungere bine definit (datorit efectului de multiplicare n avalan care determin o cretere foarte puternic a curentului invers n zona de strpungere), controlat prin concentraiile de impuriti, funcionare normal a diodei fiind n aceast zon. Fig 1.5 , n care este reprezentat caracteristica static, att cea direct ct i cea invers, permite nelegerea noiunii de tensiune stabilizat, UZ, precum i determinarea rezistenei dinamice a diodei rz, conform relaiei:

ctIZ

Zz

ZIUr

== (1.7).

Cuprins

1. Identificarea montajului Se identific montajul din fig 1.6. Grupul de componente format din tranzistoarele T1,

T2, rezistenele R1, R2, R3, i poteniometrul P constituie o sursa de curent reglabil. Alimentat n curent continuu ntre bornele 3 (+5V) i 2 (mas), sursa furnizeaz la borna 7 un curent reglabil ntre 050mA, iar la borna 8 un curent de maximum 500mA, ambele nchizndu-se spre borna comun de mas (borna 2).

iA

uAUZ

IZM IZ

fig.1.5

III. Desfurarea lucrrii

3

9

4 5 6 10

P

2 7 8

T1

T2R1

R 2 R3 R

R

fig.1.6

1

D1 D2 D3


6

2. Caracteristicile statice Se ridic caracteristicile statice la polarizarea direct pentru diodele 1D - EFR 136

(diod redresoare din Ge) cu cureni cuprini ntre 0.5500 mA (borna 4 reprezint anodul), 2D - BA 243 (diod din Si, de uz general, de putere mic) cu cureni n domeniul 0.150 mA

(borna 5 este anodul) i 3D - BZX 85 C7V5 (diod stabilizatoare de tensiune) cu cureni n domeniul 0.120 mA (anodul este borna 6).

Ridicarea caracteristicilor directe se face cu montajul din fig. 1.7; curentul prin diod se msoar cu un miliampermetru, pe o scar corespunzatoare de cureni, iar tensiunea la bornele diodei cu un voltmetru electronic (de preferina voltmetru numeric). Curentul se va regla la valori pentru care se poate face o reprezentare comod la scar logaritmic adic multiplii i submultiplii zecimali ai numerelor 1,2 i 5 (ai cror logaritmi zecimali sunt, aproximativ, 0, 0.3 respectiv 0.7).

Pentru dioda EFR 136 se va folosi borna 8 a generatorului pentru cureni mai mari de 50 mA iar pentru celelalte cazuri se va folosi numai borna 7 a generatorului de curent.

Rezultatele msurtorilor se vor trece ntr-un tabel. Cu ajutorul unei aplicaii grafice din WORD, COREL sau EXCEL, sau manual pe

hrtie milimetric, i folosind rezultatele experimentale i simulate din tabelul de mai sus se vor reprezenta cele trei caracteristici la scar liniar, pe un acelai grafic, n domeniul de cureni comun diodelor. n mod asemntor se traseaz caracteristicile statice ale celor trei diode la scar semilogaritmic (ca n fig.1.2).

Aplicaie simulat de laborator: --n fiierul deschis prin link-ul de mai jos s se realizeze schema din fig.1.6 i se alimenteaz montajul la bornele corespunztoare; Atenie: La sfritul laboratorului se va terge coninutul fiierului deschis prin link;

Fisiere DS\DS-PRACTIC.EWB

Aplicaie simulat de laborator: --n fiierul deschis de link-ul de mai jos, avnd salvat aplicaia de la punctul 1, se realizeaz montajul din fig.1.7 pentru dioda D1. Se pornete noua aplicaie i se extrag valorile corespunztoare ale caracteristicii statice simulate. ; --se repet simularea i pentru celelalte dou diode; --rezultatele obinute prin simulare se trec n acelai tabel cu cele experimentale i se compar cu acestea;


fig.1.7

I D

mA + _

VN +

_


7

3. Dependena de temperatur La curentul mAI A 5= se nclzete (cu mna sau prin apropierea unui ciocan de lipit

nclzit) dioda BA 243 i se constat, calitativ, modificarea tensiunii directe pe diod. 4. Determinarea parametrilor 0I i Pe caracterisicile statice obinute la scar semilogaritmic, pentru fiecare din cele trei

diode, se determin parametrii 0I i procednd ca n fig. 1.2 i folosind formula (1.3). 5. Punctul static de funcionare Se va determina punctul static de funcionare M (prin precizarea coordonatelor sale,

AU i AI ) pentru dioda de Si prin trei metode: grafoanalitic, experimental i prin simulare. Metoda grafoanalitic presupune ca pe graficul corespunztor caracteristicii statice

experimentale, obinut la punctul 2, s trasm i dreapta static de funcionare dat de ecuaia 1.4 (pentru E = 5V i R = 820). Punctul M se va gsi la intersecia dintre dreapta static de funcionare cu caracteristica static direct.

Metoda experimental presupune realizarea circuitului din fig. 1.3, cu E = 5V i R=820. Pentru realizarea acestui circuit este suficient ca n montajul precedent s comutam legtura de la borna 7 a generatorului de curent la borna 9 a rezistenei R. Se msoar mrimile caracteristice punctului static de funcionare, AU (cu voltmetru numeric montat n paralel cu dioda) i AI (cu un miliampermetru montat n serie cu dioda) i se compar cu rezultatele obinute prin metoda grafoanalitic.

6. Rezistena dinamic Valoarea teoretic a rezistenei dinamice se obine cu ajutorul formulei 1.5 n care

mVq

kT 26= , are valoarea dedus la punctul 4 iar AI are valoarea dat de punctul static de funcionare.

Valoarea experimental a rezistenei dinamice se obine n punctul static de funcionare stabilit la punctul anterior pe graficul de la metoda grafoanalitic. Se va determina, grafic, rezistena dinamic cu ajutorul relaiei 1.6.

Se vor compara cele dou rezultate. 7. Caracteristica invers 7A. Cu montajul din fig. 1.8 se msoar curentul invers prin diodele EFR 136 i BA

243 la tensiunile E = 0V, -5V, -10V, -20V.

Aplicaie simulat de laborator: --se deschide link-ul de mai jos; --se realizeaz circuitul virtual asemntor cu cel de la metoda experimental ; --se pornete aplicaia i se citesc valorile corespunztoare AU i AI



8

7B. Se determin caracteristica invers a diodei stabilizatoare de tensiune cu montajul din fig. 1.9, pentru cureni ntre 0.1 mA i 20 mA. Pentru aceasta, generatorul de curent se alimenteaza cu +15V (la borna 3), bornele 7 i 1 se conecteaza mpreun printr-un miliampermetru iar tensiunea se msoar cu un voltmetru numeric (bornele 2 i 6 sunt i ele cuplate).

Se traseaz caracteristica invers a diodei stabilizatoare la scar liniar pe un grafic pe care se traseaz, spre comparaie i caracteristica direct. n punctul static de funcionare caracterizat prin

mAI Z 10= , se determin rezistena dinamic, msurnd tensiunea pe diod la curenii: mAI Z 5= i

mAIZ 15= .

Cuprins

Referatul va conine: schemele de principiu pentru ridicarea caracteristicilor directe i

inverse ale diodelor, tabelele cu rezultatele msurtorilor experimentale i simulate, graficele i determinrile fcute pe baza acestora, precum i compararea cu rezultatele teoretice.

Cuprins

Aplicaie simulat de laborator: --se deschide link-ul de mai jos;

--se realizeaz montajul din fig. 1.8 i pentru valorile specificate ale tensiunii E se msoar curentul invers prin dioda de Si aleas;


Aplicaie simulat de laborator: n fiierul deschis de link-ul de mai jos se realizeaz virtual montajul din fig. 1.9 i se determin caracteristica invers a diodei stabilizatoare aleas ; se compar reyultatele cu cele experimentale.


IV. Tem de cas

fig. 1.8

+

_

R

D

+ mA

E

fig. 1.9

DZ I

mA + _

VN +

_


9

Cuprins

Valorile rezistenelor de pe plcua din laborator sunt: R1 = 20K; R2 = 200; R3 = 2,2K; R = 0,82K; R=1K; P = 50 K.

Cuprins

V. Simulri

Aplicaia simulat pentru punctul 1.

Fisiere DS\DS-PCT1.EWB





Aplicaia simulat pentru punctul 7A.

Fisiere DS\DS-PCT7A.EWB

Aplicaia simulat pentru punctul 7B.

Fisiere DS\DS-PCT7B.EWB

VI. Anex

dioda-semiconductoare-lab1

Documents

Transcript of dioda-semiconductoare-lab1