Úvod

Report
V-A charakteristiky polovodičových diod
Činnost je založena na vlastnostech přechodu P- N
nebo přechodu kov- polovodič (Schottkyho dioda).
Anoda
P
N
D
Katoda
Základní vlastností diody je
vedení elektrického proudu pouze jedním směrem (IF).
Zapojení diody
propustném směru
Zapojení diody
v závěrném směru
UF - napětí na diodě v propustném směru
IF - proud diodou v propustném směru
+
UR - napětí na diodě v závěrném směru
IR - proud diodou v závěrném směru
IR
IF
+
U1
UF
U1
D
UR
D
-
-
1
V-A charakteristiky polovodičových diod
Základní informace o vlastnostech
polovodičové diody poskytuje její
voltampérová charakteristika.
I [μA]
Závislost proudu na napětí je
u polovodičových diod
nelineární – exponenciální.
U [μV]
Je dána Shockleyho rovnicí
ideální diody:
I  I 0 .(e
U
m.U T
 1)
UT - teplotní napětí, které je rovno kT/q,
k
q
T
U
I
I0
(pro 300K je přibližně 26 mV)
- Boltzmanova konstanta (1,38.10– 23 JK-1s-1),
- náboj elektronu (1,602.10-12C),
- absolutní teplota [K]
- napětí na přechodu PN [V]
- proud procházející přechodem [A]
- saturační proud (pro Si 10-15 – 10-9 A,
pro Ge 10-8 – 10-2 A
m - multiplikační činitel (není-li uveden,
předpokládá se m=1, pro Si m=2)
Saturační proud Io závisí na:
- koncentraci příměsí NA, ND,
- ploše přechodu A,
- na teplotě T (jednak přímo a exponenciálně přes
vlastní koncentraci ni),
- na době života minoritních nosičů  n a  p .
2
V-A charakteristiky polovodičových diod - měření
Měření V-A charakteristiky diody
v propustném směru
IF
R0
+
U1
Pomocí napětí U1 se
postupně nastavují
mA
V
UF
D
-
napětí UF podle
hodnot z oblastí
vyznačených na
charakteristice,
a odečítají se
proudy IF
protékající
diodou.
R0 – ochranný rezistor – zajišťuje, aby
při malé změně vstupního napětí U1
nedošlo k prudké změně proudu diodou
(omezuje
proud).
Umožňuje
také
jemnější nastavování napětí U1. Jeho
velikost se volí taková, aby při
maximálním vstupním napětí proud
diodou nepřekročil Maximální dovolený
proud IFM.
Pro zapojení se uplatňují stejná pravidla,
jako při měření malých a velkých odporů.
Dioda má:
- v propustném směru malý odpor (101 Ω),
3
- v závěrném směru velký odpor (106 Ω)
V-A charakteristiky polovodičových diod - měření
Měření V-A charakteristiky diody
v závěrném směru
IR
R0
+
U1
mA
D
V
UR
V závěrné oblasti charakteristiky budou
protékající proudy IR, ve srovnání s
propustným směrem, velmi malé. Pro
různé typy diod se mohou i značně lišit.
-
Proudy v záv. směru Si diody a
LED budou běžnými přístroji
(multimetr) téměř neměřitelné
(řádově 10-10).
Vyšší hodnoty mohou být
naměřeny u Schottkyho diody
(až stovky nA) a zvláště pak u
Ge diody (μA).
4
V-A charakteristiky polovodičových diod
typické průběhy
5
V-A charakteristiky polovodičových diod
Přehled parametrů běžně používaných diod :
Germaniová dioda:
 rychlé spínání (velká pohyblivost nosičů μ),
 malé prahové napětí (0,3 V až 0,5 V),
 malé závěrné napětí, nízká mezní teplota (75°C),
 poměrně velké závěrné proudy (v důsledku velkého ni), a tím značná
teplotní závislost.
Křemíková dioda:
 poměrně pomalé spínání (malá pohyblivost μ !!),
 velké prahové napětí (0,5 V až 1,1 V),
 vysoké závěrné napětí,
 vysoká mezní teplota (150°C),
 malé závěrné proudy (vlivem poměrně malého ni), a tím malá teplotní
závislost.
6
V-A charakteristiky polovodičových diod
Přehled parametrů běžně používaných diod :
Schottkyho bariérová dioda:
 Obsahuje kovový kontakt na polovodiči N (nejčastěji Si nebo GaAs),
čímž vzniká závěrná vrstva takového druhu, že při pólování v přímém
směru prochází proud (pouze elektronů) z oblasti N do kovu - jde o
proud v jednom směru (unipolárni).
 Vlastnosti:
 malý úbytek napětí v propustném směru (menší než 0,5 V),
 neuplatňují se minoritní nosiče náboje, proud je přenášen pouze nosiči
majoritními, diody dosahují vysokých rychlostí vypínání a zapínání
(kmitočet až 1 MHz),
 protože se při průchodu proudu nehromadí minoritní nosiče, projevuje
se pouze nepatrný kapacitní efekt, a může tak tato dioda při změně
polarity signálu z přímého do zpětného směru tuto změnu sledovat
rychleji než běžný typ s přechodem PN,
 ve srovnání s diodami s PN přechodem mají větší závěrný proud, který
je výrazněji závislý na teplotě.
7
8
Dioda jako usměrňovač
Sériový usměrňovač
IF
D
IZ
G
u1
RZ
u2
C
(U0)
Oscil.
Osc.
ChA, AC
ChB, DC
Vstupní napětí
u
 u (t)  U sin  t
1
1
1
Střední hodnota napětí
T
1
U0 
u ( t ) dt

T 0
%
U0

 100
U1
Střední hodnotu U0 měří analogové i digitální měřicí přístroje na ss rozsahu.
9
Dioda jako usměrňovač
Sériový usměrňovač
IF
RZ=10 kΩ, C=0 µF
D
IZ
G
u1
RZ
u2
C
(U0)
Oscil.
Osc.
ChA, AC
ChB, DC
RZ=10kΩ, C=1µF
RZ=10 kΩ, C=50 µF
10
Dioda jako usměrňovač
Při přechodu diody ze stavu propustného do závěrného se projevuje určitá setrvačnost nosičů náboje.
To se projeví zvýšením závěrného proudu po určitou dobu. Této době říkáme závěrná zotavovací
doba diody. Obecně mluvíme o komutaci diody.
Komutační špička je nebezpečná v obvodech s indukčností, protože se na ní může naindukovat
velké napětí.
Po skončení vlivu komutace prochází diodou ustálený závěrný proud.
Důležitým parametrem spínacích diod je zotavovací doba trr (doba, za kterou závěrný proud diody
poklesne na desetinu své maximální hodnoty), která má být co nejmenší.
Výrobce proto udává přiměřenou hodnotu kmitočtu, kdy je dioda efektivní. Této hodnotě říkáme mezní
kmitočet diody. Ten zpravidla bývá uveden v katalogu. Diody s vysokým mezním kmitočtem
nazýváme rychlé.
11
Dioda jako usměrňovač
Sériový usměrňovač
Vedení proudu se v Schottkyho diodě účastní pouze majoritní nositelé a při difúzi se na
okrajích hradlové vrstvy neakumulují minoritní nositelé, proto je doba mezi vznikem a
zánikem hradlové vrstvy značně menší. Z tohoto důvodu se mohou Schottkyho diody
využít při usměrňování vyšších frekvencí.
U diody s PN přechodem může být doba zotavení v řádu stovek nanosekund a
méně než 100 ns pro rychlé diody,
Schottky diody téměř nemají zotavovací dobu. Čas přepínání je ~ 100 ps pro malé
signálové diody (Parazitní indukčnosti).
12
Dioda jako usměrňovač
Paralelní usměrňovač
Obr. 4.3: Paralelní usměrňovač a průběhy napětí
Postup měření:
1) Zapojte diodu jako paralelní usměrňovač podle obr. 2.
2) Zakreslete průběhy z obrazovky pro kmitočet 100Hz, 1kHz, 50kHz.
3) Průběhy okótujte a při kmitočtu 100Hz odečtěte hodnotu prahového napětí U P .
4) Z průběhů určete pro kmitočty podle bodu 2 fázové posuny výstupního napětí vzhledem
vstupnímu napětí.
5) (V případě, že by se, vzhledem parametrům diody, fázový posun neprojevil, zvyšujte kmitočet,
až uvedený jev nastane).
13
Dioda jako usměrňovač
14
Určení bariérové kapacity diody
Pro měření je vhodné použít
stabilizační
diodu,
která
vykazuje poměrně velkou
bariérovou kapacitu.
Uz
UR
Určíme její stabilizační napětí
Uz.
u1
u2 
* Z2 
Z1  Z 2

Z2 
u2
1


jC 2 jC1 (u 1  u 2 )
u2
*Z1 
u1  u 2
u  u2 
C2  C1  1
  CB
 u 2  15
IR
16
17
18

similar documents