Pracownia Elektryczna i Elektroniczna I

Ćw. 20 Badanie diod półprzewodnikowych

1

ĆWICZENIE 20

Badanie diod półprzewodnikowych

1.1. Trochę teorii

Dioda półprzewodnikowa jest elementem, którego podstawą jest:
 złącze dwóch półprzewodników o różnym typie półprzewodnictwa – złącze p-n,
 złącze metal – półprzewodnik – złącze m-p,
 złącze tych samych półprzewodników o różnej koncentracji domieszek – złącze l-h.

Ze względu na zastosowanie wyróżniamy diody: prostownicze, detekcyjne, impulsowe,

stabilizacyjne, pojemnościowe, generacyjne itp. Własności diody najlepiej opisuje jej
charakterystyka prądowo – napięciowa (rys.1.), która dla idealnego złącz ma postać:





























1

exp

kT

qU

I

I

sat

(1)

Rys. 1. Charakterystyka diody a) rzeczywista,

b) aproksymująca

F

F

TO

R

I

U

U







)

(

U

(TO)

– napięcie progowe,

R

F

– rezystancja diody w

kierunku przewodzenia

(2)

Diody stabilizacyjne (Zenera) mają odmienną charakterystykę w kierunku zaporowym

(rys. 2.)

Rys. 2. Charakterystyka prądowo – napięciowa diody

stabilizacyjnej (a) i jej schemat zastępczy (b)

Rezystancja dynamiczna:

Z

Z

Z

I

U

r







Rezystancja statyczna:

Z

Z

Z

I

U

R 

Współczynnik stabilizacji

Z

Z

r

R

S 

(3)

(4)

(5)

Pracownia Elektryczna i Elektroniczna I

Ćw. 20 Badanie diod półprzewodnikowych

2

1.2. Układ pomiarowy

Charakterystyki prądowo – napięciowe badanych diod półprzewodnikowych wyznaczamy

metodą techniczną. Układ z rys. 3a przeznaczony jest do wyznaczania charakterystyki w
kierunku przewodzenia. Dioda ma wtedy małą rezystancję R

S

a wtedy R

S

<< R

V

.

Charakterystyki w kierunku zaporowym mierzymy w układzie z rys. 3b, wtedy bowiem
rezystancja diody jest dużą i R

S

>> R

A

.

Rys.3. Schemat ideowy układu do pomiaru charakterystyki statycznej diod

a) w kierunku przewodzenia

b) w kierunku zaporowym

Tak jak w poprzednim ćwiczeniu (19) rezystor R jest rezystorem zabezpieczającym,

ograniczającym maksymalny prąd płynący przez diodę.

x

x

L

C

U 

(6)

R

L

C

I

y

y



(7)

Rys. 4. Schemat ideowy układu do obserwacji charakterystyki prądowo- napięciowej

Układ pomiarowy z rys. 4 umożliwia „automatyczne” wyznaczenie charakterystyki

prądowo - napięciowej. Źródło zasila układ dioda-rezystor prądem zmiennym małej
częstotliwości. Spadek napięcia na diodzie doprowadzany jest do wejścia X oscyloskopu, a
spadek napięcia na rezystorze R (proporcjonalny do prądu I) do wejścia -Y. Przy pokrętle
oscyloskopu TIME ustawionym w pozycji X-Y na ekranie otrzymujemy charakterystykę
prądowo - napięciową diody.

Pracownia Elektryczna i Elektroniczna I

Ćw. 20 Badanie diod półprzewodnikowych

3

2. Wykonanie ćwiczenia

WYKAZ PRZYRZĄDÓW:

1. Źródło napięcia stałego (i zmiennego),
2. Płytka potencjometru Rs,
3. Układ pomiarowy S4 ze zworą,
4. miernik uniwersalny UM110B

nr. …………………….

5. multimetr cyfrowy Sanwa PC510

nr. …………………….

6. Oscyloskop analogowy Goldstar serii OS-9020

nr.. ……………………

2.1. Wyznaczanie charakterystyk prądowo – napięciowych w kierunku
przewodzenia

 Zestaw układ pomiarowy wg rys.5 i wskazówek prowadzącego. U

Z

= +12V,

Rys.5. Schemat montażowy układu do pomiaru

charakterystyki prądowo – napięciowej w kierunku przewodzenia.

 jako woltomierz użyj multimetru cyfrowego 5, jako amperomierz miernika

uniwersalnego 4,

 zmierz charakterystyki poszczególnych diod wykonując połączenia:

 D1

germanowa

AAYP37

zewrzyj kołki 1 – 2,

 D2

krzemowa

1N4002

zewrzyj kołki 1 – 3,

 D3

krzemowa

1N6263

zewrzyj kołki 1 – 4;

 D4

krzemowa

BZX55C4V7 zewrzyj kołki 1 – 5.

 D6

LED

LL-304ID

zewrzyj kołki 1 – 7,

 D7

LED

LL-304BC

zewrzyj kołki 1 – 8.

 wyniki wpisz do tabel 1 – 6

Pracownia Elektryczna i Elektroniczna I

Ćw. 20 Badanie diod półprzewodnikowych

4

2.2.

Wyznaczanie charakterystyk prądowo – napięciowych w kierunku zaporowym

 Zestaw układ pomiarowy wg rys.6 i wskazówek prowadzącego. U

Z

= -12V,

Rys.6. Schemat montażowy układu do pomiaru

charakterystyki prądowo – napięciowej w kierunku zaporowym.

 Tak jak w poprzednim punkcie jako woltomierz użyj multimetru cyfrowego 5, a jako

amperomierz miernika uniwersalnego 4,

 zmierz charakterystyki poszczególnych diod wykonując połączenia:

 D1

germanowa

AAYP37

zewrzyj kołki 1 – 2,

 D2

krzemowa

1N4002

zewrzyj kołki 1 – 3,

 D3

krzemowa

1N6263

zewrzyj kołki 1 – 4;

 D4

krzemowa

BZX55C4V7 zewrzyj kołki 1 – 5.

 D6

LED

LL-304ID

zewrzyj kołki 1 – 7,

 D7

LED

LL-304BC

zewrzyj kołki 1 – 8.

 wyniki wpisz do tabel 7 – 12
 na podstawie wyników z tabel 1-12 wykreśl charakterystyki prądowo – napięciowe

I = f(U) dla badanych diod. Dla diody AAYP37 wykorzystaj dane z tabel 1 i 7 itd.

 oblicz napięcie progowe U

(TO)

oraz rezystancję diody w kierunku przewodzenia R

F

dla U = U

FMAX

/2,

 w podobny sposób wyznacz (tam gzie to możliwe) rezystancję statyczną diod R

Z

w kierunku zaporowym, dodatkowo dla diody stabilizacyjnej oblicz rezystancję
dynamiczną r

Z

.

 wyniki wpisz do tabeli 13.

Pracownia Elektryczna i Elektroniczna I

Ćw. 20 Badanie diod półprzewodnikowych

5

2.3. Obserwacja charakterystyk napięciowo - prądowych

 Zestaw układ pomiarowy wg rys.7 i wskazówek prowadzącego U

Z

=

 24V,

Rys.7 Schemat montażowy układu do obserwacji

charakterystyki prądowo - napięciowej.

 Zaobserwuj i przerysuj charakterystykę prądowo - napięciowe badanych diod.

PYTANIA KONTROLNE I ZAGADNIENIA DO OPRACOWANIA

1. Wyjaśnij – omawiając zjawiska fizyczne zachodzące w złączu PN, jego pracę jako

złącza prostującego.

2. Scharakteryzuj krótko poznane rodzaje diod półprzewodnikowych.
3. Narysuj im porównaj charakterystyki diody prostowniczej: charakterystykę

rzeczywistą i charakterystykę aproksymującą (do rozważań przybliżonych)

4. Omów właściwości, a więc charakterystyki i parametry diod prostowniczych.
5. Jakim przyrządem i w jaki sposób można najszybciej stwierdzić, że dioda

prostownicza jest uszkodzona lub dobra? Uzasadnij odpowiedź.

6. Porównaj diody prostownicze z diodami detekcyjnymi i diodami impulsowymi.
7. Wyjaśnij na podstawie zjawisk fizycznych przebieg charakterystyki prądowo –

napięciowej diody stabilizacyjnej (Zenera).

8. Omów właściwości – charakterystyki i parametry – diod stabilizacyjnych.
9. Co to są diody Schottky’ego? Jakie mają właściwości? Porównaj je z diodami

germanowymi i krzemowymi.

10. Co to są diody LED? Od czego zależy kolor świecenia tych diod i jaki to ma wpływ na

ich parametry?

11. Narysuj układy pomiarowe do badania podstawowych parametrów statycznych diod

półprzewodnikowych. Omów sposób wykonywania pomiarów w przedstawionym
przez Ciebie układzie pomiarowym.

12. Podaj przykłady zastosowania różnego rodzaju diod półprzewodnikowych.

Pracownia Elektryczna i Elektroniczna I

Ćw. 20 Badanie diod półprzewodnikowych

6

Protokół pomiarowy

Ocena

Nazwisko Imię.............................................................................

Klasa……………Data wykonania …………………………….

Wyk.

Kl.

Spr.

.....................................................................................

.....................................................................................

Nr i temat ćwiczenia

OK

KIERUNEK PRZEWODZENIA

Tabela 1

AAYP37

I

F MAX

=20 mA

U

V

0

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0.35

0,4

0,5

I

mA

Tabela 2

1N4002

I

F MAX

=0,2A

U

V

0

0,2

0,4

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

I

mA

Tabela 3

1N6263

I

F MAX

=20 mA

U

V

0

0,3

0,4

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,8

I

mA

Tabela 4

BZX55C4V7

I

F MAX

=10mA

U

V

0

0,4

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

I

mA

Tabela 5

LL-304ID

I

F MAX

=40mA

U

V

0

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

I

mA

Pracownia Elektryczna i Elektroniczna I

Ćw. 20 Badanie diod półprzewodnikowych

7

Tabela 6

LL-304BC

I

F MAX

=30mA

U

V

0

2,6

2,7

2,8

2,9

3

3,1

3,2

3,3

I

mA

KIERUNEK ZAPOROWY

Tabela 7

AAYP37

U

R Max

=25V

-U

V

0

1

2

4

6

8

10

12

14

-I

A

Tabela 8

1N4002

U

R MAX

=60V

-U

V

0

1

2

4

6

8

10

12

14

-I

A

Tabela 9

1N6263

U

RM MAX

=60V

-U

V

0

1

2

4

6

8

10

12

14

-I

A

Tabela 10

BZX55C4V7

I

Z Max

= 5mA

-I

mA 0,001 0.005 0,01 0,02 0,05 0,1

0,2 0,5

1

2

5

-U

V

Tabela 11

LL-304ID

U

RMAX

= 5V

-U

V

0

1

2

3

4

-I

A

Tabela 12

LL-304BC

U

RMAX

= 5V

-U

V

0

1

2

3

4

-I

A

Pracownia Elektryczna i Elektroniczna I

Ćw. 20 Badanie diod półprzewodnikowych

8

Tabela 13

Zestawienie obliczeń

Dioda

D1

D2

D3

D4

D6

D7

U

TO

V

R

F



R

Z

k

r

Z



-

-

-

-

-

OSCYLOGRAMY

Opis

S

x

= X-Y

CH1

CH2

S

y

= ……….

S

y

= ……….

Rodzaj sprzężenia:

…………

…………

Rodzaj wyzwalania – ………..

Źródło synchronizacji – ……..

Oscylogram 1. Pomiar

Opis

S

x

= X-Y

CH1

CH2

S

y

= ……….

S

y

= ……….

Rodzaj sprzężenia:

…………

…………

Rodzaj wyzwalania – ………..

Źródło synchronizacji – ……..

Oscylogram 2. Pomiar

Pracownia Elektryczna i Elektroniczna I

Ćw. 20 Badanie diod półprzewodnikowych

9

Opis

S

x

= X-Y

CH1

CH2

S

y

= ……….

S

y

= ……….

Rodzaj sprzężenia:

…………

…………

Rodzaj wyzwalania – ………..

Źródło synchronizacji – ……..

Oscylogram 3. Pomiar

Opis

S

x

= X-Y

CHX

CH2

S

y

= ……….

S

y

= ……….

Rodzaj sprzężenia:

…………

…………

Rodzaj wyzwalania – ………..

Źródło synchronizacji – ……..

Oscylogram 4. Pomiar

Opis

S

x

= X-Y

CH1

CH2

S

y

= ……….

S

y

= ……….

Rodzaj sprzężenia:

…………

…………

Rodzaj wyzwalania – ………..

Źródło synchronizacji – ……..

Oscylogram 5. Pomiar