- 93 -
Ćwiczenie 16. Badanie diody półprzewodnikowej
i układów prostownikowych
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się studentów z podstawowym elementem elektronicznym, jakim
jest dioda półprzewodnikowa oraz z podstawowymi układami prostowniczymi.
16.1. Dioda półprzewodnikowa i złącze p-n
Podstawowym elementem elektronicznym wykorzystującym jedno złącze p-n jest dioda
półprzewodnikowa. Złącze p-n powstaje na styku warstw półprzewodnika typu p i n. Półprzewodnik
typu n powstaje przez domieszkowanie półprzewodnika (najczęściej krzemu) pierwiastkiem o pięciu
elektronach walencyjnych (np. fosfor, arsen, antymon). Są to tzw. domieszki donorowe. W
półprzewodniku typu n zastąpienie jednego atomu krzemu przez atom domieszki powoduje, że jeden
elektron domieszki po dostarczeniu niewielkiej energii staje się elektronem swobodnie poruszającym
się w przestrzeni domieszkowanego kryształu. Półprzewodnik typu p powstaje przez domieszkowanie
półprzewodnika pierwiastkiem o trzech elektronach walencyjnych (np. bor, aluminium, gal). Są to
tzw. domieszki akceptorowe. Tego rodzaju domieszka powoduje, że wskutek braku elektronu (jedno z
wiązań jest „niekompletne”) powstaje tzw. dziura. Po dostarczeniu niewielkiej energii dziura może
zostać zapełniona przez dowolny elektron walencyjny sąsiedniego atomu. W ten sposób dziura może
przemieszczać się w krysztale półprzewodnika. W półprzewodniku typu n istnieje nadmiar elektronów
swobodnych (są one tzw. nośnikiem większościowym prądu). Analogicznie w półprzewodniku typu p
nośnikiem większościowym prądu są dziury. Należy wspomnieć, że w półprzewodniku typu n istnieje
pewna niewielka liczba dziur (są one w tym przypadku nośnikiem mniejszościowym). Podobnie w
półprzewodniku typu p nośnikiem mniejszościowym jest niewielka liczba elektronów swobodnych.
Istnienie nośników mniejszościowych wynika z przewodnictwa samoistnego półprzewodnika (tj.
przewodnictwa chemicznie czystego półprzewodnika).
Schemat złącza p-n przedstawiono na rys. 16.1. Na rys. 1 kropkami oznaczono elektrony swobodne,
a kółkami dziury (tzn. nośniki większościowe w odpowiednich obszarach półprzewodnika.
p
n
∆V
0
Rys. 16.1. Złącze p-n
Ponieważ koncentracja elektronów swobodnych jest znacznie większa w obszarze n niż ich
koncentracja w obszarze p, a koncentracja dziur jest znacznie większa w obszarze p niż ich
koncentracja w obszarze n to w chwili powstania złącza p-n elektrony zaczynają dyfundować z
obszaru n do obszaru p, a dziury z obszaru p do obszaru n. Po przejściu przez złącze ładunki
większościowe ulegają rekombinacji i w ten sposób po obu stronach granicy między obszarami
powstają ładunki objętościowe. W obszarze n powstaje ładunek dodatni (niedomiar elektronów), a w
obszarze p ładunek ujemny (niedomiar dziur). Powstała w ten sposób na złączu różnica potencjałów
hamuje ruch nośników większościowych. W stanie równowagi wypadkowe strumienie elektronów i
dziur (obejmujące zarówno ruch nośników większościowych jak i mniejszościowych) są równe zeru.
- 94 -
Jeżeli do złącza p-n przyłożone zostanie napięcie w taki sposób, że potencjał dodatni będzie
występował na warstwie p, a potencjał ujemny na warstwie n to zewnętrzne pole elektryczne obniży
barierę potencjałów i nastąpi ruch nośników większościowych w kierunku warstwy zaporowej. Prąd
ten może przyjmować znaczne wartości przy niewielkim spadku napięcia na złączu p-n. Jest to
kierunek przewodzenia złącza p-n. W przypadku przeciwnej polaryzacji napięcia zewnętrznego
zwiększa się wysokość bariery potencjału i następuje odprowadzanie nośników ze strefy złącza p-n.
Przez złącze popłynie wówczas niewielki prąd nośników mniejszościowych. Jest to kierunek
zaporowy złącza p-n.
Charakterystykę prądowo-napięciową złącza p-n (a tym samym charakterystykę diody)
przedstawiono na rys. 16.2.
I
U
U
z
Rys. 16.2. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody półprzewodnikowej
Diody półprzewodnikowe odznaczają się małym spodkiem napięcia w kierunku przewodzenia. Dla
diod krzemowych wynosi on zwykle 0,6 – 1,4 V. Natomiast dla kierunku zaporowego w diodzie
płynie niewielki prąd wsteczny (ok. kilku mikroamperów), który gwałtownie wzrasta po
przekroczeniu tzw. napięcia przebicia U
z
.
Podstawowym rodzajem diody jest dioda prostownicza (wykorzystywana. do budowy układów
prostowniczych). Inne często stosowane diody to: dioda Zenera (do budowy stabilizatorów), dioda
elektroluminescencyjna (LED) lub fotodioda. Wybrane symbole jakimi oznacza się diody na
schematach przedstawiono na rys. 16.3.
a)
b)
d)
c)
Rys. 16.3. Symbole diod: a) prostowniczej, b) Zenera, c) elektroluminescencyjnej, d) fotodiody
- 95 -
16.2. Prostowniki
Prostownik jest to układ umożliwiający przepływ prądu jednokierunkowego przez odbiornik w
sytuacji gdy źródło wytwarza napięcie przemienne. Najprostszym prostownikiem jest prostownik
jednopołówkowy, wykorzystujący jedną diodę prostowniczą. Schemat takiego prostownika wraz z
przebiegami prądu odbiornika i napięcia źródła przedstawiono na rys. 16.4.
a)
u(t)
R
0
i(t)
b)
i(t)
t
u(t)
t
Rys. 16.4. Prostownik jednopołówkowy: a) schemat ideowy, b) przebiegi napięcia źródła i prądu
odbiornika
Przy prostowaniu jednopołówkowym prąd w odbiorniku płynie tylko przez połowę okresu napięcia
zasilającego. Dla wielu zastosowań może to być niekorzystne. Nadto jego wartość średnia jest
niewielka w stosunku do wartości skutecznej napięcia źródła (przy danym odbiorniku). Lepsze efekty
daje prostowanie dwupołowkowe, w którym prąd popłynie w całym okresie napięcia zasilajacego.
Schematy ideowe prostowników dwupołowkowych wraz z przebiegiem prądu odbiornika
przedstawiono na rys. 16.5.
W wielu zastosowaniach przez odbiornik powinna płynąć tylko składowa stała. W takich
przypadkach należy zastosować filtr wygładzający. Najprostszym rodzajem filtru jest kondensator
połączony równolegle z prostownikiem. Schemat ideowy prostownika dwupołówkowego z prostym
filtrem wygładzającym przedstawiono na rys. 16.6.
W przypadku rozwiązania przedstawionego na rys. 16.6 część harmonicznych prądu płynie
przez kondensator. Dzięki temu przez odbiornik płynie prąd praktycznie stały o niewielkiej jedynie
zawartości harmonicznych (ich wartość zależy od doboru kondensatora C).
- 96 -
R
0
i(t)=i
a
(t)+i
b
(t)
D1
R
0
D1
D3
D4
D2
i
b
(t)
u(t)
i
a
(t)
D2
i(t)=i
a
(t)+i
b
(t)
i
a
(t)
i
b
(t)
i
a
(t)
i
b
(t)
u(t)
a)
b)
c)
i(t)
t
Rys. 16.5. Prostowniki dwupołówkowe: a) konwencjonalny (z dzielonym źródłem),
b) mostkowy (układ Graetza), c) przebieg prądu odbiornika
i(t)=i
a
(t)+i
b
(t)
R
0
D1
D3
D4
D2
u(t)
i
a
(t)
i
b
(t)
i
a
(t)
i
b
(t)
C
Rys. 16.6. Schemat ideowy prostownika dwupołówkowego z prostym filtrem wygładzającym.
16.3. Ćwiczenia laboratoryjne
16.3.1. Zdejmowanie charakterystyki diody w kierunku przewodzenia
1. Połącz układ według schematu z rys. 16.3.1.
2. Zdejmij charakterystykę
)
U
(
f
I
=
I = f(U) diody dla kierunku przewodzenia. Zwracaj uwagę aby
nie przekraczać wartości prądu podanej przez prowadzącego ćwiczenia.
Wyniki zanotuj w tabeli 16.1.
Tabela 16.1
Lp.
U
I
---
V
mA
- 97 -
R
D
ZS
+
V
el
mA
I
Rys. 16.3.1 Schemat układu do wyznaczania charakterystyki diody w kierunku przewodzenia.
ZS – zasilacz, V
el
– woltomierz elektroniczny, R – rezystor dekadowy, mA - miliamperomierz
16.3.2. Dioda jako prostownik jednopołówkowy
1. Połącz układ według rys. 16.3.2.
mA
At.
transformator
separacyjny
V
el
C
R
oscyloskop
Rys. 16.3.2. Schemat układu prostownika jednopołówkowego. At – autotransformator,
V
el
– woltomierz elektroniczny, R – rezystor dekadowy, C – kondensator dekadowy
mA – miliamperomierz (magnetoelektryczny)
2. Zmieniaj wartość pojemności C w zakresie podanym przez prowadzącego ćwiczenie. Zanotuj
wskazania przyrządów w tabeli 16.2. Zanotuj też amplitudę i okres przebiegu prądu obserwowanego
na ekranie oscyloskopu.
Tabela 16.2
Lp.
C
I
U
---
µF
mA
V
16.3.3. Prostownik dwupołówkowy w układzie mostkowym (Graetza)
1. Połącz układ według rys. 16.3.
2. Zmieniaj wartość pojemności C w zakresie podanym przez prowadzącego ćwiczenie. Zanotuj
wskazania przyrządów w tabeli 2. Zanotuj też amplitudę i okres przebiegu prądu obserwowanego na
ekranie oscyloskopu.
- 98 -
D1
D3
D4
D2
mA
At.
transformator
separacyjny
V
el
C
R
oscyloskop
Rys. 16.3. Schemat układu prostownika dwupołówkowego. At – autotransformator,
V
el
– woltomierz elektroniczny, R – rezystor dekadowy, C – kondensator dekadowy
mA – miliamperomierz (magnetoelektryczny)