background image

POLITECHNIKA RZESZOWSKA  2012-03-01  Katedra Podstaw Elektroniki 

 

1

 

DIODY cz.1 

(prostownicze, Schottky'ego, LED) 

 

Celem ćwiczenia jest pomiar charakterystyk prądowo-napięciowych podstawowych rodzajów 

diod półprzewodnikowych i wyznaczenie ich wybranych parametrów oraz badanie właściwości 
prostowników półokresowych. 

 

A) Zadania do samodzielnego opracowania przed zajęciami: 

 

  zapoznać się z teoretycznymi podstawami działania diod półprzewodnikowych, 

  zapoznać się z danymi  katalogowymi badanych diod np.: 

http://www.datasheetcatalog.org 
www.elenota.pl 
http://unitrel.pl/index.php?go=2&tech=1&id=10&find=0&folder=dane/diody&wyb=diody 

 
  opracować schematy pomiarowe i wstępne formy protokołu, 
  zaprojektować układ do badania prostownika półokresowego (jednopołówkowego). 

 

B) Pomiary 

 

Uwagi  wstępne: 
 

  Przed przystąpieniem do pomiarów ustalić i uzgodnić z prowadzącym dopuszczalne zakresy 

pomiaru charakterystyk poszczególnych diod.  

  Bezwzględnie przestrzegać bezpiecznych warunków pomiarów uwzględniając parametry 

dopuszczalne diod w obu kierunkach. 

  Pamiętać o właściwym doborze układów: poprawnie mierzonego napięcia lub poprawnie 

mierzonego prądu w zależności od kierunku pracy diody. 

  Każda z mierzonych charakterystyk  powinna zawierać co najmniej 10 punktów 

pomiarowych. Pomiary wykonać w możliwie dużym, ale bezpiecznym zakresie zmian 
prądów i napięć. 

 

1.  Zmierzyć charakterystyki I

F

=f(U

F

) dla diody prostowniczej (krzemowej i germanowej), 

Schottky'ego oraz kilku diod LED o różnej barwie świecenia (rys. 1). Pomiarów dokonać w co 
najmniej dziesięciu punktach pomiarowych powyżej doświadczalnie wyznaczonego napięcia 
progowego. 

2. 

Zmierzyć charakterystyki I

R

=f(U

R

) dla diod z pkt.1.

 

3. 

Wykorzystując uniwersalna płytkę pomiarową zbudować prostownik półokresowy. Jako źródło 
napięcia zmiennego zastosować generator funkcyjny, a rezystor dekadowy jako obciążenie. 
Wyznaczyć i dobrać bezpieczne wartości napięcia zasilania i rezystancji obciążenia. 
REZYSTANCJA OBCIĄŻENIA NIE MOŻE BYĆ MNIEJSZA OD 50 Ω!!

 

4. 

Za pomocą oscyloskopu dokonać obserwacji i pomiaru przebiegów napięć i prądów w 
prostowniku półokresowym z obciążeniem rezystancyjnym dla różnych diod prostowniczych. 

 

5.  Za pomocą oscyloskopu dwukanałowego dokonać obserwacji i pomiaru przebiegów napięcia 

wejściowego i prądu (uzasadnić jak tego dokonać) w prostowniku półokresowym z wybraną 
dioda prostowniczą i obciążeniem rezystancyjnym. Pomiarów dokonać dla pięciu wartości 
napięcia U

we

 (f=const, R

obc

=const). Woltomierzem napięcia zmiennego dokonać pomiaru 

napięcia na rezystorze. Na tej podstawie wyliczyć wartość prądu. 

6.  Przy jakiej częstotliwości zaczyna być widoczny wpływ pojemności diody. 
7.  Pomiary z pkt. 5.  i 6 powtórzyć dla innych diod półprzewodnikowych dla tych samych trzech 

wartości napięcia U

we

 co poprzednio. 

 

background image

POLITECHNIKA RZESZOWSKA  2012-03-01  Katedra Podstaw Elektroniki 

 

2

 

 

A

V

A

 

 

Zasilacz 

stabilizowany 

Badana dioda

Rezystor 

dekadowy

 

 

Rys. 1. Proponowany układ pomiarowy do badania diod w kierunku przewodzenia lub zaporowym. W 
zależności od kierunku pracy diody zastosować układ poprawnie mierzonego prądu lub napięcia. Rezystor 
dekadowy należy zastosować w uzasadnionych przypadkach. 

 
 
 
 

C)

 

Opracowanie i analiza wyników 

 

1.  Narysować zmierzone charakterystyki diod w kierunku przewodzenia na jednym wykresie. 

Punkty pomiarowe powinny być uwidocznione na charakterystykach. Charakterystyki 
narysować w liniowej i logarytmicznej skali dla prądu.

 

2.  Jak się definiuje i jakie są sposoby doświadczalnego wyznaczania napięcia progowego. Jakie 

zasady stosują producenci?

 

3.  Wyznaczyć napięcie progowe U

dla badanych diod. Jakie istnieją prawidłowości?

 

4.  Jaka relacja występuje pomiędzy napięciem progowym, a barwą świecenia diod LED? Jakie są 

uzasadnienia teoretyczne?

 

5.  Dla wszystkich badanych diod wyznaczyć: rezystancję szeregową  R

S

, prąd nasycenia I

0

 oraz 

współczynnik złącza 

 dla wybranego punktu pracy.

 

Wyznaczenie tych trzech wielkości możliwe jest na podstawie wykresu I(U) w skali logarytmiczno (I) 
liniowej  (U). W przypadku idealnego złącza (R

S

 = 0), taki wykres byłby zbliżony do prostej. 

Rezystancja szeregowa diody powoduje odchylenie wykresu od linii prostej. Dla dużych napięć tj. dla 
exp(U/U

T

)

1 wpływ rezystancji R

S

 jest najbardziej widoczny. Dla tego zakresu można przyjąć: 





 

T

S

U

IR

U

I

I

exp

0

Wartość I

0

 można wyznaczyć przez znalezienie punktu przecięcia ekstrapolowanego wykresu z osią 

prądu, zaś 

 będzie nachyleniem ekstrapolowanej charakterystyki. Odległość (w kierunku poziomym 

dla dużych prądów) wykresu rzeczywistej charakterystyki od aproksymowanej linią prostą 
charakterystyki dla zakresu średnich prądów (charakterystyki dla R

S

 = 0),  jest  napięciem  U

S

 na 

rezystancji szeregowej. Wykreślając napięcie U

S

 w funkcji prądu diody I

F

 dla zakresu dużych prądów i 

aproksymując punkty pomiarowe funkcją liniową, można wyznaczyć  R

S

 jako nachylenie 

aproksymującej funkcji. Przy dokładnych pomiarach można zauważyć, iż współczynnik 

 zależy od 

prądu diody tj. dla złącza krzemowego dla małych prądów (prąd rekombinacji) 

=2, dla średnich 

prądów (prąd dyfuzji 

=1, dla dużych prądów (duży poziom wstrzykiwania) 

=2. Należy wyznaczyć 

współczynnik złącza i odpowiednie prądy „zerowe” dla każdego z zakresów prądu I

F

6.  Dla trzech wartości prądu I

F

 dla każdej z diod, wyznaczyć rezystancję statyczną i różniczkową 

r

r

 

 U

F

/

I

F

, gdzie 

U

F

 i 

I

F

 to odpowiednio małe przyrosty napięcia i prądu. Na podstawie 

przybliżonego wzoru teoretycznego obliczyć  r

r

 

 U

T

/I

F

 dla tych samych prądów co 

poprzednio. Wartość 

 dobrać w zależności od zakresu prądu. Porównać uzyskane wyniki. 

Zaproponować optymalny (uśredniony) schemat zastępczy w kierunku przewodzenia. 

7.  Zmierzone charakterystyki diod w kierunku zaporowym narysować na jednym wykresie. 
8.  Porównać obliczone parametry diod z danymi katalogowymi. 
9.  Jakie są stosowane prawidłowości i zasady oznaczania diod półprzewodnikowych przez 

czołowych producentów. 

10.  Jakie są aktualne główne osiągnięcia i kierunki rozwoju technologii diod LED (uwzględnić 

diody IR, niebieskie i białe). 

background image

POLITECHNIKA RZESZOWSKA  2012-03-01  Katedra Podstaw Elektroniki 

 

3

 

11.  Dokonać analizy porównawczej diod germanowych, krzemowych i Schottky'ego, 

uwzględniając zalety, wady, ograniczenia, zastosowanie itp. 

12.  Dla prostownika półokresowego wyznaczyć: 

a) wartość skuteczną napięcia wejściowego (zasilającego) i wyjściowego (na obciążeniu) oraz 
prądu we wszystkich pomiarach. 
b) wyznaczyć P

obc

 i P

we

 we wszystkich przypadkach. Jaka jest sprawność układu? 

c) wyznaczyć zależność P

obc

=f(f). Czy sprawność układu zależy od częstotliwości? 

d) przedstawić i skomentować zaobserwowane prawidłowości w badanym prostowniku. 

13.  Czy woltomierz i miliamperomierz cyfrowy może być zastosowany do pomiarów 

 w prostowniku półokresowym. Jakie będą wskazania? 

14.  W sprawozdaniu umieścić własne wnioski i spostrzeżenia. 

 

D) Dodatek  

 

1. Złącze p-n – dioda. 

 

Złącze p-n, jest to struktura półprzewodnika monokrystalicznego utworzonego przez dwie 

graniczące ze sobą warstwy typu p i typu n. Wskutek ich „połączenia” zachodzi dyfuzyjny 
przepływu nośników prądu wywołanego gradientami koncentracji w obszarze granicznym warstw. 
Po obu stronach złącza tworzą się nieskompensowane ładunki  nieruchomych centrów donorowych 
i akceptorowych. Powstaje warstwa dipolowa ładunku, wytwarzająca pole elektryczne 
przeciwdziałające dalszej dyfuzji nośników większościowych. Nazywamy ją  warstwą zaporową 
lub warstwą zubożonąa napięcie wytworzone w obszarze granicznym złącza nosi nazwę bariery 
potencjału 
lub napięcia dyfuzyjnego. Napięcie dyfuzyjne powoduje unoszenie elektronów i dziur 
w kierunkach przeciwnych do ich dyfuzji. W ten sposób powstają dwa strumienie prądu unoszenia 
nośników mniejszościowych J

pu

, J

nu

, skierowane przeciwnie do dwu strumieni prądu dyfuzji J

pd

, J

nd

nośników większościowych. 

1) Polaryzacja w kierunku zaporowym (Rys. 2a) – polaryzacja zewnętrzna zgodna z 

biegunowością napięcia dyfuzyjnego – bariera potencjału zwiększa się o wartość napięcia 
zewnętrznego. Większej wartości bariery potencjału odpowiada większa wartość  ładunku 
przestrzennego, wzrasta szerokość warstwy zaporowej. Maleje prawdopodobieństwo przejścia 
nośników większościowych, maleją składowe dyfuzyjne prądów elektronów i dziur. Nie zmieniają 
się składowe prądu unoszenia nośników mniejszościowych. W kierunku zaporowym płynie przez 
złącze niewielki prąd nasycenia. 

 

a)  p  − 

− 

U

D

+U 

J

nu

 

J

pu

 

J

U

 

U

D

 -U 

n

b)  p 

+

J

nu

J

pu

J

-J

u

+

J

pd

J

nd

c) 

I

u

 

U

F

I

I

U

 

Rys. 2.  Przepływ prądu w złączu p-n spolaryzowanym: a) zaporowo, b) w kierunku przewodzenia. 
c) Charakterystyka  prądowo-napięciowa, gdzie U

– napięcie dyfuzyjne; U – napięcie zewnętrzne, U

F

 –

napięcie w kierunku przewodzenia, U

R

 – napięcie w kierunku zaporowym. 

 

2) Polaryzacja w kierunku przewodzenia (Rys. 2b) – polaryzacja zewnętrzna przeciwna w 

stosunku do biegunowości napięcia dyfuzyjnego – bariera potencjału maleje.  Mniejsza wartość 
bariery potencjału to mniejsza wartość ładunku przestrzennego. Rośnie wtedy prawdopodobieństwo 
przejścia nośników większościowych ponad barierą i wzrastają składowe prądów dyfuzji. Składowe 
prądu unoszenia nośników mniejszościowych pozostają na niezmienionym poziomie. Prąd dyfuzji 
nośników większościowych zdecydowanie przeważa nad prądem unoszenia nośników 
mniejszościowych i przez diodę może przepływać duży prąd ograniczony właściwościami 
termicznymi diody. 

background image

POLITECHNIKA RZESZOWSKA  2012-03-01  Katedra Podstaw Elektroniki 

 

4

 

Złącze idealne

R

S

 

U-IR

S

− 

IR

S

 

IR

S

 

U

F

I

U-IR

S

 

0.6

0.4

0.2

 

10

-11

 

10

-9

 

10

-7

 

10

-5

 

U

F

[V]

I

F

[A] 

Si 

0.8

1.0

10

-3

 

10

-1

 

Zakres dużych prądów  

z wpływem R

S

Nachylenie ~ 1/ (2U

T

)

Nachylenie ~ 1/U

T

Nachylenie 1/(2U

T

IR

S

 

Rys. 3.  Odstępstwa przebiegu charakterystyki złącza rzeczywistego w stosunku do idealnego (kierunek 
przewodzenia). Wpływ rezystancji szeregowej, dużego wstrzykiwania nośników oraz zjawiska 
generacji/rekombinacji. Skala liniowa, logarytmiczna,  schemat zastępczy z R

S

 

2. Diody prostownicze. 

 

Diody te przeznaczone są do „prostowania” prądu przemiennego. Bardzo często jest to 

prostowanie prądu o częstotliwości 50Hz z sieci energetycznej. W tym przypadku stosowane są 
diody krzemowe o dużych powierzchniach złącza. Pozwala to na przepływ prądów o znacznych 
wartościach (1A−100A). Efekty wynikające z istnienia pojemności wewnętrznych (nawet przy 
zastosowaniach w przetwornicach napięcia pozwalających na uzyskiwanie podwyższonych napięć 
stałych pracujących przy częstotliwościach rzędu  kilku kHz ) są pomijalne. 

Wyróżniamy dwie grupy parametrów diod: 

1) Podstawowe parametry charakterystyczne: 
I

0

 − dopuszczalny  średni prąd przewodzenia − traktowany jako prąd znamionowy (typowo 

1−100A), 

U

F

 − napięcie przewodzenia przy określonym prądzie przewodzenia I

F

, najczęściej przy 

maksymalnym średnim prądzie wyprostowanym I

0

 (typowo 0,5−1,5V), 

I

R

 − prąd wsteczny, zazwyczaj podawany dla szczytowego napięcia w kierunku zaporowym, U

RSM

 

(<10nA). 

2) Podstawowe parametry dopuszczalne: 
U

RWM

 − szczytowe  napięcie wsteczne pracy; dopuszczalne napięcie pracy diody − przed 

przebiciem, (50V−2kV), 

U

RSM

 − niepowtarzalne  szczytowe  napięcie wsteczne; bliskie napięciu przebicia (typowo 1,2−1,4 

U

RWM

), 

I

FRM

 − powtarzalny impulsowy prąd maksymalny (zwykle I

FRM

 ~5−10 I

0

), 

I

FSM

 − niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia (impuls 10ms i jeśli nie „odpocznie” − może 

być kiepsko), 

P

TOT

 − dopuszczalna moc tracona w elemencie (typowo 1−100W). UWAGA: o możliwości pracy 

diody (lub jakiegokolwiek innego elementu) w danych warunkach decyduje nie tylko 
dopuszczalne napięcie i prąd, ale również iloczyn prądu i napięcia w danym punkcie pracy, 
czyli wydzielana w danych warunkach moc admisyjna. Wydzielana moc powoduje bowiem 
zazwyczaj wzrost temperatury elementu. W związku z tym zmianie ulegają dopuszczalne w 
nowych warunkach pracy wartości prądów i napięć. 

T

j

 − maksymalna temperatura złącza (typowo rzędu 140−175°C), musi leżeć z dala od zakresu 

generacji termicznej nośników samoistnych; 

R

th

 − rezystancja cieplna w określonych warunkach pracy. 

P

TOT

 = (T

j

 − T

a

)/R

th 

background image

POLITECHNIKA RZESZOWSKA  2012-03-01  Katedra Podstaw Elektroniki 

 

5

 

 

I

R

U

F

I

F

I

0

 

U

F

(I

0

)

Punkt pracy 
diody 

U

RWM

U

RS

 

Rys. 4. Parametry charakterystyczne diody (rozmaitość stosowanych oznaczeń b. duża). 

 

3. Diody Schottky’ego. 

 

Diody Schottky’ego są to diody o złączu metal-półprzewodnik, na których powstaje także 

potencjał dyfuzyjny na skutek różnych wartości pracy wyjścia elektronów z półprzewodnika i 
metalu. Warstwę zaporową odkrył w 1874 roku F. Braun, a teoretyczne podstawy zjawisk 
zachodzących w złączu podał w 1939 roku Schottky. Dioda tego typu nie wykazuje efektu 
bezwładnościowego przy przełączeniu w kierunku przewodzenia na kierunek zaporowy. Dlatego 
nadaje się jako prostownik w zakresie najwyższych częstotliwości. Złącze metal-przewodnik bez 
warstwy zaporowej otrzymuje się tylko dla ściśle określonych kombinacji materiałów. Diody 
Schottky’ego znalazły zastosowanie w szybkich układach przełączających i jako prostowniki w 
zakresie mikrofalowym. W porównaniu z diodą warstwową dioda Schottky’ego ma dwie ważne 
zalety: znacznie mniejsze napięcie progowe (około 0,35 V) i zdecydowanie krótszy czas wyłączenia 
(około 10 ns). Wynika to z braku, w stanie przewodzenia, ładunku nadmiarowego tworzonego w 
otoczeniu strefy złączowej przez nośniki mniejszościowe (o przepływie prądu decydują tutaj tylko 
nośniki większościowe). Diody szybkie domieszkowane złotem wykazują łagodny zanik przebiegu 
prądu wstecznego, co ogranicza wartość szczytową przepięć. Do zalet diod Schottky’ego należy 
także duża przeciążalność prądowa przy impulsach o krótkich czasach trwania.

 

 

4. Diody LED (Light Emitting Diode). 

 

W przypadku diod LED większościowe nośniki prądu wstrzykiwane przez złącze p-n do 

obszarów o przeciwnym typie przewodnictwa stają się nośnikami mniejszościowymi i rekombinują 
po czasie zwanym średnim czasem życia tych nośników (po 5

 ich koncentracja zmniejsza się do 

1% wartości początkowej). Procesowi rekombinacji towarzyszy uwalnianie energii o wartości 
zależnej od szerokości pasma zabronionego. W Si i Ge przeważa proces rekombinacji pośredniej, 
nadwyżka energii uwalniana podczas rekombinacji emitowana jest zazwyczaj w postaci fononów 
(kwantów energii cieplnej) absorbowanych następnie przez atomy otaczającej sieci krystalicznej. W 
półprzewodnikach takich jak GaAs przeważa proces rekombinacji bezpośredniej, przy polaryzacji 
złącza w kierunku przewodzenia może zostać wyemitowana znaczna ilość kwantów 
promieniowania elektromagnetycznego.  

Wśród fotonów emitowanych przy rekombinacji  np. w GaAs, występują jedynie niewielkie 

odchyłki od pewnych podstawowych długości fali, światło jest więc w zasadzie czystą barwą 
typową dla danego materiału. Występuje duże zróżnicowanie szerokości przerwy zabronionej, a 
więc i długości fali emitowanego promieniowania − od 3,6eV(ZnS) do 0,18eV (InSb). 

 

 7  5     3     2                   1

 

0.5

0.35

[m] 

E

g

[eV] 

InSb           Ge              GaAs                GaP            SiC               ZnS 

    Si             CdSe             CdS

Podczerwień 

WIDZIALNE

Nadfiolet

 

GaAs

1-x

P

x

0                                 1                                2                                3                                4 

 

background image

POLITECHNIKA RZESZOWSKA  2012-03-01  Katedra Podstaw Elektroniki 

 

6

 

Rys. 5. Pasma zabronione niektórych półprzewodników w porównaniu z widmem optycznym. 

 

 Istnieje możliwość „płynnej” regulacji przerwy energetycznej poprzez stosowanie różnych składów 
procentowych w arseno-fosforku-galu GaAs

1-x

P

x

. Zwiększanie zawartości fosforu od 0 do 44% daje 

zmianę szerokości przerwy energetycznej w zakresie 1,43eV (GaAs) do 2,26eV i  zmianę długości 
fali promieniowania od podczerwieni (x=0) do czerwonej części światła widzialnego (x=44%). 

Wprowadzenie atomów domieszki powoduje powstanie dodatkowych poziomów w obszarze 

pasma zabronionego, a przez to zróżnicowanie długości fal emitowanego promieniowania. 
Przykład: GaP, E

g

 = 2,26eV, płytkie donory − Te, S, Se tworzą poziomy odległe od E

c

 o ok. 0,1eV, 

a akceptory typu Zn, Cd poziomy bliskie E

V

. Rekombinacji z tych poziomów doprowadzi do emisji 

fotonu odpowiadającego barwie zielonej. Głębsze domieszki: np. cynk Zn i para Zn-O daje różnicę 
energii 1,8eV i promieniowanie barwy czerwonej. 

 

E

2,26eV

E

c

 

E

S

Zn

h

=2.2eV 
zielone

E

2,26eV

E

c

E

Zn-O 

(para) 

Zn 

h

=1.8eV 

czerwone 

 

Rys. 6. Przejścia luminescencyjne między poziomami domieszkowanymi w GaP.  

 

Czas od chwili podania impulsu prądu płynącego przez złącze do wyemitowania 

promieniowania zazwyczaj rzędu 1ns, częstotliwość modulacji promieniowania przez diody LED 
może dochodzić do setek MHz. W celu zmniejszenia absorpcji promieniowania (zwiększenia 
sprawności) minimalizuje się grubość „górnej” warstwy domieszki. Aby zlikwidować wewnętrzne 
odbicie od górnej, płaskiej powierzchni półprzewodnika stosuje się półsferyczne powierzchnie 
(technologicznie trudne) lub czasze ze szkła lub plastyku (stąd spotykane w handlu kształty). 
Generalnie diody LED wymagają stosunkowo niewielkich prądów (mA) i napięć zasilających 
(1−5V), są trwałe, stabilne i o małym stopniu zawodności.