RIEDL 3.EB – 8 – 1/14
1.ZADÁNÍ a) Změřte voltampérovou charakteristiku polovodičových diod pomocí voltmetru a ampérmetru v propustném i závěrném směru. b) Sestrojte grafy I=f(U). c) Graficko početní metodou určete dynamický odpor diody v přímkových částech charakteristik. d) Podle zjištěných parametrů diod odhadněte, z jakého polovodičového materiálu byli vyrobeny. e) Naměřené hodnoty srovnejte s hodnotami katalogovými.
2.POPIS MĚŘENÉHO PŘEDMĚTU Měřený předmětem jsou v tomto případě polovodičové diody, jejich údaje jsou uvedeny v tabulce: Označení IF (mA) UR (V) D1 KY 196 3000 100 D2 LQ 1102 30 5 D3 1N5819 1000 28 IF – maximální proud v propustném směru UR – maximální napětí v závěrném směru
Typ diody Rychlá usměrňovací dioda Červená LED Schottkyho dioda
3.TEORETICKÝ ROZBOR 3.1 ROZBOR PŘEDPOKLÁDANÝCH VLASTNOSTÍ MĚŘENÉHO PŘEDMĚTU Diody jsou polovodičové součástky. K výrobě polovodičových diod se používají polovodiče s nevlastní vodivostí typu P a typu N. Využívá se zde přechodu mezi polovodičem typ P a polovodičem typu N. P je polovodič, kterému byly odebrány elektrony a má pozitivní vodivost. K vedení proudu jsou použity tzv. díry, které vznikly odebráním elektronů. N je polovodič, kterému byly elektrony přidány a má negativní vodivost. K vedení proudu jsou použity volné elektrony, které byly do polovodiče přidány a nazýváme je tzv. donory. U diod se nepoužívají polovodiče s vlastní vodivostí, protože vlastní vodivost polovodičů se projevuje až při vyšších teplotách, tyto teploty se pohybují okolo 350°K což je asi 77°C. Na přechodu dochází k rekombinaci, což znamená, že na hranici mezi polovodičem typu P a typu N, zaplní volné elektrony díry a vzniknou na tomto přechodu pevné ionty. V polovodiči typu N to jsou ionty s kladným nábojem a v polovodiči typu P to jsou ionty se záporným nábojem. Tyto pevné ionty tam způsobují vyprázdněnou oblast, která brání v rekombinaci dalším dírám a elektronům. Velikost vyprázdněné oblasti záleží na tom jaký polovodivý materiál se jedná. Diodu můžeme připojit dvěma způsoby. První způsob je v propustném směru a druhý způsob je ve směru závěrném. Zapojíme-li diodu v propustném směru, to znamená anodu na kladný pól a katodu na záporný pól. Na velikosti vyprázdněné oblasti záleží při jakém napětí se dioda otevře. To je jakou energii musíme dodat volným nosičům náboje (elektronům a dírám), aby
RIEDL 3.EB – 8 – 2/14
překonaly vyprázdněnou oblast a začali mezi sebou rekombinovat. Například u křemíkových diod je toto napětí 0,7V. Jakmile se dioda úplně otevře, je na ní napětí téměř konstantní a proud protékající diodou prudce roste. Toto je zapříčiněno tím, že odpor polovodiče s přibývající teplotou klesá na rozdíl od vodiče, u kterého odpor s přibývající teplotou stoupá. U diod se udává maximální proud, Kterým můžeme diodu v propustném směru trvale zatížit, při překročení tohoto proudu dojde ke zničení diody. Připojíme-li diodu v závěrném směru, tj. kladný pól na katodu a záporný pól na anodu. Dioda zůstane uzavřena, to znamená, že nevede proud. Pokud na diodu přivedeme v závěrném směru napětí větší než je maximální závěrné napětí dané diody, dojde k destruktivnímu průrazu přechodu PN a dioda začne vést proud i v závěrném směru, což znamená, že je zničena. 3.2 ROZBOR MĚŘÍCÍ METODY Voltampérovou charakteristiku diod měříme pomocí voltmetru a ampérmetru. Voltmetr a ampérmetr zapojíme jako Ohmovu metodu pro měření odporů. Tato metoda má dva možné způsoby zapojení. Jsou to zapojení pro malé odpory a zapojení pro velké odpory. K měření voltampérových charakteristik polovodičových diod využijeme k části měření zapojení pro malé odpory a k druhé části měření zapojení velké odpory a to vzhledem na chybu měřící metody, která nastává při měření ohmovou metodou. Vzhledem k tomu, že při měření voltampérových charakteristik polovodičových diod v propustném směru potečou obvodem velmi vysoké proudy musíme do obvodu před ampérmetr a diodu zapojit do série ochranný rezistor, abychom nezničili diodu. Důležité je také před měřením zjistit maximální proud v propustném směru, který dioda snese, protože překročení této hranice můžeme diodu zničit. V závěrném směru musíme zjistit maximální napětí, které dioda v závěrném směru vydrží, překročení této hodnoty vede ke zničení diody. Pro měření voltampérové charakteristiky polovodičové diody v propustném směru použijeme zapojení pro malé odpory. Toto zapojení volíme, protože otevřená dioda v propustném směru má velmi malý odpor, kdybychom použili zapojení pro velké odpory, tak vnitřní odpor ampér metru je v tomto případě větší než odpor otevřené diody a to znamená, že bychom měřili napětí ne na diodě, ale na ampérmetru a došlo by k velké chybě měřící metody. Při zapojení pro malé odpory řadíme ampérmetr před paralelní kombinaci voltmetru a diody, to znamená, že budeme voltmetrem měřit napětí pouze na polovodičově diodě, ampérmetrem však budeme měřit součet proudu, který protéká voltmetrem, a proudu, který protéká diodou. Dochází zde tedy k chybě metody a je třeba provést korekci změřeného proudu vzhledem k chybě metody. Korekci tedy provedeme podle vztahu: IK
I
U RV
RIEDL 3.EB – 8 – 3/14
kde Ik je korigovaný proud, I je proud změřený ampérmetrem, U je napětí změřené voltmetrem a Rv je vnitřní odpor voltmetru. Tato chyba největší do doby než se dioda otevře, po otevření diody bude již chyba velmi malá, téměř zanedbatelná. Pro měření voltampérové charakteristiky diody v závěrném směru použijeme zapojení pro velké odpory. Toto zapojení volíme, protože kdybychom použili pro měření voltampérové charakteristiky polovodičové diody v závěrném směru zapojení pro malé odpory, měřili bychom proud, který protéká přes voltmetr, protože polovodičová dioda zapojená v závěrném směru má nekonečně velký odpor, a proto nevede proud a došlo by tak ke velké chybě měřící metody. Při zapojení pro velké odpory zapojujeme voltmetr paralelně k sériovému zapojení ampérmetru a polovodičové diody. To znamená, že ampérmetrem měříme proud, který protéká pouze diodou. Voltmetrem však měříme součet úbytku na ampérmetru a úbytku napětí na polovodičové diodě. Z tohoto důvodu je třeba provést korekci změřeného napětí. Tuto korekci provedeme podle vztahu:
UK
U
I RA
kde UK je korigované napětí, U je napětí změřené voltmetrem, I je proud změřený ampérmetrem a RA je vnitřní odpor ampérmetru.
4.SCHEMA ZAPOJENÍ Schéma č.1 Zapojení pro měření voltampérových charakteristik polovodičových diod v propustném směru
A R0
U
D
V
Schéma č.2 Zapojení pro měření voltampérových charakteristik polovodičových diod v závěrném směru
A U
V
D
RIEDL 3.EB – 8 – 4/14
U – regulovatelný zdroj V – voltmetr A – ampérmetr R0 – ochranný odpor D – dioda
5.POSTUP MĚŘENÍ a) Z katalogu zjistěte mezní hodnoty napětí a proudu všech požadovaných diod b) Zapojte přístroje podle schématu č.1 c) Na ampérmetru nastavte požadovaný měřící rozsah d) Na voltmetru nastavte požadovaný měřící rozsah e) Regulovatelným zdrojem nastavte požadované napětí. Napětí nastavujte po co nejmenších možných krocích, aby voltampérová charakteristika byla dostatečně popsána f) Přečtěte hodnotu z voltmetru a zapište ji do tabulky g) Přečtěte hodnotu z ampérmetru a zapište ji do tabulky h) Opakujte tento postup pro další hodnotu napětí od bodu c). Pokud jste již změřili všechny požadované hodnoty napětí a proudů nebo jste překročili maximálně polovinu maximálního proudu v propustném směru zapojte další diodu a pokračujte od bodu c). Jestli jste již změřili napětí všechny předložené diody pokračujte následujícím bodem i) Zapojte přístroje podle schématu č.2 j) Nastavte na ampérmetru požadovaný rozsah k) Nastavte na voltmetru požadovaný rozsah l) Regulovatelným zdrojem nastavte požadované napětí. Napětí nastavujte po krocích přiměřeně velkých k maximálnímu závěrnému napětí dané diody. m) Přečtěte hodnotu z voltmetru a zapište ji do tabulky n) Přečtěte hodnotu z ampérmetru a zapište ji do tabulky o) Opakujte tento postup pro další hodnotu napětí od bodu j). Pokud jste již změřili všechny požadované proudy a napětí nebo jste dosáhli maximálně 80% maximálního závěrného napětí dané diody zapojte další diodu a pokračujte od bodu j).
6.TABULKY NAMĚŘENÝCH A VYPOČTENÝCH HODNOT Tabulka č.1 U (V) 0,1 I (mA) 0,001 IK (mA) 0,0003 RD (Ω) 50000 U (V) 0,55 I (mA) 12,7 IK (mA) 12,69 RD (Ω) 36
dioda D1 typ KY196 zapojena v 0,15 0,2 0,25 0,3 0,003 0,01 0,034 0,148 0,002 0,009 0,032 0,146 18000 6593 1820 681 0,6 0,65 0,7 0,75 21,5 39,4 64,8 113,7 21,49 39,39 64,79 113,69 22 15 9,4 5,7
propustném směru 0,35 0,4 0,45 0,5 0,475 1,183 3,075 6,3 0,473 1,180 3,072 6,296 338 153 87 51 0,8 0,85 0,9 ----195,7 353,4 600 ----195,69 353,4 600 ----3,3 2,1 ---------
RIEDL 3.EB – 8 – 5/14
Tabulka č.2 dioda D1 typ KY196 zapojena v závěrném směru U (V) -3 -6 -9 -12 -15 -18 I (μA) 0 0 0 0 0 0 UK (V) -3 -6 -9 -12 -15 -18 RD (Ω) Ned. Ned. Ned. Ned. Ned. Ned. U (V) -24 -27 -30 -33 -36 -39 I (μA) 0 0 0 0 0 0 UK (V) -24 -27 -30 -33 -36 -39 RD (Ω) Ned. Ned. Ned. Ned. Ned. Ned. Tabulka č.3 dioda D2 typ U (V) 0,1 0,2 0,3 I (μA) 0 1 2 IK (μA) 0 0 0 U (V) 1,1 1,2 1,25 I (μA) 7 9 11 IK (μA) 0 1 2,7
Tabulka č.4 dioda U (V) -0,3 I (μA) 0 UK (V) -0,3 U (V) -2,4 I (μA) 0 UK (V) -2,4
LQ1102 zapojena v 0,4 0,5 0,6 3 3 4 0 0 0 1,3 1,35 1,4 18 36 83 9,3 27 73,7
-21 0 -21 Ned. -40 0 -40 Ned.
propustném směru 0,7 0,8 0,9 1,0 5 5 6 6 0 0 0 0 1,45 1,5 1,55 1,6 336 1048 3991 13800 326 1000 3981 13789
D2 typ LQ1102 zapojena v závěrném směru -0,6 -0,9 -1,2 -1,5 -1,8 0 0 0 0 0 -0,6 -0,9 -1,2 -1,5 -1,8 -2,7 -3,0 -3,3 -3,6 -3,9 0 0 0 0 0 -2,7 -3,0 -3,3 -3,6 -3,9
-2,1 0 -2,1 -4,0 0 -4,0
Tabulka č.5 dioda D3 typ 1N5819 zapojena v propustném směru U (V) 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 I (mA) 0,012 0,127 1,112 15,7 84,3 262,8 630 IK (mA) 0,0117 0,126 1,111 15,69 84,29 262,79 629,9 Tabulka č.6 dioda D3 typ 1N5819 zapojena v závěrném směru U (V) -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 I (μA) 0 0 0 0 0 0 -1 -1 -1 UK (V) -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 Tabulka č.7 změřené parametry diod Dioda Typ Materiál D1 KY 196 křemík D2 LQ 1102 fosfid-galia D3 1N5819 přechod křemík-kov
RDPROP (Ω) 2,102 121,54 55
-20 -1 -20
RDZÁV (Ω) Ned. Ned. Ned.
RIEDL 3.EB – 8 – 6/14
U – napětí změřené voltmetrem I – proud změřený ampérmetrem UK – korigované napětí IK – korigovaný proud RD – dynamický odpor RDPROP – dynamický odpor v přímkových částech charakteristiky v propustném směru RDZÁV – dynamický odpor v přímkových částech charakteristiky v závěrném směru Ned. – číslo je velmi vysoké, svou hodnotou se blíží k nekonečnu
7.VÝPOČTY Výpočet korigovaného proudu: IK
U RV
I
například:
IK
I
U RV
10
6
0,1 150000
0,33
Výpočet korigovaného napětí:
UK
U
I RA
například:
UK
U
I RA
3 0 100,3
3V
výpočet dynamického odporu:
Un
RD
In
1
In
1
například:
RD
8.GRAFY VIZ. PŘÍLOHA
Un In
1
In
1
0,85 0,6 0,19569
2,1
RIEDL 3.EB – 8 – 7/14
9.SEZNAM MĚŘÍCÍCH PŘÍSTROJŮ Zkratka U V A D R0
Název a typ přístroje regulovatelný zdroj STATRON TYP 2229 ručkový voltmetr AVOMET DU10 digitální ampérmetr METEX ME-32 předložené diody ochranný rezistor
Výrobní číslo 0412026 8079468 EJ010563 -----------
10.ZÁVĚR Naším úkolem bylo změřit voltampérové charakteristiky předložených polovodičových diod. Při měření voltampérové charakteristiky diod v propustném směru bylo zapotřebí vypočítat korekci napětí, protože než se diody zcela otevřely byla chyba metody vysoká při úplném otevření diody byla však tato chyba zcela zanedbatelná. U diody D1 jsem udělal graf závislosti dynamického odporu na napětí v propustném směru. Z tohoto grafu je vidět, že odpor diody se zvyšujícím se napětí velmi rychle klesá. Toto vyplývá i z teoretického rozboru. Graf závislosti dynamického odporu na napětí v závěrném směru diody D1 jsem neudělal z důvodu velmi vysokého odporu, který se podle naměřených hodnot blížil k nekonečnu. Z teoretického rozboru vyplývá, že dioda má v závěrném směru téměř nekonečný odpor. Takto vysoký odpor vyšel u všech tří diod. Velmi zajímavé je že dioda D 2 tedy dioda LED se otvírá mnohem později než běžné usměrňovací diody, má také mnohem menší závěrné napětí a velmi malý maximální proud v propustném směru. Vzhledem k tomu, že každá z předložených diod je vyrobena z jiného materiálu dochází k tomu, že se každá dioda otevře při jiné hodnotě napětí. V závěrném zapojení jsme na diodách nenaměřili žádný protékající proud až na diodu D3, u které v závěrném směru při hodnotách napětí blížících se k maximální hodnotě závěrného napětí tekl malý proud v maximální hodnotě 1μA, což je zanedbatelná hodnota. Korekce provedené v závěrném směru jsou vzhledem k velikosti protékajícího proudu zcela zanedbatelné.
RIEDL 3.EB – 8 – 8/14
VOLTAMPÉROVÁ CHARAKTERISTIKA DIODY D1 KY196 V PROPUSTNÉM SMĚRU 0,6 I (A) 0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9 U (V)
1
RIEDL 3.EB – 8 – 9/14
VOLTAMPÉROVÁ CHARAKTERISTIKA DIODY D1 KY196 V ZAVĚRNÉM SMĚRU U (V) -45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0 0 -0,5 -1 -1,5 -2 -2,5 -3 -3,5 -4 -4,5 I (uA) -5
RIEDL 3.EB – 8 – 10/14
VOLTAMPÉROVÁ CHARAKTERISTIKA DIODY D2 LQ1102 V PROPUSTNÉM SMĚRU 16 I (mA)14 12 10 8 6 4 2 0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6 U (V)
1,8
RIEDL 3.EB – 8 – 11/14
VOLTAMPRÉROVÁ CHARAKTERISTIKA DIODY D2 LQ1102 V ZÁVĚRNÉM SMĚRU U (V) -4,5
-4
-3,5
-3
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0 0 -0,5 -1 -1,5 -2 -2,5 -3 -3,5 -4 -4,5 -5
I (uA)
RIEDL 3.EB – 8 – 12/14
VOLTAMPÉROVÁ CHARAKTERISTIKA DIODY D3 1N5819 V PROPUSTNÉM SMĚRU 0,7
I (A) 0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0 0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35 U (V)
0,4
RIEDL 3.EB – 8 – 13/14
VOLTAMPÉROVÁ CHARAKTERISTIKA DIODY D3 1N5819 V ZÁVĚRNÉM SMĚRU U (V) -25
-20
-15
-10
-5
0 0
-1
-2
-3
-4 I (uA) -5
RIEDL 3.EB – 8 – 14/14
ZÁVISLOST DYNAMICKÉHO ODPORU NA NAPĚTÍ DIODY D1 KY196 V PROPUSTNÉM SMĚRU 60
50 RD (kΩ)
40
30
20
10
0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9 U (V)
1
