Diode semiconductoare - observatii teoretice, montajul experimental - aparate necesare, determinari experimentale

DIODE SEMICONDUCTOARE

In lucrare sunt masurate caracteristicile statice ale unor diode semiconductoare, rezultatele fiind comparate cu relatiile analitice teoretice. Este de asemenea analizata comportarea diodelor in regim dinamic, semnal mic, joasa frecventa.

1.1. OBSERVATII TEORETICE

Diodele semiconductoare studiate in aceasta lucrare sunt dispozitive formate dintr-o jonctiune pn. Simbolul electric si marimile electrice asociate sunt prezentate in figura 1.1. Analizand fenomenele fizice care apar intr-o jonctiune pn ideala cand se aplica o tensiune din exterior, se deduce relatia de legatura i_D(v_D) pentru o dioda semiconductoare:

i_D=I₀(1.1)

unde I₀ este curentul de saturatie al diodei

este un coeficient care ia valori intre 1 si 2.

Polarizarea directa

Pentru v_D > 0, dioda este polarizata direct si curentul depinde exponential de tensiune. Astfel pentru v_D > (34) , relatia (1.1) devine:

i_D = I₀ (1.2)

Prin logaritmarea relatiei (1.2) se obtine:

(1.3)

In planul lg relatia (1.3) este reprezentata printr-o dreapta. In urma masuratorilor se confirma acest lucru, insa numai pana la anumite valori ale curentului i_D, dupa cum este ilustrat in figura 1.2

Reprezentarea la scara logaritmica a dependentei i_D(v_D) permite determinarea parametrului I₀ prin extrapolare pana la v_D = 0, iar prin calcularea contrapantei se obtine valoarea lui

(1.4)

La curenti mari, la bornele diodei apare o tensiune mai mare decat cea rezultata din relatiile (1.2) sau (1.3) datorita rezistentei R_S a materialului adiacent jonctiunii.

(1.5)

O metoda simpla de estimare a rezistentei R_S, consta din citirea pe zona curba a graficului din figura 1.2 a trei perechi de coordonate ( I_D1,V_D1), ( I_D2,V_D2 ) si ( I_D3,V_D3 ) alese astfel incat sa fie satisfacuta relatia:

(1.6)

si aplicarea formulei:

(1.7)

Din reprezentarea la scara liniara a relatiei (1.1) din figura 1.1 se poate desprinde un model simplu pentru dioda polarizata direct, in cazul in care ea lucreaza intr-o gama relativ restransa de curenti. Astfel dupa cum rezulta din figura 1.3 relatia V_D(i_D) se poate exprima aproximativ prin expresia liniara:

V_D= V_P+R_Di_D pentruV_DV_P(1.8)

Polarizarea inversa

Pentru V_D < 0, dioda este polarizata invers, iar pentru V_D < -(34) q din relatia (1.1) rezulta:

i_D = - I₀ (1.9)

Curentul invers prin dioda poate sa nu depinda de tensiunea inversa aplicata (diode cu germaniu) sau sa creasca odata cu tensiunea (diode cu siliciu). La o anumita valoare a tensiunii inverse aplicate (tensiunea de strapungere) poate apare efectul Zener sau fenomenul de multiplicare in avalansa, care se manifesta printr-o crestere abrupta a curentului - acesta nu mai poate fi limitat decat de circuitul exterior.

Tensiunea de strapungere este dependenta de natura materialului semiconductor din care este construita dioda precum si de concentratia de impuritati, fiind cu atat mai mica cu cat aceasta din urma este mai mare.

Faptul ca in strapungere tensiunea la bornele diodelor este practic constanta, a condus la utilizarea lor ca diode stabilizatoare de tensiune (Zener). Pentru a putea fi insa utilizate in practica, in proiectarea si constructia diodelor stabilizatoare se iau in considerare o serie de aspecte specifice.

In figura 1.4 sunt prezentate simbolul electric si caracteristica i_D(V_D) a unei diode stabilizatoare de tensiune.

Proprietatile de stabilizare ale unei diode pot fi apreciate prin valoarea rezistentei dinamice R_Z, definita ca:

(1.10)

Regimul dinamic, semnal mic, joasa frecventa

In cazul in care tensiunea pe dioda prezinta mici variatii (v_d) cu amplitudinea in jurul punctului static de functionare (V_D), curentul prin dioda va prezenta de asemenea variatii (i_d) in jurul valorii statice (I_D). Aceasta situatie este ilustrata in figura 1.5.

Daca frecventa este relativ mica si amplitudinea indeplineste conditia de semnal mic ( q = 26mV.) atunci v_d este direct proportional cu i_d

(1.11)

Parametrul R_i se numeste rezistenta interna (sau dinamica) si se poate calcula cu relatia:

(1.12)

daca I_D este astfel incat:

1.2. MONTAJUL EXPERIMENTAL - APARATE NECESARE

Montajul experimental este prezentat in figura 1.6. Montajul este echipat cu patru diode:

D₁ - dioda cu germaniu,

D₂ - dioda cu siliciu, de mica putere,

D₃ - dioda stabilizatoare de tensiune,

D₄ - dioda cu siliciu, de putere medie.

Rezistentele R_k ( k = 17 ) permit polarizarea diodei la curenti directi intre si 500mA si masurarea acestora.

Rezistentele R_sn ( n = 15 ) permit aplicarea semnalului de la generatorul de audiofrecventa si masurarea valorii efective a curentilor prin dioda.

Aparate necesare:

- sursa dubla de tensiune stabilizata ( 0 - 40V, 1,2A);

- multimetru electronic;

- generator de semnal sinusoidal de joasa frecventa (VERSATESTER).

1.3. DETERMINARI EXPERIMENTALE

Caracteristicile statice. Polarizare directa

1. Se va realiza configuratia din figura 1.7. alegand dioda D, respectiv rezistenta R_k si regland sursa E_D conform indicatiilor din tabelul 1.1.

Se masoara de fiecare data V_D si se calculeaza curentul I_D cu relatia:

(1.13)

Tabelul 1.1

Conectarea rezistentelor de valori mici (R₁ si R₂ ) se va mentine un timp cat mai scurt pentru a evita incalzirea dispozitivelor.

Polarizarea inversa

2. Se realizeaza configuratia din figura 1.8. Dioda si rezistenta R_k sunt alese conform indicatiilor din tabelul 1.2. Cele doua sectiuni ale sursei se leaga in serie pentru a obtine E _D

Fig. 1.8

Se regleaza sursele astfel incat sa se obtina valorile lui V_D indicate in tabelul 1.2. Se masoara E _D si se calculeaza curentul invers prin dioda, I_R, cu relatia

(1.14)

Tabelul 1.2

Dioda stabilizatoare de tensiune

3. Se realizeaza configuratia din figura 1.9. Se alege R_k si se regleaza E_D conform indicatiilor din tabelul 1.3.

Se masoara V_Z si se calculeaza I_Z = -I_D cu relatia :

(1.15)

Fig. 1.9

Tabelul 1.3                          

Rezistenta interna

4. Se realizeaza configuratia din figura 1.10. Se alege R_k, R_sn, D si se regleaza E_D conform indicatiilor din tabelul 1.4.

Se masoara V_D si se calculeaza I_D cu relatia (1.13).

Pentru fiecare situatie se regleaza amplitudinea generatorului astfel incat sa se obtina V_d = 2,5 mV. Se masoara V_s si se calculeaza R_i cu relatia

(1.16)

Tabelul 1.4

1.4. PRELUCRAREA DATELOR EXPERIMENTALE .CONCLUZII

Caracteristicile statice

1. Cu ajutorul datelor din tabelul 1.1 se traseaza pe acelasi grafic, la scara liniara, caracteristicile i_D(v_D), v_D 0 pentru diodele D₁ si D₄ (i_D: 50 mA/cm, v_D: 0,1 V/cm).

2. Se determina pentru fiecare dioda (D₁, D₄) V_P si R_D , alegand I_DM = 200 mA si e = 0,01.

3. Explicati faptul ca la curenti normali de utilizare, tensiunea directa pe diodele cu siliciu este mai mare decat pe diodele cu germaniu.

4. Cu ajutorul datelor din tabelul 1.1 se traseaza pe acelasi grafic lg i_D(v_D), v_D > 0 pentru diodele D₁, D₂ si D₄ (lg i_D: 1 cm/decada, v_D: 0,1 V/cm).

5. Se determina pentru fiecare dioda I₀, γ si R_S.

6. Demonstrati obtinerea relatiei (1.7).

7. Cu datele din tabelul 1.2 se traseaza pe acelasi grafic caracteristicile i_D(v_D), v_D < 0 pentru diodele D₁ si D₂.

8. Explicati de ce curentul de saturatie determinat din reprezentarea la scara logaritmica a caracteristicii directe este mai mic decat curentul invers masurat.

Dioda stabilizatoare de tensiune

9. Cu datele din tabelul 1.3 se traseaza caracteristica i_D(v_D), v_D 0 , pentru dioda D₃.

10. Se determina I_Zmin si R_Z.

Rezistenta interna

11. Pentru valorile curentului I_D din tabelul 1.4 se calculeaza pentru D₁ si D₂, valoarea teoretica a rezistentei interne R_i (teoretic) cu relatia (1.12).

12. Se traseaza pe acelasi grafic R_{i (masurat)}(I_D) si R_{i (teoretic)}(I_D) pentru diodele D₁ si D₂.

13. Explicati eventualele neconcordante intre valorile masurate si cele teoretice.