V-A charakteristiky polovodičových diod

Prezentace na téma: "V-A charakteristiky polovodičových diod"— Transkript prezentace:

1 V-A charakteristiky polovodičových diod
Činnost je založena na vlastnostech přechodu P- N nebo přechodu kov- polovodič (Schottkyho dioda). Základní vlastností diody je vedení elektrického proudu pouze jedním směrem (IF). Zapojení diody Zapojení diody propustném směru v závěrném směru UF - napětí na diodě v propustném směru IF - proud diodou v propustném směru UR - napětí na diodě v závěrném směru IR - proud diodou v závěrném směru

2 V-A charakteristiky polovodičových diod
U [μV] I [μA] Základní informace o vlastnostech polovodičové diody poskytuje její voltampérová charakteristika. Závislost proudu na napětí je u polovodičových diod nelineární – exponenciální. Je dána Shockleyho rovnicí ideální diody: UT - teplotní napětí, které je rovno kT/q, (pro 300K je přibližně 26 mV) k - Boltzmanova konstanta (1,38.10– 23 JK-1s-1), q - náboj elektronu (1, C), T - absolutní teplota [K] U - napětí na přechodu PN [V] I proud procházející přechodem [A] I saturační proud (pro Si – 10-9 A, pro Ge 10-8 – 10-2 A m - multiplikační činitel (není-li uveden, předpokládá se m=1, pro Si m=2) Saturační proud Io závisí na: - koncentraci příměsí NA, ND, - ploše přechodu A, - na teplotě T (jednak přímo a exponenciálně přes vlastní koncentraci ni), - na době života minoritních nosičů

3 V-A charakteristiky polovodičových diod - měření
Měření V-A charakteristiky diody v propustném směru Pomocí napětí U1 se postupně nastavují napětí UF podle hodnot z oblastí vyznačených na charakteristice, a odečítají se proudy IF protékající diodou. R0 – ochranný rezistor – zajišťuje, aby při malé změně vstupního napětí U1 nedošlo k prudké změně proudu diodou (omezuje proud). Umožňuje také jemnější nastavování napětí U1. Jeho velikost se volí taková, aby při maximálním vstupním napětí proud diodou nepřekročil Maximální dovolený proud IFM. Pro zapojení se uplatňují stejná pravidla, jako při měření malých a velkých odporů. Dioda má: - v propustném směru malý odpor (101 Ω), - v závěrném směru velký odpor (106 Ω)

4 V-A charakteristiky polovodičových diod - měření
Měření V-A charakteristiky diody v závěrném směru V závěrné oblasti charakteristiky budou protékající proudy IR, ve srovnání s propustným směrem, velmi malé. Pro různé typy diod se mohou i značně lišit. Proudy v záv. směru Si diody a LED budou běžnými přístroji (multimetr) téměř neměřitelné (řádově 10-10). Vyšší hodnoty mohou být naměřeny u Schottkyho diody (až stovky nA) a zvláště pak u Ge diody (μA).

5 V-A charakteristiky polovodičových diod typické průběhy

6 V-A charakteristiky polovodičových diod Přehled parametrů běžně používaných diod :
Germaniová dioda: rychlé spínání (velká pohyblivost nosičů μ), malé prahové napětí (0,3 V až 0,5 V), malé závěrné napětí, nízká mezní teplota (75°C), poměrně velké závěrné proudy (v důsledku velkého ni), a tím značná teplotní závislost. Křemíková dioda: poměrně pomalé spínání (malá pohyblivost μ !!), velké prahové napětí (0,5 V až 1,1 V), vysoké závěrné napětí, vysoká mezní teplota (150°C), malé závěrné proudy (vlivem poměrně malého ni), a tím malá teplotní závislost.

7 V-A charakteristiky polovodičových diod Přehled parametrů běžně používaných diod :
Schottkyho bariérová dioda: Obsahuje kovový kontakt na polovodiči N (nejčastěji Si nebo GaAs), čímž vzniká závěrná vrstva takového druhu, že při pólování v přímém směru prochází proud (pouze elektronů) z oblasti N do kovu - jde o proud v jednom směru (unipolárni). Vlastnosti: malý úbytek napětí v propustném směru (menší než 0,5 V), neuplatňují se minoritní nosiče náboje, proud je přenášen pouze nosiči majoritními, diody dosahují vysokých rychlostí vypínání a zapínání (kmitočet až 1 MHz), protože se při průchodu proudu nehromadí minoritní nosiče, projevuje se pouze nepatrný kapacitní efekt, a může tak tato dioda při změně polarity signálu z přímého do zpětného směru tuto změnu sledovat rychleji než běžný typ s přechodem PN, ve srovnání s diodami s PN přechodem mají větší závěrný proud, který je výrazněji závislý na teplotě.

8

9 Dioda jako usměrňovač Sériový usměrňovač

10 Dioda jako usměrňovač Sériový usměrňovač

11 Dioda jako usměrňovač Při přechodu diody ze stavu propustného do závěrného se projevuje určitá setrvačnost nosičů náboje. To se projeví zvýšením závěrného proudu po určitou dobu. Této době říkáme závěrná zotavovací doba diody. Obecně mluvíme o komutaci diody. Komutační špička je nebezpečná v obvodech s indukčností, protože se na ní může naindukovat velké napětí. Po skončení vlivu komutace prochází diodou ustálený závěrný proud. Důležitým parametrem  spínacích diod je zotavovací doba trr (doba, za kterou závěrný proud diody poklesne na desetinu své maximální hodnoty), která má být co nejmenší. Výrobce proto udává přiměřenou hodnotu kmitočtu, kdy je dioda efektivní. Této hodnotě říkáme mezní kmitočet diody. Ten zpravidla bývá uveden v katalogu. Diody s vysokým mezním kmitočtem nazýváme rychlé.

12 Dioda jako usměrňovač Sériový usměrňovač
Vedení proudu se v Schottkyho diodě účastní pouze majoritní nositelé a při difúzi se na okrajích hradlové vrstvy neakumulují minoritní nositelé, proto je doba mezi vznikem a zánikem hradlové vrstvy značně menší. Z tohoto důvodu se mohou Schottkyho diody využít při usměrňování vyšších frekvencí. U diody s PN přechodem může být doba zotavení v řádu stovek nanosekund a méně než 100  ns pro rychlé diody, Schottky diody téměř nemají zotavovací dobu. Čas přepínání je ~ 100 ps pro malé signálové diody (Parazitní indukčnosti).

13 Dioda jako usměrňovač Obr. 4.3: Paralelní usměrňovač a průběhy napětí
Postup měření: Zapojte diodu jako paralelní usměrňovač podle obr. 2. Zakreslete průběhy z obrazovky pro kmitočet 100Hz, 1kHz, 50kHz. Průběhy okótujte a při kmitočtu 100Hz odečtěte hodnotu prahového napětí UP . Z průběhů určete pro kmitočty podle bodu 2 fázové posuny výstupního napětí vzhledem vstupnímu napětí. (V případě, že by se, vzhledem parametrům diody, fázový posun neprojevil, zvyšujte kmitočet, až uvedený jev nastane).

14 Dioda jako usměrňovač

15 Určení bariérové kapacity diody
Uz Pro měření je vhodné použít stabilizační diodu, která vykazuje poměrně velkou bariérovou kapacitu. Určíme její stabilizační napětí Uz.

16

17

18