DIODA SEMICONDUCTOARE

Transcript

1 LUCRAREA NR. 2 IOA SEMICONUCTOARE Scopul lucrăr Rdcarea caracterstclor ş determnarea prncpallor parametr a dodelor semconductoare; studul comportăr dode semconductoare în crcute elementare. 1. Caracterstca statcă kt I 0 ( e 1) (2.1) Reprezntă dependența curenttensune, teoretcă, a une dode semconductoare dedusă prn analza fenomenelor fzce în joncţunea PN deală ce au loc la aplcarea une tensun dn exteror. Semnfcaţa mărmlor dn formulă este: I0 curentul de saturaţe al dode; u tensunea de polarzare; k constanta lu Boltzman; q sarcna electronulu; (ma) T temperatura în Kelvn; γ constantă. 15 qu 10 5 u (V) I Fg 2.1 Caracterstca statcă a dode semconductoare PN: Curentul de saturaţe I o este dependent de parametr fzc, tehnologc ș geometrc a joncţun A suprafaţa joncţun; I p n qn 2 ( ) A (2.2) L N L N 0 p n A 9

2 n concentraţa ntrnsecă de purtător; p, n constantele de dfuze; L p, L n lungmle de dfuze ale purtătorlor de sarcnă; N, N A concentraţle de mpurtăţ. Valor uzuale ale curentulu de saturaţe: na pentru doda dn slcu de mcă putere; µa pentru doda dn germanu. La curenţ drecţ de ordnul 1 10 ma (valor des întâlnte în practcă) tensunea drectă pe dodă este de 0,2 0,3 V pentru dodele dn germanu respectv 0,6 0,8 V pentru dodele dn slcu. Constanta γ este un coefcent cuprns între 1 ş 2 (pentru germanu este ma apropat de 1 ar pentru slcu ma aproape de 2). Rezultă dn consderarea efectulu de recombnare dn zona de sarcnă spaţală la tensun de polarzare drecte mc (efect cu mportanţă ma mare la dodele dn slcu la temperatura camere). La tensun drecte ma mar, caracterstca statcă tnde să se lnarzeze datortă căderlor de tensune pe zonele neutre ale joncţun PN, care nu ma pot f negljate. 2. ependenţa de temperatură a caracterstc statce a une dode semconductoare este foarte puterncă, înregstrânduse o dublare a curentulu de saturaţe la fecare 10 0 C pentru dode dn germanu, respectv la fecare 6 0 C pentru dodele dn slcu. Această dependenţă poate f pusă în evdenţă ş prn coefcentul de varaţe a tensun drecte de pe dodă cu temperatura, la curent constant. Teoretc, această varațe este de crca 2 mv per grad Celsus, pentru ambele tpur de materal utlzate curent pentru realzarea dodelor semconductoare. 3. etermnarea mărmlor I 0 ş Se reprezntă ecuaţa dode semconductoare la scară semlogartmcă (ca în fgura 2.2). Pe abscsă se reprezntă tensunea aplcată pentru conducţe drectă la scară lnară ş pe ordonată curentul prn dodă la scară logartmcă. Panta drepte astfel obţnute permte deducerea coefcentulu. În relața (2.1) se negljează I 0 ş se logartmează, după care se face separarea de varable pentru obţnerea relaţe lu : q 1 u kt 2,3 lg (2.3) lg (ma) Δu Δlg 0,2 0,4 0,6 u (V) 10 I 0 Fg. 2.2 Caracterstca statcă a dode la polarzare drectă, la scară semlogartmcă

3 I 0. Prn prelungrea aceleaş drepte, la ntersecţa cu axa ordonate se obţne curentul de saturaţe 4. Punctul statc de funcţonare În crcutele electronce, dodele semconductoare pot îndepln ma multe funcţun (redresare, detecţe, lmtare, etc.), în multe stuaţ fnd necesară stablrea unu regm statc de funcţonare. R E u Fg. 2.3 Crcut pentru determnarea punctulu statc de funcţonare al dode Fg. 2.4 etermnarea teoretcă a punctulu statc de funcțonare al dode Pentru crcutul elementar dn fgura 2.3 punctul statc de funcţonare se determnă prn rezolvarea grafoanaltcă a sstemulu de ecuaţ format dn ecuaţa caracterstc statce a dode (2.1) ş ecuaţa drepte statce de funcţonare : u E R (2.4) Punctul statc de funcţonare M are coordonatele M ( U, I ), ar în acest punct de funcţonare doda este caracterzată dn punct de vedere al semnalelor lent varable (ce pot f aplcate în sere cu tensunea contnuă E ) prntro rezstenţă dnamcă, pentru care se deduce relaţa : kt rd (2.5) qi Rezstența dnamcă r d se determnă expermental prn calculul pante caracterstc statce, în punctul statc de funcţonare M conform relaţe: u rd (2.6) M 11

4 5. Polarzare nversă La polarzare nversă, conform ecuaţe teoretce (2.1), curentul este constant ş egal cu I 0, așa cum se constată în fgura 2.1, pentru partea de tensun negatve. În realtate, la polarzare nversă, regunea de sarcnă spaţală se măreşte ş apare un curent de generare, dependent de tensunea aplcată, cu valor relatve mportante pentru dodele dn slcu (în fgura 2.1 contrbuţa acestu curent la caracterstca dode a fost reprezentată punctat). La tensun de polarzare nversă ma mar, datortă fenomenulu Zener ş fenomenulu de multplcare în avalanşă (predomnant de obce), curentul nvers creşte, valoare lu fnd lmtată numa de crcutul exteror. Observațe: Fenomenul Zener reprezntă smulgerea de purtător dn reţea prn câmpul electrc mpus. Fenomenul de multplcare în avalanșă se suprapune peste fenomenul Zener ș presupune creșterea semnfcatvă a numărulu de purtător de sarcnă. Acest lucru se întâmplă prn generarea de purtător în semconductor (doda), accelerarea lor în câmpul electrc mpus ș cocnrea cu alț electron. Rezultatul este transfer de energe, care înseamnă creșterea numărulu total de astfel de purtător de sarcnă. Tensunle de străpungere, la care apare această creştere a curentulu, sunt dependente de natura materalulu semconductor, dn care este realzat dspoztvul, precum ş de concentraţle de mpurtăţ, fnd cu atât ma mc cu cât concentraţle de mpurtăţ sunt ma mar. 6. oda Zener (stablzatoare de tensune) odele stablzatoare de tensune (mpropru dar frecvent denumte dode Zener) sunt caracterzate prntro tensune de străpungere bne defntă (datortă efectulu de multplcare în avalanşă care determnă o creştere foarte puterncă a curentulu nvers în zona de străpungere). Tensunea de străpungere este controlată prn concentraţa de mpurtăţ. Funcţonarea normală a dode se face în zona reprezentată în fgura 2.5 (caracterstca statcă, atât cea drectă cât ş cea nversă). Aceasta permte înţelegerea noţun de tensune stablzată, U Z, precum ş determnarea rezstenţe dnamce a dode, r Z, conform relaţe: r U Z Z (2.7) I Z I ct. Z 12 Fg. 2.5 Caracterstca statcă a dode Zener

5 7. oda Schottky odele Schottky se realzează prn contact metalsemconductor de tp redresor. La contactul metalsemconductor se formează o bareră de potenţal ş o regune de sarcnă spaţală extnsă numa în semconductor. Astfel, doda Schottky funcţonează numa cu purtător majortar, electron în cazul semconductorulu de tp N ş golur pentru P. La echlbru termodnamc, curentul prn dodă este nul. La polarzare drectă (u > 0) barera de potenţal se mcşorează ş apare un curent prn joncţune, prn deplasarea electronlor dn semconductor în metal. qu kt I 0 ( e 1), cu 1. (2.8) La polarzare nversă (u < 0) barera de potenţal creşte, ar fluxul de electron de la semconductor spre metal scade foarte mult. Nu exstă curent rezdual. Propretăţ: cădere de tensune drectă ma mcă (0,4V Schottky, 0,75V dodă de Slcu) în comparaţe cu o dodă semconductoare de tp PN; funcţonare foarte bună la frecvenţe mar ş tmp de comutaţe foarte mc (ma mc de 100 ps). 8. oda electrolumnscentă (LE Lght Emttng ode) LEurle sunt realzate dn joncţun GaAs, semconductor având banda nterzsă de crca 1,6 1,7 ev. Ca urmare a recombnărlor drecte, se emt cuante de lumnă în spectrul vzbl, cu dferte culor, în funcţe de lungmea de undă a lumn emse. ferte lungm de undă se obţn prn adăugarea de mpurtăţ în procesul de dopare. odele electrolumnscente funcţonează doar la polarzare drectă, la curenţ de ordnul a 20 ma. Culor ş materale RGB Culoare Lungme de undă (nm) Tensune (V) Materal Roşu (R) 610 < < 760 1,63 < ΔV < 2,03 AlGaAs GaAsP AlGaInP GaP Verde (G) 500 < <570 1,9 < ΔV < 4 InGaN / GaN GaP AlGaInP AlGaP Albastru (B) 450 < < 500 2,48 < ΔV < 3,7 ZnSe InGaN SC ca substrat Se poate observa că tensunea drectă corespunzătoare este ma mare decât cea a dodelor de slcu. 13

6 Fg. 2.6 Curbe spectrale pentru LE albastru, galbenverzu ş roşu. (en.wkpeda.org/wk/lghtemttngdode) 14

7 ESFĂŞURAREA LUCRĂRII Se dentfcă montajul dn fgura 2.7, în care se foloseşte o schemă electrcă ajutătoare ca sursă de curent reglabl cu ajutorul potenţometrulu P. Almentat în curent contnuu între bornele 3 (18 V(tensunea efectvă de almentare a crcutulu, după elementele de protecțe, este de 12V)) ş 2 (masă), crcutul furnzează la borna 4 un curent reglabl între 0 ș 50 ma. 3 R R Z L R L G L B Fg. 2.7 Montajul de laborator Conectarea bornelor pentru sursa de curent: 18V la borna 3, borna 1 la masă; 1. Se conectează dodele pe rând la borna 4. Borna 2 se conectează la borna 1. Se trasează caracterstcle statce la polarzarea drectă pentru dodele: 1 1N4148 (dodă dn slcu, de vteză) (borna 9 este anodul); 2 EFR 135 (dodă redresoare dn germanu) (borna 10 reprezntă anodul); 1N5819 (dodă Schottky) (borna 11 reprezntă anodul); 3 4 BZX 85 C5V6 (dodă stablzatoare de tensune) (anodul este borna 2). LR LE roşu (anodul la borna 13); L LE verde (anodul la borna 14); G L LE albastru (anodul la borna 15). B Rdcarea caracterstclor drecte se face cu montajul dn fgura 2.8; curentul prn dodă se măsoară cu un mlampermetru, pe o scară corespunzătoare de curenţ, ar tensunea la bornele dode cu un voltmetru electronc (de prefernţă voltmetru numerc). Curentul se va regla la valor pentru care se poate face o reprezentare comodă la scară logartmcă adcă multpl ş submultpl zecmal a numerelor 1, 2 ş 5 (a căror logartm zecmal sunt, aproxmatv, 0, 0,3 respectv 0,7). Ma exact, setul de valor se va folos setul de valor: 0,1mA, 0,2mA, 0,5mA, 1mA, 2mA, 5mA, 10mA, 20mA. 15

8 Pentru realzarea montajulu, sursa de curent (borna 4) se conectează la ()ul mlampermetrulu, borna () a mlampermetrulu la ()ul dode (bornele 9, 10, 11, 13, 14, 15). Borna 2 se cuplează la masă (borna 1). Voltmetrul se conectează între borna de () a dode ș masă (borna 1). Atențe! oda BZX 85 C5V6 (dodă stablzatoare de tensune) este montată cu () ul la borna 12! Montajul va f dfert față de montajul folost la celelalte dode (borna 2 va f decuplată de la masă, borna 12 dusă la masă, ar ()ul ampermetrulu va f cuplat la borna 2). I VN Fg Montaj pentru rdcarea caracterstclor drecte Rezultatele măsurătorlor se vor trece întrun tabel de forma: I(mA) I (ma) U S (V) U Ge (V) U Schottky (V) U Zener (V) U LR (V) U LG (V) U LB (V) 2. La curentul I 9 = 5 ma se încălzeşte (cu mâna) doda 1N4148 ş se constată, caltatv, modfcarea tensun drecte pe dodă. 3. Se trasează caracterstcle statce ale celor tre dode la scară semlogartmcă (ca în fgura 2.2) ş se determnă parametr I 0 ş (care se vor trece întrun tabel). lg I U S (V) U Ge (V) U Schottky (V) U Zener (V) U LR (V) U LG (V) U LB (V) I 0 Slcu Germanu Schottky Zener LE R LE G LE A 4.1. Se vor trasa caracterstcle la scară lnară pe acelaş grafc, pe hârte mlmetrcă (numa în domenul de curenţ comun dodelor). Pentru 1N4148 se va trasa ş dreapta statcă de funcţonare (ecuaţa (2.4), cu E ș R ) ş se va determna punctul statc de funcţonare M (prn preczarea coordonatelor sale, U ş I ). În punctul statc de funcţonare astfel stablt, se va determna, grafc, rezstenţa dnamcă (cu relaţa (2.6)); kt se va calcula ş valoarea teoretcă a rezstenţe dnamce cu formula (2.5) în care = 26 mv, are q valoarea dedusă la punctul anteror ar I are valoarea dn punctul de funcţonare ş se vor compara rezultatele Se realzează crcutul dn fgura 2.9 pentru fecare dodă cu E = 5 V ş R1 = 1KΩ ş se măsoară mărmle caracterstce punctulu statc de funcţonare, U (cu voltmetru numerc) ş I (cu un mlampermetru montat în sere cu doda) ş se compară cu rezultatele obţnute prn metoda

9 grafoanaltcă, la punctul precedent. Se deconectează bornele 3 ş 4. Se conectează sursa E la borna 5, ar anodul dode la borna 6. (Atențe la conectarea dode Zener!). R1 E u VN Fg. 2.9 Crcut pentru determnarea PSF 5.1. Cu montajul dn fgura 2.10 se măsoară curentul nvers prn dode la tensunle E = 0, 5 V, 10 V, 20 V. R2 E VN Fg Montaj pentru măsurarea curentulu nvers Pentru aceasta, se conectează 7 la mnusul surse de tensune (prn ntermedul unu mlampermetru) ș 2 la plusul surse de tensune. Borna 8 se conectează, pe rând, la anodul dodelor (în afară de doda Zener). Bornele 1 ş 2 sunt ş ele cuplate Se măsoară caracterstca nversă a dode stablzatoare de tensune BZX 85 C5V6 cu montajul dn fgura 2.11, pentru curenţ între 0,1 ma ş 20 ma. Pentru aceasta, generatorul de curent se almentează cu 18 V (la borna 3), bornele 4 ş 12 se conectează împreună prntrun mlampermetru ar tensunea se măsoară cu un voltmetru (bornele 1 ş 2 sunt ş ele cuplate). Z VN Fg Montaj pentru detemnarea caracterstc dode Zener Se trasează caracterstca nversă a dode stablzatoare la scară lnară pe un grafc pe care se trasează, spre comparaţe ş caracterstca drectă. În punctul statc de funcţonare caracterzat prn I Z = 10 ma, se determnă rezstenţa dnamcă cu relaţa (2.7), măsurând tensunea pe dodă la curenţ: I Z = 5 ma ş I Z = 15 ma. 17

10 Referatul va conţne: schemele de prncpu pentru rdcarea caracterstclor drecte ş nverse ale dodelor; tabelele cu rezultatele măsurătorlor; grafcele ş determnărle făcute pe baza acestora; rezultatele teoretce; smularea crcutulu (schemă ș valor); compararea datelor expermentale cu cele teoretce. Exemple de datasheetur pentru dodele foloste: ( 1 ) ( 3 ) ( 4 ) (LE roşu) (LE verde) (LE albastru) Caracterstc prncpale pentru EFR 135 ( 2 ): I Max = 5A V nv max = 100 V I 0 = 100 µa V d < 0,6 V 18