1

V-A charakteristiky polovodičových diod

Činnost je založena na vlastnostech přechodu P- N nebo přechodu kov- polovodič (Schottkyho dioda).

Zapojení diody Zapojení diody propustném směru v závěrném směru

Anoda

DKatodaN

P

URU1

D

+

-

IR

UFU1

D

+

-

IF

Základní vlastností diody je vedení elektrického proudu pouze jedním směrem (IF).

UF - napětí na diodě v propustném směruIF - proud diodou v propustném směru

UR - napětí na diodě v závěrném směruIR - proud diodou v závěrném směru

2

V-A charakteristiky polovodičových diod Základní informace o vlastnostech polovodičové diody poskytuje její voltampérová charakteristika.

Závislost proudu na napětí je u polovodičových diod

nelineární – exponenciální.

U [μV]

I [μA]

1).(eII Tm.U

U

0 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 (1,602.10-12C),T - absolutní teplota [K]U - napětí na přechodu PN [V]I - proud procházející přechodem [A]I0 - saturační proud (pro Si 10-15 – 10-9 A,

pro Ge 10-8 – 10-2 A m - multiplikační činitel (není-li uveden, předpokládá se m=1, pro Si m=2)

Je dána Shockleyho rovnicí ideální diody:

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 .

pn a

3

V-A charakteristiky polovodičových diod - měření

Měření V-A charakteristiky diodyv propustném směru

UFU1

D

R0

+

V

mA

-

IF

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)

Pomocí napětí U1 se

postupně nastavují

napětí UF podle

hodnot z oblastí vyznačených na

charakteristice, a odečítají se proudy IF protékající diodou.

4

V-A charakteristiky polovodičových diod - měření

U1

D

R0

+

V

mA

-

UR

IR

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

Vstupní napětítsin

1U(t)

1u

1u

Střední hodnota napětí

T

00 dt)t(u

T

1U

Střední hodnotu U0 měří analogové i digitální měřicí přístroje na ss rozsahu.

100U

U

1

0%

u1

D

u2

(U0)

IF

G

Oscil.ChA, AC

Osc.ChB, DC

IZ

CRZ

10

Dioda jako usměrňovač Sériový usměrňovač

u1

D

u2

(U0)

IF

G

Oscil.ChA, AC

Osc.ChB, DC

IZ

CRZ

RZ=10 kΩ, C=0 µF

RZ=10kΩ, C=1µF

RZ=10 kΩ, C=50 µF

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 Paralelní usměrňovač

Obr. 4.3: Paralelní usměrňovač a průběhy napětíPostup měření:1) Zapojte diodu jako paralelní usměrňovač podle obr. 2.2) Zakreslete průběhy z obrazovky pro kmitočet 100Hz, 1kHz, 50kHz.3) Průběhy okótujte a při kmitočtu 100Hz odečtěte hodnotu prahového napětí UP .

4) Z průběhů určete pro kmitočty podle bodu 2 fázové posuny výstupního napětí vzhledem vstupnímu napětí.

5) (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

221

12 * Z

ZZ

uu

121

22 *Z

uu

uZ

)(

1

211

2

2 uuCj

u

Cj

BCu

uuCC

2

2112

Pro měření je vhodné použít stabilizační diodu, která vykazuje poměrně velkou bariérovou kapacitu.

Určíme její stabilizační napětí Uz.

UR

IR

Uz

16

17

18