I. Félvezetődiódák Tantárgy: Villamos mérések 2. Szakközépiskola 12. évfolyam számára Farkas Viktor
Bevezetés Szilícium- és Germánium diódák A fénykibocsátó dióda (LED) Zener dióda Mérési elrendezések és a mérések leírása
Az elektronika egyik legfontosabb építőelemei közé tartoznak a félvezető eszközök, közülük is a diódák. Melyek alapanyaga lehet szilícium (Si) vagy germánium (Ge), fénykibocsátó dióda esetén pedig többnyire gallium-arzénid (GaAs). A félvezető eszközök megjelenése előtt az egyenirányítást vákuumdiódák vagy mechanikai egyenirányítók segítségével oldották meg. Méréseink során megismerkedünk a félvezető eszközök viselkedésével és néhány tulajdonságával.
1. Szilícium és Germánium diódák a.) Rajzjele b.) A mérés célja Az áteresztő és a záró tartomány vizsgálata. Az egyenáramú és a differenciális (dinamikus) ellenállás meghatározása a mért jelleggörbéből. A gyakorlatban a germánium (Ge) és a szilícium (Si) dióda egyenirányításra, demodulálásra, kapcsolóelemként stb. használható.
c.) Jelleggörbéje Mivel a diódák ellenállása záróirányban nem végtelen, így záróirányú áram is folyik! Ebből határozhatjuk meg a záróirányú jelleggörbét. A félvezető dióda működése a rákapcsolt feszültség polaritásától függően változik. Ha nyitóirányban kapcsoljuk rá a feszültséget, a PN-átmenet kis ellenállást, ha záróirányban, akkor nagy ellenállást mutat. A nyitóirányú jelleggörbe szakasz három részre osztható: A küszöbfeszültséggel határolt indulóáram tartomány A nagy meredekségű áteresztő tartomány A telítési tartomány A záróirányú jelleggörbe szakasz két részre osztható: A zárótartomány A Zener tartomány A záróirányú jelleggörbe szakasz jellemzője a nagy negatív feszültségtartomány.
d.) Viselkedése egy adott munkapontban A jelleggörbe bármelyik pontja a dióda valamely lehetséges állapotának, munkapontjának felel meg. A munkapontban a diódának kétféle ellenállását adhatjuk meg: Egyenáramú ellenállás: R e = U/I a nemlinearitásból adódik, hogy nem állandó, hanem minden munkapontban más értékű Differenciális (dinamikus) ellenállás: R d = du/di adott munkapontban adott áramváltozáshoz tartozó feszültségváltozás
e.) Katalógusadatok Kisjelű Si dióda: 1N4148 Tokozás: DO-35 (üveg tok) Névleges áram (I f ):10 ma Nyitóirányúfeszültség adott I f mellett (U f ):1 V Megengedett záróirányúcsúcsfeszültség (U rrm ):100 V Záróirányúszivárgási áram (I r ):25 na Záróirányúregenerálódási idő (t r ):8 ns Rétegkapacitás adott feszültségen (C m ):4 pf A Si diódák küszöbfeszültsége kb.0,5-0,7 V a Ge diódáké kb.0,2-0,3 V
2. A fénykibocsátó dióda (LED) A LED (Light Emitting Diode) olyan félvezető dióda, amely a villamos energiát közvetlenül alakítja át fényenergiává. (Közvetlen átalakításnál a fényenergia nem hőenergiából keletkezik izzítással!) A lyukak és az elektronok rekombinációja során fénykvantum keletkezik, melynek hullámhossza függ a félvezető anyagától. Záróirányú előfeszítéskor nincs fénykibocsátás.
a.) Rajzjele b.) A mérés célja Az áteresztőtartomány vizsgálata. Az egyenáramúés a differenciális (dinamikus) ellenállás meghatározása a mért jelleggörbéből. A piros és a sárga (GaAsP), valamint a zöld (GaP) diódák a legelterjedtebbek. Hasonló a félvezető dióda nyitóirányú karakterisztikájához, de az áram nagyobb feszültségnél indul meg. (~ 1,6V-2,4V)
3. Zener dióda A Zener tartományban a feszültség kismértékű megváltozása az áram nagymértékű megváltozását vonja maga után. Ennél a diódatípusnál a hirtelen záróirányú áramnövekedés nem okoz azonnali átütést a letörési feszültség feletti tartományban. Legnagyobb letörés ötvözött Si alapanyagú Zener diódák esetében van. A letörés U zo Zener feszültségnél következik be, ahol I z minimális. Látható, hogy a letörés utáni Zener tartomány stabilizáló tulajdonságot mutat.
a.) Rajzjele b.) A mérés célja A záróirányújelleggörbe felvétele. Letörési feszültség meghatározása. Az egyenáramú és a differenciális (dinamikus) ellenállás meghatározása a mért jelleggörbéből.
Si dióda jelleggörbéjének meghatározása (mérésutasítás) Mérd meg a Si dióda nyitóirányú áramát az alábbi nyitóirányú feszültségek mellett: U f [mv] = 300; 350; 400; 425; 450; 475; 500; 525; 550; 575; 600; 625; 650; 675; 700 Mérd meg a Si dióda záróirányú áramát az alábbi záróirányú feszültségek mellett: U r [V] = 1; 2; 5; 10; 15; 20; 25; 30 A mérési eredmények alapján határozd meg a differenciális ellenállást (U f = 700-675mV-os tartományban) és az egyenáramúellenállást (I f =5mA-nél)! Ábrázold a mérési eredményeket!
Ge dióda jelleggörbéjének meghatározása (mérésutasítás) Mérd meg a Ge dióda nyitóirányú áramát az alábbi nyitóirányú feszültségek mellett: U f [mv] = 100; 150; 175; 200; 225; 250; 275; 300; 325; 350; 375; 400; 500; 600; 700 Mérd meg a Ge dióda záróirányú áramát az alábbi záróirányú feszültségek mellett: U r [V] = 1; 2; 5; 10; 15; 20; 25; 30 A mérési eredmények alapján határozd meg a differenciális ellenállást (U f = 500-400mV-os tartományban) és az egyenáramúellenállást (I f =3mA-nél)! Ábrázold a mérési eredményeket!
Zener dióda jelleggörbéjének meghatározása (mérésutasítás) Mérd meg a Zener dióda záróirányú feszültségét az alábbi záróirányúáramok mellett: I z [ma] = 0,2; 0,4; 0,8; 1,5; 3; 4,5; 8 A mérési eredmények alapján határozd meg a differenciális ellenállást (I z = 1,5-4,5mA-es tartományban) Ábrázold a mérési eredményeket! LED jelleggörbéjének meghatározása (mérésutasítás) Mérd meg a LED nyitóirányú feszültségét az alábbi nyitóirányú áramok mellett: I f [ma] = 0,05; 0,1; 0,15; 0,4; 0,8; 1,5; 3; 4,5; 8 A mérési eredmények alapján határozd meg a differenciális ellenállást (I f = 0,05-0,15mA-es és az I f = 1,5-4,5mA-es tartományban) Ábrázold a mérési eredményeket!
Váradi Antal -Műszerek és mérések (Elektronikus alkatrészek jellemzőinek mérése) Kovács Csongor Elektronikus áramkörök Lakatos Imre Anyag és gyártásismeret Klaus Beuth, Olaf Beuth II. Félvezetők